220 kV同塔雙回輸電線路避雷器防護(hù)配置研究

季 坤，嚴(yán) 波，操松元，陳 偉，汪 偉，張 瑩

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，合肥 230022；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司淮南供電公司，安徽淮南 232000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，線路走廊越來越緊張。同塔多回輸電技術(shù)因其能夠有效緩解輸電走廊緊張、節(jié)約土地資源、提高輸電容量等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]表明，雷電是影響輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要威脅之一。同塔多回輸電技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)致桿塔高度增加，增大了遭受雷擊的概率，也給線路絕緣配合與防雷性能研究提出了新的要求[3-4]。

為了有效提升同塔多回線路的耐雷水平，一系列措施被采用，如：降低桿塔接地電阻[5]、敷設(shè)避雷線[6]、安裝線路避雷器[6-7]等。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[8]和仿真結(jié)果[9-10]都表明這些措施具有明顯效果，其中安裝線路避雷器的防護(hù)效果最為顯著。但是對于具體避雷器的防護(hù)配置方式，如安裝數(shù)量、安裝位置、與絕緣子串最小間距等仍然不是十分清晰，對避雷器防護(hù)效果影響因素研究也相對較少。對此進(jìn)行相關(guān)綜合研究，對于確保同塔多回輸電線路安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

筆者利用EMTP軟件[11]搭建220 kV同塔雙回輸電線路模型，分析線路發(fā)生雷擊反擊時(shí)，不同避雷器配置方式下的線路耐雷水平，討論桿塔接地電阻、線路工頻電壓相位角對避雷器防護(hù)效果的影響，最后計(jì)算不同配置方式下，避雷器與絕緣子串防止發(fā)生側(cè)向閃絡(luò)的最小安全間距，為同塔雙回線路的雷電防護(hù)提供一定參考。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

較為常用的雷電流模型有3種：雙指數(shù)函數(shù)波形、Heidler函數(shù)波形、脈沖函數(shù)波形，Heidler函數(shù)更為符合通道底部電流波形[12]，因此利用Heidler函數(shù)模擬雷電流波形，表達(dá)式如下：

式中：I0為雷電流峰值；τ1和τ2分別為波頭和波尾時(shí)間常數(shù)；n為電流陡度因子，IEC推薦值取10。雷電流波形參數(shù)相關(guān)規(guī)范[13]取2.6/50 μs，雷電通道等值波阻抗根據(jù)電流幅值選取[13]。

1.2 線路及桿塔模型

在EMTP中搭建220 kV同塔雙回輸電線路模型，線路全線敷設(shè)雙避雷線，檔距為500 m，導(dǎo)線型號為LGJ-400/50，避雷線型號GJ-50。為降低雷電流高頻成分對線路參數(shù)的影響，導(dǎo)線與避雷線均采用Jmarti模型來反映頻率與線路參數(shù)間關(guān)系及分布損耗特性[14]。

為考慮雷電波在桿塔上的傳播過程，同時(shí)體現(xiàn)桿塔橫擔(dān)和支架線段等部位及不同高度處阻抗的變化，采用Hara提出的無損多阻抗桿塔模型[15]。圖1給出了桿塔結(jié)構(gòu)及其等效電路模型。

圖1 桿塔結(jié)構(gòu)及其等效模型Fig.1 Structure of tower and its circuit mode

圖1 中，Zt為桿塔主干波阻抗，ZL為桿塔支架波阻抗，ZA為桿塔橫擔(dān)波阻抗。

主干波阻抗Ztk通過下式計(jì)算[11]：

式中，

實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)表明，支架的存在使得波阻抗下降10%左右，支架波阻抗ZLk可以通過下式估算：

橫擔(dān)可以看作簡單的水平導(dǎo)體來計(jì)算其波阻抗，具體計(jì)算如下：

式中：hk為第k個(gè)橫擔(dān)高度；rAk為等效半徑，取橫擔(dān)與主干連接長度的1/4。

1.3 絕緣子串模型

絕緣子串閃絡(luò)的常見判據(jù)有規(guī)程法[13]、相交法[12]和先導(dǎo)法[16]。規(guī)程法應(yīng)用于同塔多回線路雙回同時(shí)閃絡(luò)判斷與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果差別較大，先導(dǎo)法考慮了閃絡(luò)整個(gè)物理過程，分析結(jié)果十分精確，但模型參數(shù)過于設(shè)置復(fù)雜，因此本文選用較為精確，模型相對簡單的相交法。

220 kV等級線路絕緣子串采用18片XWP2-70型絕緣子，絕緣子串的伏秒特性根據(jù)文獻(xiàn)測算而得。

1.4 沖擊接地模型

桿塔工頻接地電阻模型無法體現(xiàn)雷電流對土壤的電離效應(yīng)。當(dāng)雷電流幅值較大時(shí)，接地體周圍土壤被擊穿導(dǎo)致電離，這種效應(yīng)相當(dāng)于增加了接地體的尺寸，從而降低接地體電阻。為體現(xiàn)電離效應(yīng)，仿真中接地電阻模型采用CIGRE大電流特性模型，沖擊接地電阻與電流存在如下關(guān)系[17]：

式中：I為流過接地體的雷電流；Ig為土壤臨界擊穿電流；R0為接地體工頻接地電阻。

土壤臨界擊穿電流Ig通過下式計(jì)算：

式中：ρs為土壤電阻率；r為表面積相等的半球電極半徑，；Ec為土壤臨界擊穿場強(qiáng)，與土壤電阻率有關(guān)[11]：

1.5 避雷器模型

由于EMTP自帶的避雷器模型無法準(zhǔn)確表示避雷器帶串聯(lián)間隙，仿真中用壓控開關(guān)與非線性電阻串聯(lián)模型來模擬，見圖2[18]。當(dāng)避雷器兩端電壓超過間隙擊穿電壓時(shí)，避雷器動(dòng)作，相當(dāng)于開關(guān)閉合。避雷器動(dòng)作后，其兩端電壓與電流符合下式關(guān)系[19]：

式中：i為流經(jīng)避雷器的電流；Ur為避雷器兩端電壓；k與α根據(jù)具體參數(shù)擬合而得。

圖2 串聯(lián)間隙避雷器模型Fig.2 Equivalent model of the line arrester

220 kV線路安裝帶串聯(lián)間隙線路型金屬氧化物避雷器，型號為YH10CX-180/520，避雷器額定電壓為180kV，直流參考電壓U1mA不小于260kV，8/20μs 10 kA雷電流沖擊下殘壓為520 kV。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 避雷器配置方式

圖3給出了雷擊桿塔塔頂時(shí)雙回線路未安裝避雷器與各相均安裝避雷器時(shí)絕緣子串電壓波形。雷電流幅值150 kA，桿塔工頻接地電阻取4 Ω。

圖3 安裝避雷器前后絕緣子串電壓波形Fig.3 Voltage across the insulator string without and with line arresters

由圖3可看出，雷電流幅值為150 kA時(shí)，同一橫擔(dān)處線路A、B兩相均發(fā)生了閃絡(luò)，即線路發(fā)生了四相閃絡(luò)。當(dāng)線路各相均安裝避雷器后，絕緣子串兩端過電壓得到了有效抑制，各相均未發(fā)生閃絡(luò)，安裝避雷器的防護(hù)效果較明顯。

圖4給出了分別安裝4支、5支、6支避雷器的配置方式。安裝4支方式有6種，安裝5支避雷器配置方式有3種，安裝6支避雷器配置方式有1種，分別記為1-10。

圖4 避雷器配置方式Fig.4 Configuration method of line arresters

圖5 給出了不同避雷器配置方式下線路反擊耐雷水平。

由圖5可看出，避雷器配置數(shù)量越多，線路耐雷水平越高。避雷器安裝數(shù)量相同情況下，線路耐雷水平受避雷器安裝位置影響。4支配置方式下耐雷水平差別較為明顯，方式3的耐雷水平最高，即一側(cè)3相與另一側(cè)上相安裝避雷器。5支配置方式下耐雷水平差別不大，方式8的耐雷水平最高，即一側(cè)3相與另一側(cè)上相、中相安裝避雷器。

圖5 給出了同避雷器配置方式下線路反擊耐雷水平Fig.5 Lightning protection level due to back flashover in all configurations

2.2 接地電阻影響

圖6給出了避雷器配置3、8、10方式下線路反擊耐雷水平隨桿塔接地電阻變化。

圖6 耐雷水平隨接地電阻變化Fig.6 Lightning protection level vs tower grounding resistances

圖6 表明，無論采取何種避雷器配置方式，線路反擊耐雷水平均隨著桿塔接地電阻的增大而降低，降低幅度逐漸趨緩。因?yàn)榻拥仉娮璧脑龃?，?dǎo)致桿塔橫擔(dān)電位增加，從而增大絕緣子串上的電壓，降低了線路耐雷水平，因此需要盡可能降低桿塔接地電阻。

2.3 工頻電壓影響

圖7給出了避雷器配置3、8、10方式下線路反擊耐雷水平隨線路工頻電壓相位角變化情況，桿塔工頻接地電阻4 Ω，上、中、下相初始相位分別為0°、-120°、120°。

從圖7可看出，線路耐雷水平受工頻電壓相位角變化影響，呈現(xiàn)近似弦波變化，但是受雷電波在桿塔不同位置處傳遞過程等因素影響，耐雷水平變化幅度不一，且變化幅度均不大。

圖7 耐雷水平隨工頻電壓相位角變化Fig.7 Lightning protection level vs the phase angle

2.4 避雷器與絕緣子串最小安全距離

避雷器能夠顯著提高線路耐雷水平，但當(dāng)避雷器與絕緣子串并行間距過小時(shí)，雷電過電壓便會(huì)擊穿避雷器與絕緣子串間隙空氣發(fā)生側(cè)向閃絡(luò)，對絕緣子串造成危害，避雷器也無法起到保護(hù)作用[20]。因此，避雷器與絕緣子串存在一個(gè)最小安全距離，見圖8[20]。

圖8 避雷器與絕緣子串間最小安全距離Fig.8 Minimum safety distance required between the line arrester and the insulators string

圖9 給出了200 kA雷電流擊中桿塔塔頂時(shí)，不同避雷器配置方式下，避雷器與絕緣子串間最小安全距離。在仿真中避雷器與絕緣子串并行間距采用壓控開關(guān)模擬，擊穿電壓根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果選取[20]。

圖9 最小安全距離隨避雷器配置方式變化Fig.9 Minimum safety distance vs different configurations

從圖9可看出，避雷器與絕緣子串間最小安全距離隨著避雷器安裝數(shù)量的增加而降低。因?yàn)楸芾灼鲾?shù)量越多，單個(gè)避雷器分流和能量吸收越少。同時(shí)，最小安全距離隨著接地電阻的增大而增加，最小安全距離的增加給桿塔設(shè)計(jì)與避雷器的安裝帶來不便，需要盡量降低桿塔接地電阻。

3 結(jié)論

本文在EMTP中建立220 kV同塔雙回輸電線路模型，分析避雷器配置方式對線路耐雷水平的影響，得到如下結(jié)論：

1）安裝避雷器后能夠顯著提升線路耐雷水平，且避雷器安裝數(shù)量越多，耐雷水平提升越高。

2）4支避雷器配置方式下，推薦在一側(cè)3相與另一側(cè)上相安裝；5支配置方式下，推薦在一側(cè)3相與另一側(cè)上相、中相。

3）線路耐雷水平隨著桿塔接地電阻的增加而顯著降低。

4）線路耐雷水平受工頻電壓相位角影響，但受影響變化幅度不大。

5）避雷器與絕緣子串最小安全距離隨著避雷器安裝數(shù)量的增加而減小，隨著桿塔接地電阻的增加而增大。