改善桿塔波阻抗對110 kV輸電線路雷擊過電壓的影響

陳斯翔，武利會，李恒真，陳道品，劉益軍，吳統(tǒng)帥

(1.廣東電網(wǎng)股份有限公司佛山市供電局， 廣東 佛山 528011； 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 成都 611756)

0 引 言

隨著我國年用電量逐年增長，高壓、特高壓架空輸電線規(guī)?？涨?。隨著電壓等級與傳輸距離的提升，線路防雷問題變得越來越突出，大量統(tǒng)計資料表明：大部分雷害事故是由于雷擊輸電桿塔頂部或避雷線引起的輸電線路反擊跳閘事故，尤其是隨著輸電線路等級的不斷提高，桿塔高度不斷增高，雷擊桿塔頂部或附近避雷線的概率也在相應(yīng)增加，這極大的影響了電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟運行[1]。

國內(nèi)外學(xué)者針對輸電線路防雷做了大量研究，包括桿塔模型建立以及防雷方法研究，目前桿塔模型主要有：集中電感模型、單一波阻抗模型和多波阻抗模型[1-4]，現(xiàn)有防雷方法主要有：架設(shè)避雷線、架設(shè)耦合地線[5]、降低接地電阻、安裝線路避雷器[6-7]等，架設(shè)避雷線已成為一種常規(guī)的措施，110 kV以上線路均架設(shè)雙避雷線；全線架設(shè)耦合地線會導(dǎo)致線路投資過大，不滿足經(jīng)濟性要求；降低接地電阻，線路防雷效果提升顯著，但一味追求極低的接地電阻也會大大增加建設(shè)成本；線路避雷器可以有效的防止絕緣子閃絡(luò)，但如果全線架設(shè)，投資過大且維護困難，因而主要用于雷害嚴重或接地電阻過高的局部輸電線路。上述措施均從增加線路耦合作用和降低接地電阻出發(fā)，然而并未基于桿塔波阻抗開展相關(guān)防雷方法研究，也未提出基于降低桿塔波阻抗的防雷優(yōu)化方法。

筆者利用有限元法求解出桿塔波阻抗模型[8]，并將仿真結(jié)果與Hara的多波阻抗模型對比[9]，以證明本研究桿塔波阻抗模型有效性，然后提出了增設(shè)拉線以降低桿塔波阻抗，進而提升線路耐雷水平的方法，并構(gòu)建了拉線、桿塔、避雷器、輸電線路、絕緣子等EMTP聯(lián)合暫態(tài)仿真模型，基于模型分析了工作電壓、拉線、接地電阻、避雷器安裝方式對線路耐雷水平的影響，并研究了拉線、避雷器以及拉線與避雷器相互配合的防雷效果，為進一步提高線路耐雷水平，降低雷擊過電壓提供了研究基礎(chǔ)與依據(jù)。

1 桿塔波阻抗求解

1.1 桿塔波阻抗求解原理

根據(jù)電磁場相關(guān)理論[10-11]，電場能量We的表達形式及與電容關(guān)系如下：

(1)

式中：E是電場強度，V/m；D是電通量密度，C/m。

同理磁場能量Wm的表達式及與電感關(guān)系如下：

(2)

式中：H是磁場強度，A/m，B是磁感應(yīng)強度,T。

桿塔波阻抗表達式下：

(3)

利用ANSYS分別計算桿塔不同高度的電場和磁場能量，然后依據(jù)式(1)和式(2)分別求出桿塔不同高度的C和L，最后由式(3)得出桿塔不同高度的波阻抗。

1.2 輸電桿塔三維建模

為使仿真結(jié)果接近真實，所采用的桿塔在幾何和材料上必須和真實桿塔貼近，采用CAD對桿塔進行三維建模，并把建立好的模型導(dǎo)入ANSYS中進行分析。多級桿塔的等效模型見圖1。塔頂?shù)缴蠙M擔對應(yīng)多級桿塔模型中的第一級，上橫擔到中橫擔為第二級，中橫擔到下橫擔為第三級，下橫擔到塔底為第四級。每一級用波阻抗Z、波速取270 m/μs和集中參數(shù)R、L組成的并聯(lián)電路串聯(lián)而成。Rg為桿塔接地電阻。集中參數(shù)R、L的計算如下：

圖1 多級桿塔等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of multistage tower

(4)

R4=-2×Z4×lnα

(5)

這里li是桿塔每級的實際高度，Zi為桿塔每級的波阻抗，α為衰減系數(shù)取常數(shù)0.89。

Li=2τRi(i=1,2,3,4)

(6)

式中τ為雷電波在塔上的傳播時間，τ=h/c0，h為桿塔總高度,c0=270 m/μs。

1.3 輸電桿塔電磁場仿真

將輸電桿塔3D模型導(dǎo)入到ANSYS中進行仿真，仿真得出的桿塔模型每段的電場能量和磁場能量見表1。

表1 桿塔每層電場能量和磁場能量Table 1 Electric field energy and magnetic field energy of each layer of the towe

依據(jù)式(1)-(6)計算出多層桿塔模型中的每層的波阻抗及每級的集中參數(shù)R、L見表2。

表2 桿塔的波阻抗及R、L參數(shù)Table 2 Wave impedance and R, L parameters of tower

2 輸電線路EMTP建模

2.1 電力架空線路建模

本研究是對雷電流進行仿真，由于其頻率極高，頻率對線路參數(shù)影響不可忽略，因此選用了LCC中的J.Marti模型模擬輸電線路，該模型的特點是運算中考慮到雷電流的頻率特性和桿塔不均勻波阻抗的特性問題。

2.2 絕緣子閃絡(luò)模型

目前，絕緣子串在雷電沖擊下閃絡(luò)判據(jù)有規(guī)程法、相交法[12-13]和先導(dǎo)法[14-16]。筆者采用相交法對絕緣子閃絡(luò)進行建模。相交法即通過比較絕緣子串的伏秒特性曲線與絕緣子串兩端雷電過電壓波形有無交點來判斷絕緣子是否發(fā)生閃絡(luò)，IEEE推薦絕緣子串在標準雷電波下的伏秒特性如下：

(7)

其中：Us-t為桿塔上絕緣子串閃絡(luò)電壓；l為絕緣子串長；t為從雷擊開始到閃絡(luò)所經(jīng)歷的時間(μs)，取0.5～5 μs。

基于絕緣子串伏秒特性，在ATP-EMTP中用MODELS控制TACS開關(guān)來模擬絕緣子閃絡(luò)模型[17]。

2.3 避雷器建模

采用多段指數(shù)來模擬[18-19]，并可以用在有間隙的避雷器上。每段特如下：

i=p(V/Vref)q

(8)

式中：p和q為特性常數(shù)；Vref為參考電壓，通常取額定電壓的兩倍或者直流1 mA下的參考電壓。設(shè)計的避雷器參數(shù)見表3。在EMTP中常用92型設(shè)備來模擬ZnO避雷器[20]。

表3 避雷器參數(shù)Table 3 Parameters of arrester

2.4 拉線建模

增設(shè)桿塔拉線不僅能增加桿塔的抗風(fēng)壓能力，還能降低桿塔的波阻抗，進而提高線路的防雷性能，而且拉線成本較低，不需要維護。因此筆者提出了增設(shè)拉線的防雷方法，研究了在桿塔呼高處增設(shè)不同數(shù)量拉線對線路防雷性能的影響。選取的拉線半徑為20 mm，拉線的上部與桿塔在呼高處連接，下部與桿塔接地裝置的外引射線相連，這樣不僅可以省去拉線的接地裝置，還能大大降低拉線的接地電阻，最大程度提高線路防雷性能。由于拉線垂直高度有十幾米，水平距離桿塔接地裝置只有幾米，其傾斜度很大，幾乎與地面垂直因此可以將其等效為垂直圓柱導(dǎo)體，其波阻抗如式(9)：

(9)

其中：μ為磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；r為拉線半徑；l為拉線的長度。

2.5 整體建模

以傘形雙回鐵塔為例，絕緣子型號為XWP2-70，絕緣子串總長度Ljy=1.022 m，根據(jù)公式(7)得到絕緣子串伏秒特性曲線，見圖2，由伏秒特性曲線知，絕緣子串0.5 μs時閃絡(luò)電壓U0=1.629 MV，5 μs閃絡(luò)電壓Uinf=625.81 kV，取時間常數(shù)t=0.8 μs考慮兩基桿塔，其檔距為500 m，不考慮拉線和避雷器的整體模型構(gòu)建見圖3。

圖2 絕緣子串伏秒特性曲線Fig.2 Voltage second characteristic curve of insulator string

圖3 整體模型圖Fig.3 Overall model

多層輸電塔模型與Hara多波阻抗模型的仿真結(jié)果對比見圖4，從圖中可以看出，兩種模型下的第一基桿塔塔頂電壓幅值及變化趨勢相差不大，這充分證明了采用有限元法求解桿塔波阻抗的正確性。

圖4 不同桿塔模型下第一基桿塔塔頂電壓Fig.4 Top voltage of the first tower under different tower models

3 輸電線路耐雷水平仿真及結(jié)果分析

3.1 雙回輸電線路雷電過電壓特性分析

在第一基桿塔塔頂注入2.6/50 μs,幅值為100 kA的雷電流，接地電阻為10 Ω，圖5是第一基桿塔不同橫擔的電位分布，圖6是不同相絕緣子兩端電壓，對比圖5、圖6易知絕緣子兩端電壓要比橫擔電位小很多，這是由于輸電線路存在工作電壓和感應(yīng)電壓，橫擔電位越高，絕緣子兩端電壓也越大，因此降低桿塔橫擔電位，可以在一定程度上防止絕緣子閃絡(luò)。

圖5 第一基桿塔不同橫擔的電位分布Fig.5 Potential distribution of different cross arms of the first base tower

圖6 不同相絕緣子兩端電壓Fig.6 Voltage at both ends of different phase insulators

3.2 工作電壓對線路耐雷水平的影響

當雷擊發(fā)生時，作用在絕緣子串上的除了雷電流引起的電壓還有工作電壓。因此絕緣子串閃絡(luò)是由線路工作電壓和雷電壓疊加共同作用的[21-22]。對于高壓輸電線路，工作電壓較高，因此工作電壓對線路耐雷水平的作用不可忽略。圖7給出了輸電線路耐雷水平與工作電壓相位角的關(guān)系，由圖可知輸電線路耐雷水平受工頻電壓相位角變化影響，近似呈現(xiàn)余弦波變化，但整體變化幅度較小，在電壓相位角為180°時，輸電線路耐雷水平處于最低值，在0°和360°時輸電線路耐雷水平處于最高值，基于這一規(guī)律，為充分考慮工作電壓的影響，后續(xù)分析均以電壓相位角為180°開展。

圖7 輸電線路耐雷水平與工頻電壓相位角關(guān)系Fig.7 Relationship between lightning resistance level and power frequency voltage phase angle of transmission line

3.3 拉線對線路耐雷水平的影響

在第一基桿塔注入2.6/50 μs，幅值為100 kA雷電流，圖8是接地電阻為10 Ω時，塔頂電位及絕緣子耐雷水平與拉線數(shù)量的關(guān)系，結(jié)果表明：塔頂電位隨著拉線數(shù)量的增加而減小，A、C兩相絕緣子耐雷水平隨著拉線數(shù)量的增加而增加，但當拉線數(shù)量超過4根時，絕緣子耐雷水平增加趨勢明顯變緩，這是由于拉線的存在相當于減小了桿塔波阻抗，降低了橫擔電位。

圖8 塔頂電位及絕緣子耐雷水平與拉線數(shù)量的關(guān)系Fig.8 Relationship between tower top potential, lightning resistance level of insulator and number of guy wires

圖9是在不同接地電阻下，無拉線和安裝4根拉線時，線路整體耐雷水平的對比，結(jié)果表明當接地電阻小于20 Ω時，安裝拉線可以有效提高線路整體耐雷水平，當接地電阻為5 Ω時，耐雷水平提升了近35%，但當接地電阻大于20 Ω時，拉線的作用不再顯著，這是由于在接地電阻較小時，桿塔的波阻抗是影響線路耐雷水平的主要因素，拉線可以降低桿塔的波阻抗，因此效果顯著，反之，當接地電阻較大時，接地電阻成為影響線路耐雷水平的主要因素，但拉線僅能降低桿塔的波阻抗，因此效果不再顯著。

圖9 無拉線和安裝4根拉線效果對比Fig.9 Effect comparison between no guy wire and four guy wires

3.4 避雷器對線路耐雷水平的影響

當接地電阻超過20 Ω時，拉線不能明顯提高線路耐雷水平，因此針對該工況，研究了如圖10中12種避雷器安裝方式對線路耐雷水平的影響，●表示避雷器安裝位置，方式○表示不裝設(shè)避雷器：

圖10 避雷器安裝方式及輸電線路耐雷水平Fig.10 Installation mode of arrester and lightning resistance level of transmission line

結(jié)果表明，即使在接地電阻較高的條件下，裝設(shè)避雷器也能較好的提升線路耐雷水平，線路耐雷水平隨著避雷器數(shù)量的增加而上升，且線路耐雷水平受避雷器安裝位置影響，安裝兩只避雷器時，方式1效果最好，安裝3只避雷器時，方式6效果最好，4只配置方式時，方式9和方式10效果相當，安裝6只避雷器效果最優(yōu)，線路耐雷水平提升了近75%。

3.5 拉線配合避雷器對線路耐雷水平的影響

基于前文對拉線及避雷器防雷效果的單獨分析易知，拉線對A、C相線路有較好的保護作用，避雷器安裝位置會影響線路的耐雷水平，在接地電阻較低時，拉線和避雷器可以相互配合進一步提高線路整體耐雷水平，圖11是在接地電阻為10 Ω時，拉線和避雷器不同配合方式下線路的耐雷水平。

圖11 避雷器與拉線配合效果Fig.11 Matching effect of arrester and stay wire

由圖11可知，當接地電阻為10 Ω時，桿塔安裝2～3避雷器就能夠?qū)⒕€路耐雷水平較大幅度提高，避雷器安裝方式5效果最優(yōu)。避雷器不論采用何種安裝方式，安裝拉線均能繼續(xù)提高線路耐雷水平，且隨著拉線數(shù)量增加，效果越明顯。除此之外，只安裝4根拉線的效果比避雷器安裝方式2或安裝方式3更好，與避雷器安裝方式5效果相當，因此在一些接地電阻較低，維護困難的地方可以采用拉線代替避雷器，在雷害嚴重的地方可以采用拉線配合避雷器安裝方式5提高線路耐雷水平。

4 結(jié) 論

本研究從降低桿塔波阻抗的角度出發(fā)，提出安裝拉線提升線路耐雷水平的方法，并利用有限元和EMTP軟件完成拉線、桿塔、避雷器、絕緣子、輸電線路仿真模型建立，開展拉線、避雷器以及二者相互配合對提升線路耐雷水平的作用研究，并得出如下結(jié)論：

1)輸電線路耐雷水平受工頻電壓相位角變化影響，近似呈現(xiàn)余弦波變化，但整體變化幅度較小，在電壓相位角為180°時，輸電線路耐雷水平處于最低值。

2)低接地電阻區(qū)域，安裝拉線可以代替避雷器有效提升線路耐雷水平，接地電阻越小，拉線數(shù)量越多，拉線的作用越明顯，線路耐雷水平越高。在雷害較為嚴重的地方也可以采用拉線配合避雷器進一步提升輸電線路耐雷水平，其中4根拉線配合避雷器安裝方式5效果最好。

3)無論接地電阻如何，線路避雷器的鉗位作用都能提升線路耐雷水平，但避雷器數(shù)量及安裝方式不同，效果不同，其中2只時，方式1效果較好；3只時，方式6效果較好；方式12效果最好，但成本最高，因此在接地電阻較高或雷害極其嚴重的區(qū)域可以采用方式12。