考慮雷擊過電壓分布特性的特高壓直流線路避雷器裝設(shè)策略研究

胡 京， 張敦晶， 周龍武， 鄒建章， 張 宇， 饒斌斌， 廖昊爽， 況燕軍， 李 帆

(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)信息工程學(xué)院，南昌 330031)

0 引言

由于特高壓直流輸電線路桿塔高，輸送距離遠(yuǎn)，所經(jīng)地形復(fù)雜，大大增加了特高壓直流輸電線路遭受雷擊的概率，因此需要加強(qiáng)特高壓直流輸電線路的防雷保護(hù)[1-2]。線路避雷器作為減少線路雷擊跳閘的有效手段，在各電壓等級(jí)交直流輸電線路均有應(yīng)用[3-7]。

特高壓直流線路避雷器由于本體長(zhǎng)度、荷載、安裝難度等原因，一般采用桿塔立柱式及拉V式裝設(shè)方案[8]。這兩種安裝方案中由于避雷器接地段并不位于絕緣子掛點(diǎn)附近，因此電氣上避雷器與被保護(hù)的絕緣子并非直接的并聯(lián)關(guān)系，在遭受雷擊時(shí)，避雷器與絕緣子的絕緣配合關(guān)系須要進(jìn)行深入研究。

本研究依據(jù)行波理論，主要對(duì)雷擊線路時(shí)桿塔上各點(diǎn)的過電壓分布特性、以及避雷器在桿塔上的裝設(shè)位置對(duì)避雷器保護(hù)裕度的影響等問題進(jìn)行研究，指導(dǎo)避雷器在特高壓直流桿塔上的裝設(shè)，提高線路的防雷保護(hù)效果。

1 導(dǎo)體上的波過程分析

對(duì)于一段具有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)體，每微段的導(dǎo)體都會(huì)呈現(xiàn)自感和對(duì)地電容[9]，圖1為導(dǎo)體微段等值電路，當(dāng)其受到電壓或電流沖擊，臨近受擊點(diǎn)微段上的電容立即充電，并向相鄰的電感放電，電感充電一段時(shí)間后接著再向相鄰的電容進(jìn)行放電，如此循環(huán)充放電的過程使得在導(dǎo)體周圍形成了電場(chǎng)和磁場(chǎng)，電壓波和電磁波在導(dǎo)體上傳播的過程實(shí)質(zhì)上就是電磁波沿導(dǎo)體傳播的過程。

圖1 導(dǎo)體微段等值電路Fig.1 Equivalent circuit of conductor segment

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流方程∑i=0及回路電壓方程∑u=0可得方程組

(1)

經(jīng)整理后可得

(2)

式中：L0為單位長(zhǎng)度電感，C0為單位長(zhǎng)度電容。

方程組(2)通過拉普拉斯變換求解后再轉(zhuǎn)換至?xí)r域形式下的解為

(3)

(4)

式中：if為反行電流波，ib為前行電流波，uf為反行電壓波，ub為前行電壓波，v為波的傳播速度，在架空線路中傳播的速度接近光速3×108m/s。所以對(duì)于雷擊線路來說，雷電流在桿塔及導(dǎo)線上的傳播過程是兩類運(yùn)動(dòng)方向相反的波在導(dǎo)體上交錯(cuò)影響的過程，因此不宜使用規(guī)程法進(jìn)行雷擊過電壓計(jì)算，需從波的傳播特性來考慮，選擇行波法進(jìn)行研究計(jì)算。

2 計(jì)算模型及線路參數(shù)

2.1 桿塔模型

常見的特高壓直流桿塔有V串自立式直線塔和干字形耐張塔[10]，塔型如圖2所示。

圖2 主要特高壓直流輸電桿塔Fig.2 Main UHVDC transmission tower

在整個(gè)直流輸電線路工程中，一般情況下直線塔占大多數(shù)，所以本研究選用直線塔作為研究對(duì)象。由于特高壓直流桿塔都比較高，在模型選擇上宜選用多波阻抗模型[11-13]，采用日本學(xué)者Hara提出的無損線桿塔模型，將桿塔分為主材、斜材和橫擔(dān)，按照各部分的尺寸計(jì)算出相應(yīng)的波阻抗[14-15]。主材部分的波阻抗計(jì)算公式為

(5)

(6)

式中hk、rTk、r′B、RTk、R′B、rB、RB意義如圖3(a)所示，等效后的桿塔多波阻抗模型如圖3(b)所示。

圖3 桿塔等效模型Fig.3 Equivalent model of tower

斜材部分的波阻抗為相應(yīng)主材波阻抗的9倍，長(zhǎng)度為相應(yīng)主材長(zhǎng)度的1.5倍，

ZLk=9ZTk;k=1,2,3

(7)

橫擔(dān)部分的波阻抗計(jì)算公式為

(8)

式中rAk為等值半徑，取橫擔(dān)和主材連接長(zhǎng)度的1/4。

2.2 線路參數(shù)

特高壓直流線路的輸送容量大，本研究選用的線路參數(shù)如表1所示。

表1 線路數(shù)據(jù)Table 1 Line parameters

其中導(dǎo)線的分裂間距取500 mm，檔距取400 m。

2.3 雷電流計(jì)算模型

i=I0(eαt-eβt)

(9)

式中：I0為某一固定雷電流值；α、β為常數(shù)，由雷電流的波形確定，α與半波峰時(shí)間有關(guān)，β與波前時(shí)間有關(guān)，t為作用時(shí)間。按DL/T 620-1997標(biāo)準(zhǔn)中的推薦，采用標(biāo)準(zhǔn)雷電流2.6/50 μs。

3 雷擊桿塔過電壓分布特性

ATP-EMTP是根據(jù)行波法編寫的電磁暫態(tài)計(jì)算軟件，它集合了分布參數(shù)元件及集中參數(shù)元件的離散數(shù)值解法，并且在線路耦合方面考慮了元件的頻率特性，是目前廣泛應(yīng)用的暫態(tài)計(jì)算程序[16-17]。本研究運(yùn)用ATP-EMTP計(jì)算雷擊±800 kV直流線路桿塔上各節(jié)點(diǎn)的過電壓。雷擊桿塔的雷電流最大幅值取-120 kA，接地電阻取15 Ω，雷擊線路分反擊與繞擊，分別對(duì)兩者的過電壓分布特性進(jìn)行分析，桿塔上研究的節(jié)點(diǎn)如圖3(b)所示。

3.1 反擊過電壓分布特性分析

反擊以雷擊桿塔為例，雷擊從0時(shí)刻開始，仿真時(shí)長(zhǎng)為10 μs，為保證雷擊時(shí)刻線路兩極導(dǎo)線對(duì)地電位是+800 kV和-800 kV，線路電壓源用交流電源，起始時(shí)間設(shè)置為-1，頻率設(shè)置為1×10-10Hz(下文所有仿真的線路電壓源設(shè)置與此相同)，反擊過電壓仿真電路如圖4所示。桿塔上節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)4、正極導(dǎo)線、負(fù)極導(dǎo)線的過電壓波形如圖5所示。

圖4 雷擊桿塔過電壓仿真圖

圖5 雷電反擊時(shí)桿塔節(jié)點(diǎn)與極導(dǎo)線的對(duì)地電位波形

根據(jù)圖5可知，在-120 kA雷電流波雷擊塔頂?shù)淖饔孟?，正極性導(dǎo)線和負(fù)極性導(dǎo)線的對(duì)地電位都下降了800 kV左右。節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的對(duì)地電位波形大致重合，并且在3 μs之前，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的對(duì)地電位幅值都大于節(jié)點(diǎn)3，在這4個(gè)節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)4的對(duì)地電位幅值最小。

從行波原理上分析，雷擊桿塔時(shí)，雷電流波傳播路徑分為“桿塔—大地”和“桿塔—地線”兩種。根據(jù)行波特點(diǎn)，雷電流波經(jīng)雷擊點(diǎn)向周圍波阻抗傳播，由于波阻抗值的不同發(fā)生折反射，傳播至地線的雷電流波經(jīng)線路的耦合作用對(duì)導(dǎo)線對(duì)地電位產(chǎn)生影響，因此兩極導(dǎo)線對(duì)地電位發(fā)生了變化。在負(fù)極性雷電流的作用下，以大地為零電位作為參照，桿塔上的行波傳播至大地的路徑越長(zhǎng)，對(duì)地電位越低，因此位于離地同一高度的橫擔(dān)處的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的對(duì)地電位大致相同，且高于位于塔身低處的節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)4的對(duì)地電位。

3.2 繞擊過電壓分布特性分析

正極性導(dǎo)線引雷能力比負(fù)極性導(dǎo)線強(qiáng)，繞擊以雷擊正極性導(dǎo)線為例，雷擊從0時(shí)刻開始，仿真時(shí)長(zhǎng)為10 μs，繞擊過電壓仿真電路如圖6所示。

圖6 雷擊正極性導(dǎo)線過電壓仿真圖

極導(dǎo)線的過電壓波形如圖7所示，節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)4的過電壓波形如圖8所示。

圖7 雷擊正極性導(dǎo)線時(shí)極導(dǎo)線的對(duì)地電位波形

圖8 雷擊正極性導(dǎo)線時(shí)桿塔節(jié)點(diǎn)的對(duì)地電位波形

由圖7和圖8可知，正極性導(dǎo)線經(jīng)-120 kA雷電流擊中后，經(jīng)過2.6 μs左右，正極性導(dǎo)線的對(duì)地電位迅速下降至-12 MV左右，負(fù)極性導(dǎo)線的對(duì)地電位下降至4.8 MV左右，而桿塔上的4個(gè)節(jié)點(diǎn)中的最低對(duì)地電位為-500 kV左右，遠(yuǎn)高于極導(dǎo)線的對(duì)地電位。從零時(shí)刻開始，到桿塔節(jié)點(diǎn)的對(duì)地電位下降至最低時(shí)刻，對(duì)地電位的大小排序?yàn)楣?jié)點(diǎn)4>節(jié)點(diǎn)3>節(jié)點(diǎn)2>節(jié)點(diǎn)1。

一體化體育課程體系建成什么樣？所謂一體化體育課程，就是要建設(shè)縱向銜接、橫向一致、內(nèi)在統(tǒng)一和形式聯(lián)合的系統(tǒng)化體育課程[4]。如何建成這樣的課程，不是閉門造車，更不是全盤西化，是要在學(xué)習(xí)國外體育課程建設(shè)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，了解國內(nèi)學(xué)校教育發(fā)展實(shí)際，并注重中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承的基礎(chǔ)上的能夠與國際接軌的一體化課程。不同國家通常圍繞著特定的目標(biāo)、價(jià)值觀、學(xué)科內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)來組織其國家課程，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)該鼓勵(lì)每個(gè)學(xué)生在每個(gè)層次上達(dá)到的目標(biāo)，盡管在嚴(yán)謹(jǐn)性、特異性、覆蓋率的具體程度不同[5]。本文通過對(duì)美國、英國、俄羅斯、新西蘭、日本等部分國家的體育課程經(jīng)驗(yàn)分析，探尋能夠與國際接軌又具有中國特色是一體化體育課程體系。

雷擊導(dǎo)線時(shí)，由于桿塔上的波阻抗比導(dǎo)線的波阻抗復(fù)雜，相同時(shí)間段內(nèi)行波在桿塔上發(fā)生折反射的次數(shù)比在導(dǎo)線上多，形成的眾多反射波削弱了波幅值的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且桿塔上的波來自導(dǎo)線耦合至地線，地線上的波幅值遠(yuǎn)小于導(dǎo)線上的波幅值，因此極導(dǎo)線上的電壓波幅值遠(yuǎn)大于桿塔節(jié)點(diǎn)上的電壓波幅值。由于波在桿塔節(jié)點(diǎn)上離地傳播路徑的長(zhǎng)度排序?yàn)楣?jié)點(diǎn)4<節(jié)點(diǎn)3<節(jié)點(diǎn)2<節(jié)點(diǎn)1，因此桿塔上的對(duì)地電位的大小排序正好與此相反，即節(jié)點(diǎn)4>節(jié)點(diǎn)3>節(jié)點(diǎn)2>節(jié)點(diǎn)1。

4 特高壓直流線路避雷器保護(hù)性能分析

4.1 保護(hù)裕度系數(shù)及計(jì)算參數(shù)

目前在運(yùn)特高壓線路避雷器的裝設(shè)方式主要為桿塔立柱式[18]及拉V式裝設(shè)方案[8]兩種，裝設(shè)示意圖如圖9所示。由于特高壓直流輸電線路絕大部分雷擊均發(fā)生于正極，且避雷器一般也僅安裝于正極，因此下文也僅針對(duì)正極安裝避雷器進(jìn)行仿真。

由圖9可知，避雷器的一端與導(dǎo)線連接，另一端與桿塔連接，而與桿塔連接點(diǎn)往往與絕緣子在桿塔上的懸掛點(diǎn)不同，由章節(jié)3可知，線路遭受雷擊時(shí)，桿塔上不同位置的過電壓往往不同，因此避雷器的懸掛點(diǎn)會(huì)對(duì)避雷器的保護(hù)性能產(chǎn)生影響。

圖9 特高壓直流桿塔避雷器裝設(shè)方式

本研究針對(duì)避雷器裝設(shè)位置的保護(hù)性能提出一個(gè)保護(hù)裕度系數(shù)K的概念，其表達(dá)式如式(10)所示。

(10)

式中：U50%為絕緣子串50%沖擊放電電壓，Uj為避雷器達(dá)到動(dòng)作前的最大電壓時(shí)，線路絕緣子串兩端電壓(導(dǎo)線側(cè)對(duì)地電位減去桿塔側(cè)對(duì)地電位)。

本研究選取放電間隙為2 200 mm的YH30CLX-960/1900型避雷器，其雷電50%沖擊放電電壓為≤2 700 kV，動(dòng)作電壓取2 700 kV，線路絕緣子串50%沖擊放電電壓U50%按式(11)計(jì)算[19]

(11)

式中：U50%為絕緣子串50%沖擊放電電壓(kV)，t為過電壓作用時(shí)間(μs)，取10 μs，L為絕緣子串長(zhǎng)度，取9.6 m，代入計(jì)算后得U50%=5 052 kV。計(jì)算時(shí)的最大雷電流幅值取-120 kA，統(tǒng)計(jì)表明超過該幅值的雷電流占比在3%以下[20]，可涵蓋絕大部分情況。圖9中避雷器的位置參數(shù)L1～L3的取值分別為17.5 m、8.3 m、14.7 m。

4.2 雷電反擊時(shí)特高壓直流線路避雷器保護(hù)裕度

反擊以雷擊塔頂為例，分別考慮接地電阻[21-22]和塔高對(duì)兩種避雷器裝設(shè)方式的保護(hù)裕度的影響[23-24]。

4.2.1 雷電反擊時(shí)接地電阻對(duì)避雷器保護(hù)裕度的影響

接地電阻取值15 Ω～35 Ω，呼高為66 m，2種避雷器裝設(shè)方案下的保護(hù)裕度如圖10所示，避雷器動(dòng)作前絕緣子串承受的最大電壓Uj如表2所示。

圖10 不同避雷器裝設(shè)方式在不同接地電阻下的保護(hù)裕度系數(shù)

表2 不同避雷器裝設(shè)方式在不同接地電阻下的Uj

接地電阻的增大，削弱了雷電流在“桿塔—大地”這一路徑泄流的能力，從而增大了桿塔上各節(jié)點(diǎn)的對(duì)地電位，因此在相同時(shí)間內(nèi)，塔身處節(jié)點(diǎn)對(duì)地電位的幅值增長(zhǎng)速度隨著對(duì)地電位的增大而增大。由圖10可知，接地電阻從15 Ω變化至40 Ω，拉V式和桿塔立柱式的避雷器保護(hù)裕度都呈上升趨勢(shì)。由表2可知，接地電阻在20 Ω時(shí)，對(duì)于避雷器動(dòng)作前絕緣子串兩端承受的最大電壓Uj，桿塔立柱式比拉V式高94.8 kV，整體上，拉V式避雷器裝設(shè)方案的保護(hù)裕度高于桿塔立柱式。避雷器采用拉V式方案時(shí)在桿塔上連接的位置比桿塔立柱式高2.8 m。在負(fù)極性雷作用下，位于桿塔越高處的節(jié)點(diǎn)對(duì)地電位越低，則與正極性導(dǎo)線的電位差越大，因此與桿塔高處連接的拉V式避雷器裝設(shè)方案能更快使避雷器發(fā)生動(dòng)作，降低線路絕緣子承受的最大過電壓幅值，增大避雷器保護(hù)裕度。

4.2.2 雷電反擊時(shí)塔高對(duì)避雷器保護(hù)裕度的影響

呼高取值66 m、72 m、78 m、84 m、90 m，接地電阻為15 Ω，兩種避雷器裝設(shè)方案下的保護(hù)裕度如圖11所示，避雷器動(dòng)作前絕緣子串承受的最大電壓Uj如表3所示。

圖11 不同避雷器裝設(shè)方式在不同桿塔高度下的保護(hù)裕度系數(shù)

表3 不同避雷器裝設(shè)方式在不同桿塔高度下的Uj

綜合圖11和表3可知，隨著塔高的增加，桿塔立柱式和拉V式的Uj幅值分別在3 317.2 kV和3 216.9 kV附近波動(dòng)，且波動(dòng)幅值均小于3 kV，兩種避雷器裝設(shè)方案的保護(hù)裕度變化趨于平穩(wěn)。桿塔呼高對(duì)兩種避雷器裝設(shè)方案的影響不大，整體上避雷器方案的保護(hù)裕度大小的排序?yàn)槔璙式>桿塔立柱式。

4.3 雷電繞擊時(shí)特高壓直流線路避雷器保護(hù)裕度

繞擊以雷擊正極性導(dǎo)線為例，分別考慮接地電阻和塔高對(duì)三種避雷器的保護(hù)裕度的影響。

4.3.1 雷電繞擊時(shí)接地電阻對(duì)避雷器保護(hù)裕度的影響

接地電阻取值15 Ω～35 Ω，呼高為66 m，2種避雷器裝設(shè)方案下的保護(hù)裕度如圖12所示，避雷器動(dòng)作前絕緣子串承受的最大電壓Uj如表4所示。

圖12 不同避雷器裝設(shè)方式在不同接地電阻下的保護(hù)裕度系數(shù)

表4 不同避雷器裝設(shè)方式在不同接地電阻下的Uj

負(fù)極性雷擊導(dǎo)線導(dǎo)致桿塔和導(dǎo)線上產(chǎn)生負(fù)極性對(duì)地電位，且桿塔高處的對(duì)地電位幅值大于桿塔低處的對(duì)地電位幅值，因此導(dǎo)線與塔身低處節(jié)點(diǎn)的電位差大于導(dǎo)線與高處橫擔(dān)節(jié)點(diǎn)的電位差。從表4中可知，接地電阻為20 Ω時(shí)，采用桿塔立柱式時(shí)的Uj比拉V式少12.2 kV。接地電阻的增大，加快了塔身處節(jié)點(diǎn)對(duì)地電位的幅值增長(zhǎng)速度，由圖10可知，隨著接地電阻的增大，避雷器采用桿塔立柱式和拉V式的保護(hù)裕度呈下降趨勢(shì)，但整體上兩種避雷器方案的保護(hù)裕度大小的排序?yàn)闂U塔立柱式>拉V式。

4.2.2 雷電繞擊時(shí)塔高對(duì)避雷器保護(hù)裕度的影響

呼高取值66 m、72 m、78 m、84 m、90 m，接地電阻為15 Ω，2種避雷器裝設(shè)方案下的保護(hù)裕度如圖13所示，避雷器動(dòng)作前絕緣子串承受的最大電壓Uj如表5所示。

圖13 不同避雷器裝設(shè)方式在不同桿塔高度下的保護(hù)裕度系數(shù)

表5 不同避雷器裝設(shè)方式在不同桿塔高度下的Uj

由圖13和表5可知，桿塔呼高從66 m增加至90 m，避雷器采用桿塔立柱式和拉V式的Uj分別在2 602.1 kV和2 615.5 kV左右，變化幅度均不超過1 kV，保護(hù)裕度系數(shù)也分別穩(wěn)定在1.941 5和1.931 6左右，塔高對(duì)兩種避雷器裝設(shè)方案的Uj和保護(hù)裕度影響較小。兩種避雷器方案的保護(hù)裕度大小的排序?yàn)闂U塔立柱式>拉V式。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中對(duì)±800 kV酒湖線耐雷水平的分析，無避雷器情況下，接地電阻為30 Ω時(shí)的反擊耐雷水平為362 kA，繞擊耐雷水平為57 kA，在實(shí)際情況下，最大雷電流幅值超過120 kA的可能性小于3%，因此，避雷器主要是提高繞擊的耐雷水平，避雷器的裝設(shè)方案應(yīng)參考繞擊情況下的保護(hù)裕度。

5 結(jié)論

本研究考慮了波在桿塔上的傳播過程，利用ATP-EMTP仿真分析了雷擊特高壓直流桿塔時(shí)的過電壓暫態(tài)分布特性，并根據(jù)兩種避雷器安裝方案進(jìn)行保護(hù)裕度分析，得出以下結(jié)論：

1)接地電阻對(duì)避雷器保護(hù)裕度產(chǎn)生影響。雷電反擊作用下，隨著接地電阻的增大，桿塔立柱式和拉V式的避雷器保護(hù)裕度增大，懸掛式的避雷器保護(hù)裕度有輕微減小趨勢(shì)；雷電繞擊作用下，隨著接地電阻的增大，桿塔立柱式和拉V式的避雷器保護(hù)裕度減小，懸掛式的避雷器保護(hù)裕度有輕微增大趨勢(shì)。塔高對(duì)避雷器保護(hù)裕度的影響較小。

2)兩種避雷器裝設(shè)方案中，反擊時(shí)的保護(hù)裕度排序?yàn)槔璙式>桿塔立柱式，繞擊時(shí)的保護(hù)裕度排序?yàn)闂U塔立柱式>拉V式。

3)特高壓直流線路避雷器主要是針對(duì)繞擊保護(hù)，因此特高壓直流線路避雷器兩種裝設(shè)方案應(yīng)主要考慮繞擊情況下的保護(hù)裕度，桿塔立柱式的保護(hù)裕度比拉V式高。因此，就避雷器保護(hù)裕度而言，桿塔立柱式是特高壓直流避雷器在桿塔上最優(yōu)裝設(shè)方案。