輸電線路覆冰拆地線后避雷器選型問題研究

鄒建章， 張 宇， 胡 京， 張敦晶， 周龍武

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 南昌 330096; 2.南昌大學(xué), 南昌 330031)

0 引言

地線嚴(yán)重覆冰或與導(dǎo)線不同期脫冰導(dǎo)致其與導(dǎo)線絕緣距離不足引起的線路跳閘事件時有發(fā)生，是引起線路冰害故障的重要原因之一[1-2]。國網(wǎng)公司相關(guān)文件規(guī)定，對特殊區(qū)段，在確保電網(wǎng)安全的條件下，可采取拆除地線的措施。

在輸電線路中，地線的主要作用是防止雷電直接擊中導(dǎo)線，并對擊中桿塔的雷電流進(jìn)行分流，以降低雷電過電壓水平。地線拆除對線路防雷性能有直接負(fù)面影響，為保證地線拆除后線路應(yīng)有的防雷水平，須額外采取其它防雷措施。從防雷保護(hù)的可靠性和效果出發(fā)，建議安裝線路避雷器。理論分析表明，無地線情況下線路避雷器通流及能量吸收情況有明顯變化，對避雷器通流能力、配置方案提出特殊要求。

筆者主要對地線拆除對線路防雷性能影響、以及無地線情況下線路避雷器通流能量等問題進(jìn)行研究，指導(dǎo)線路避雷器合理選型及安裝，保證線路避雷器的安全可靠運(yùn)行和防雷保護(hù)效果。

1 地線拆除對線路防雷性能影響分析

1.1 地線拆除對線路防雷性能影響

拆除地線對線路防雷性能影響在防反擊和防繞擊兩個方面均有體現(xiàn)：

防反擊方面。沒有了地線的分流，雷擊塔頂?shù)睦纂娏魅坑蓷U塔入地，更大的雷電流會在桿塔橫擔(dān)處產(chǎn)生更高的過電壓，增加線路絕緣閃絡(luò)的風(fēng)險；同時，由于沒有了地線的耦合作用，同等雷電流下絕緣子串兩端的電位差會上升，更容易發(fā)生閃絡(luò)。

防繞擊方面。由于地線的屏蔽作用，一方面限制了能夠繞過地線擊中導(dǎo)線的最大雷電流Ik，使得能夠造成繞擊跳閘的雷電流只能在繞擊耐雷水平I2和最大繞擊雷電流Ik之間，大大減少了繞擊危險雷電的數(shù)量；另一方面由于地線的屏蔽作用，部分入射角度的雷電流會被屏蔽[3]。取消地線后，在直擊雷中，除擊中桿塔外，其它均擊中導(dǎo)線，當(dāng)雷電流超過其繞擊耐雷水平I2時，絕緣子串就會發(fā)生閃絡(luò)，此種情況下，線路的繞擊跳閘率將大幅上升。

由于缺少了地線的屏蔽，所以輸電線路繞擊跳閘率計(jì)算的電氣幾何模型法已不適用，此處反擊和繞擊跳閘率的計(jì)算均采用規(guī)程法。

在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，一般高度的鐵塔，無避雷線線路的雷擊跳閘率計(jì)算公式見式(1)[4]：

n=Nη[gP1+(1-g)P2]

(1)

式中：N為每年每100 km線路的雷擊次數(shù)，次/100 km·年；η為建弧率；g為線路擊桿率；P1為超過雷擊桿塔時耐雷水平I1的雷電流概率；P2為超過雷擊導(dǎo)線時耐雷水平I2的雷電流概率。

(2)

(3)

其中：U50%為絕緣子串的50%沖擊放電電壓，kV；Rsu為桿塔沖擊接地電阻，Ω；ha為橫擔(dān)對地高度，m；ht為桿塔高度，m；Lt為桿塔電感，μH；hav為導(dǎo)線平均高度，m。

雷電流幅值超過I的概率可按式(4)計(jì)算：

(4)

式中：P為雷電流幅值概率；I為雷電流幅值，kA。

1.2 地線拆除前后線路防雷性能計(jì)算

以某包含6基桿塔的220 kV線路段為例，線路防雷性能計(jì)算參數(shù)見表1，導(dǎo)線型號為LGJ-240/30，地線型號為GJ-70，為便于比較，設(shè)定地閃密度為標(biāo)準(zhǔn)地閃密度2.78次/平方公里·年。

表1 防雷性能計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of lightning protection performance

有地線情況下線路的反擊和繞擊耐雷性能見表2。

表2 有地線防雷性能計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of lightning protection performance with ground wires

將各桿塔計(jì)算結(jié)果按檔距加權(quán)求和，有地線時，220 kV試驗(yàn)線的反擊跳閘率為0.400 2次/(100 km·a)，繞擊跳閘率為0.031 8次/(100 km·a)，雷擊跳閘率為0.432 0次/(100 km·a)。

無地線情況下線路的反擊和繞擊耐雷性能見表3。

表3 無地線防雷性能計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of lightning protection performance without ground wires

將各桿塔計(jì)算結(jié)果按檔距加權(quán)求和，無地線時，220 kV試驗(yàn)線的反擊跳閘率為1.220 9次/(100 km·a)，繞擊跳閘率為15.250 5次/(100 km·a)，雷擊跳閘率為16.471 4次/(100 km·a)。

由計(jì)算結(jié)果可見，取消地線后線路的反擊和繞擊跳閘率均大幅上升，其中繞擊跳閘率的上升尤為明顯，與理論分析結(jié)果吻合。因此，為防止冰害故障而拆除地線后，為控制線路雷害水平，必須采取其它防雷措施，從防雷保護(hù)效果和可靠性角度出發(fā)，優(yōu)先選擇線路避雷器[5-6]。

2 無地線情況下線路避雷器分流系數(shù)推導(dǎo)

無地線時，輸電線路直擊雷分雷擊桿塔和雷擊導(dǎo)線兩種情況，以下分別對兩種情況下線路避雷器支路的分流系數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。

1)雷擊桿塔

雷擊桿塔頂部，雷電流有兩條分流路徑，一是通過“桿塔—接地電阻”分流，分流系數(shù)為βrgt；二是通過“避雷器—導(dǎo)線”分流，分流系數(shù)為βd。其等值電路見圖1。圖中Lgt為桿塔電感；Rch為桿塔沖擊接地電阻；Ld為避雷器保護(hù)相導(dǎo)線桿塔兩側(cè)相鄰檔的電感并聯(lián)值；igt為“桿塔—接地電阻”分流；id為“避雷器—導(dǎo)線”分流。

圖1 雷擊桿塔頂部時的等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of lightning stroke on top of tower

經(jīng)過整理，得到“避雷器—導(dǎo)線”分流系數(shù)βd計(jì)算公式為

(5)

式中：τ1為雷電流的波頭長度，取τ1= 2.6 μs。

2)雷擊導(dǎo)線

雷擊導(dǎo)線，雷電流有兩條分流路徑，一是通過“導(dǎo)線—避雷器—桿塔—接地電阻”分流，分流系數(shù)為βrd1；二是通過另一側(cè)導(dǎo)線分流，分流系數(shù)為βrd2。其等值電路見圖2。Lgt為桿塔電感；Rch為桿塔沖擊接地電阻；Lrd1為繞擊點(diǎn)至線路避雷器段導(dǎo)線的電感；Lrd2為繞擊點(diǎn)另側(cè)導(dǎo)線的電感,；ird1為“導(dǎo)線—避雷器—桿塔—接地電阻”分流；ird2為另一側(cè)導(dǎo)線分流。

圖2 雷擊導(dǎo)線時的等值電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of lightning stroke on conductor

經(jīng)過整理，得到“導(dǎo)線—避雷器—桿塔—接地電阻”分流系數(shù)βrd1計(jì)算公式為

(6)

式中：τ1為雷電流的波頭長度，取τ1= 2.6 μs。

3)典型線路避雷器分流系數(shù)計(jì)算

選取典型220 kV線路及桿塔，取線路的檔距為400 m，導(dǎo)線的雷擊點(diǎn)距線路避雷器100 m，計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 典型220 kV線路及桿塔計(jì)算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of typical 220 kV lines and towers

計(jì)算得到：雷擊桿塔時，“避雷器—導(dǎo)線”分流系數(shù)βd為0.093；雷擊導(dǎo)線時，“導(dǎo)線—避雷器—桿塔—接地電阻”分流系數(shù)βrd1為0.713。

由以上計(jì)算可以得出兩個結(jié)論：一是雷擊桿塔時小部分雷電流從線路避雷器分流，雷擊導(dǎo)線時大部分雷電流從線路避雷器分流；二是無地線情況下，雷擊桿塔時線路避雷器分流較有地線時有所增加，雷擊導(dǎo)線時線路避雷器分流與有地線時基本相當(dāng)[7-8]。

3 線路避雷器通流容量分析

由線路避雷器分流系數(shù)公式可知，無地線情況下，雷擊桿塔時線路避雷器支路分流增加；雷擊導(dǎo)線時避雷器支路分流系數(shù)基本不變，但是根據(jù)電氣幾何模型，有地線情況下繞擊雷電流有上限，對于220 kV線路桿塔而言，典型值為40 kA，超過該幅值的雷電流理論上無法擊中導(dǎo)線[9]，而無地線情況下，不存在該上限值，理論上超過桿塔繞擊耐雷水平的雷電流均可能造成線路跳閘[10-11]。

有、無地線時線路避雷器通流情況不同，為定量比較有、無地線時線路避雷器的通流及能力吸收情況，建立了ATP-EMTP仿真模型[12-13]，見圖3。仿真的最大雷電流幅值取100 kA，統(tǒng)計(jì)表明超過該幅值的雷電流占比在3%以下[14]，可涵蓋絕大部分實(shí)際工況。

圖3 雷擊無地線線路ATP仿真模型Fig.3 ATP simulation model of lightning strick without ground wires

無地線情況下，雷擊桿塔和導(dǎo)線時線路避雷器端電壓和電流典型波形見圖4、圖5。

圖4 雷電流擊中桿塔時避雷器電壓電流波形Fig.4 Voltage and current waveform of arrester when lightning current hit tower

圖5 雷電流擊中導(dǎo)線時避雷器電壓電流波形Fig.5 Voltage and current waveform of arrester when lightning current hit conductor

不同雷電流擊中桿塔時，有、無地線情況下線路避雷器通流情況見圖6，能量吸收情況見圖7。取消地線后，由于少了地線的分流作用，避雷器分流及吸收能量顯著增加。以100 kA及以下雷電流為計(jì)算參數(shù)，無地線情況下，避雷器最大通流為有地線時的2.3倍，避雷器最大吸收能量為有地線時的11倍。

圖6 雷擊桿塔，有、無地線情況下線路避雷器通流情況Fig.6 Current of line arrester with and without ground wire when lightning hit tower

圖7 雷擊桿塔，有、無地線情況下線路避雷器能量吸收情況Fig.7 Energy absorption of line arrester with and without ground wire when lightning hit tower

不同雷電流擊中導(dǎo)線時，有、無地線情況下線路避雷器通流情況見圖8，能量吸收情況見圖9。

圖8 雷擊導(dǎo)線，有、無地線情況下線路避雷器通流情況Fig.8 Current of line arrester with and without ground wire when lightning hit conductor

圖9 雷擊導(dǎo)線，有、無地線情況下線路避雷器能量吸收情況Fig.9 Energy absorption of line arrester with and without ground wire when lightning hit conductor

由于地線的屏蔽作用，一般220 kV線路桿塔最大繞擊雷電流不超過40 kA，在40 kA及以下雷電流擊中導(dǎo)線時，有、無地線對避雷器通流及能量吸收無明顯影響。無地線情況下，線路避雷器通流及吸收能量較有地線情況大幅增加的主要原因是可擊中導(dǎo)線的雷電流幅值已無上限。以100 kA及以下雷電流為計(jì)算參數(shù)，無地線情況下，避雷器最大通流為有地線時的2.6倍，避雷器最大吸收能量為有地線時的3.6倍。

綜上，取消地線后，線路避雷器通流及吸收能量較無地線時均大幅增加，在開展避雷器選型時對其通流能力需結(jié)合自身需要重點(diǎn)考慮。

4 無地線情況下線路避雷器配置方案

地線的拆除一般以耐張段為單位，線路避雷器配置需考慮耐張段內(nèi)桿塔和耐張段外鄰近桿塔兩種情況。

1)耐張段內(nèi)桿塔避雷器配置方式

雷擊桿塔時，取消地線后由于沒有了地線的分流，通過桿塔入地電流顯著增加，各相反擊耐雷水平均下降，更易發(fā)生反擊跳閘；雷擊導(dǎo)線時，由于沒有了地線的屏蔽，各相均存在雷擊風(fēng)險，都存在繞擊跳閘的可能性。因此，對于耐張段內(nèi)桿塔，三相都應(yīng)該加裝線路避雷器。

2)耐張段外鄰近桿塔避雷器配置方式

雷擊桿塔時，對于耐張段內(nèi)懸垂桿塔，由于沒有地線，基本不會影響鄰近桿塔；對于耐張段兩端耐張桿塔，由于缺少了一側(cè)地線的分流，向另一側(cè)地線及桿塔的分流會增加，可能引起耐張段外第1基桿塔跳閘。

雷擊導(dǎo)線時，60 kA雷電流擊中耐張段內(nèi)邊緣導(dǎo)線時，耐張段內(nèi)已安裝線路避雷器桿塔絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)，但耐張段外鄰近桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，仿真波形見圖10。因此，為避免發(fā)生雷擊跳閘，耐張段外鄰近1基桿塔也應(yīng)三相安裝線路避雷器。

圖10 耐張段內(nèi)及鄰近桿塔絕緣子電流波形(注：虛線為耐張段內(nèi)桿塔；實(shí)線為鄰近1基桿塔)Fig.10 Insulator current waveform of strain sectioninside and adjacent tower

綜上，在地線拆除后，為避免發(fā)生雷擊跳閘，整個耐張段所有桿塔及耐張段前后1基桿塔均應(yīng)該安裝線路避雷器，并且三相均安裝。

5 結(jié) 論

1)地線拆除對線路防雷性能產(chǎn)生重大影響，會大幅降低線路防雷水平，必須采取額外防雷措施，建議加裝線路避雷器。

2)無地線情況下，雷擊桿塔時，“避雷器—導(dǎo)線”分流系數(shù)為0.093，較有地線時有所增加；雷擊導(dǎo)線時，“導(dǎo)線—避雷器—桿塔—接地電阻”分流系數(shù)為0.713，與有地線時基本相當(dāng)。

3)相比于有地線情況，無地線時線路避雷器通流及吸收能量均有大幅增加。以100 kA及以下雷電流為計(jì)算參數(shù)，雷擊桿塔時，無地線情況下避雷器最大通流為有地線時的2.3倍、避雷器最大吸收能量為有地線時的11倍；雷擊導(dǎo)線時，無地線情況下避雷器最大通流為有地線時的2.6倍、避雷器最大吸收能量為有地線時的3.6倍。在開展避雷器選型時對其通流能力需結(jié)合自身需要重點(diǎn)考慮。

4)在地線拆除后，為避免發(fā)生雷擊跳閘，整個耐張段所有桿塔及耐張段前后1基桿塔均應(yīng)該安裝線路避雷器，并且三相均安裝。