輸電線路綜合雷電防護(hù)措施研究

易 敏

（國網(wǎng)四川省電力公司 眉山供電公司，四川 眉山 620010）

0 引 言

改革開放以來，我國的經(jīng)濟(jì)水平和工業(yè)化水平發(fā)生了翻天覆地的變化[1-3]。受地理?xiàng)l件和歷史因素等限制，輸電線路主要集中在東部地區(qū)，而該地區(qū)又常常受到雷電影響，導(dǎo)致整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。雷電擊中輸電線路會(huì)引發(fā)過電壓波，導(dǎo)致線路電壓異常升高，損壞線路的相關(guān)電氣設(shè)備，對社會(huì)安全造成極大的負(fù)面影響[4,5]。為預(yù)防雷電直接擊中變電站，常見的做法是在變電站周圍安裝避雷設(shè)備[6-8]。雷電直接擊中輸電線路時(shí)引起的感應(yīng)電壓通常不超過400 kV。輸電線路整體絕緣水平較高，不超過線路所能承受的電壓水平。然而，當(dāng)雷電擊中位于變電站附近的輸電線路時(shí)，可能會(huì)引發(fā)雷電侵入波過電壓，從而影響變電站的正常運(yùn)行，引發(fā)雷擊故障。對于該類型故障，雷電侵入波導(dǎo)致輸電線路出現(xiàn)過電壓是線路跳閘的主要原因。因此，如何有效防范雷電侵入波造成的威脅，成為當(dāng)前研究防雷技術(shù)的首要任務(wù)。文章深入研究和探討該問題的解決措施，旨在為我國電力事業(yè)的發(fā)展提供借鑒。

1 雷電過電壓相關(guān)理論分析

1.1 雷電放電的計(jì)算模型

為實(shí)現(xiàn)雷電放電的電路模擬計(jì)算，將雷電放電時(shí)的模型簡化為一個(gè)含波阻的通道。

雷電電流i的計(jì)算公式為

式中：u0為雷電擊中點(diǎn)處的過電壓；Z0為輸電線路的特性阻抗；Z為雷電擊中點(diǎn)處的物體阻抗；i0為雷電擊中點(diǎn)處的電流。

相關(guān)規(guī)程規(guī)定，如果低接地電阻的物體受到雷擊，那么物體的阻抗Z將為0，可以將式（1）化簡為

雙指數(shù)波雷電流等值波形的表達(dá)式為

式中：I0為固定的電流值，表示雷電電流的最大值；α和β為常數(shù)，用于調(diào)節(jié)波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間。

1.2 桿塔模型

桿塔是支撐架空輸電線的主要結(jié)構(gòu)，通常由鋼材或鋼筋混凝土制成。在1 000 kV 輸電線路中，常采用同塔雙回方式設(shè)計(jì)桿塔。為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算，可以使用多波阻抗的桿塔模型，該模型可以有效模擬桿塔在雷電等復(fù)雜環(huán)境下的響應(yīng)和性能[9,10]。

1.3 絕緣子閃絡(luò)模型

當(dāng)雷電直擊物體時(shí)，高電壓會(huì)導(dǎo)致該物體上的絕緣子兩端的電壓差超過閃絡(luò)電壓，從而發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。該現(xiàn)象與絕緣子串的伏秒特性密切相關(guān)。伏秒特性即絕緣子串間隙被擊穿后最大電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。通過研究伏秒特性，可以描述物體發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的情況和相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2 1 000 kV 變電站的雷電侵入波計(jì)算的基本參數(shù)和運(yùn)行方式

研究對象是一座電壓等級(jí)為1 000 kV 的氣體絕緣變電站，共有8 個(gè)端口聯(lián)通，其中包括2 個(gè)進(jìn)線端和6 個(gè)出線端。進(jìn)線端的接地電阻目標(biāo)值約為15 Ω，并采用3/2 斷路方案進(jìn)行主要接線。該變電站所處海拔低于200 m，在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)共有29 d 為雷暴天氣。系統(tǒng)的運(yùn)行電壓為1 000 kV，輸電線路的檔距為500 m，氣體絕緣變電站的波阻抗為70 Ω。在設(shè)定的雷電通道中，波阻抗設(shè)定為300 Ω，與變電站進(jìn)線端的距離為2 km。雷電流的幅值分為2 種，即反擊幅值為250 kA和繞擊幅值為26 kA。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的2 種不同的運(yùn)行方式，如表1 所示，分別為典型的單線-出線斷路器開路（運(yùn)行方式1）和單線-單變-單母（運(yùn)行方式2）。以運(yùn)行方式1 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，將斷路器全部斷開，兩側(cè)的隔離開關(guān)閉合，且進(jìn)線處設(shè)有高壓電抗器，用于保護(hù)線路。以運(yùn)行方式2 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，每個(gè)出線端各選擇一個(gè)斷路器斷開，且進(jìn)線處設(shè)有高壓電抗器，用于保護(hù)線路。

3 1 000 kV 變電站防雷措施效果研究

在雷擊情況下，2 種運(yùn)行方式均有被擊毀損壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要設(shè)計(jì)合適的防雷措施并模擬其防護(hù)能力。一般使用氧化鋅避雷器作為常見的防雷手段，從而避免雷擊造成的危險(xiǎn)。布置避雷器時(shí)，母線不安裝避雷器，主變壓器（以下簡稱主變）安裝一組避雷器，避雷器距主變約55 m，距高抗約13 m。

3.1 運(yùn)行方式1 下的變電站防雷措施分析

運(yùn)行方式1 下，在主變電器約55 m 處和距高抗約13 m處分別安裝避雷器，而不在母線上設(shè)置避雷器。斷路器全部斷開，兩側(cè)隔離開關(guān)閉合，分別計(jì)算雷電反擊線路和雷電繞擊線路時(shí)產(chǎn)生的雷電過電壓，以及雷電反擊線路和雷電繞擊線路時(shí)避雷器的電流。計(jì)算雷電反擊線路和雷電繞擊線路時(shí)傳遞到變電器設(shè)備所產(chǎn)生的雷電過電壓，同時(shí)著重計(jì)算雷電繞擊第1 基桿塔的導(dǎo)線和雷電反擊變電站外第2基桿塔時(shí)的電壓值。該布置方案有助于評(píng)估變電站在雷電沖擊下的響應(yīng)情況，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3.1.1 運(yùn)行方式1 下雷電反擊侵入波過電壓校驗(yàn)

避雷器設(shè)置完成后，以單線-出線斷路器開路方式進(jìn)行發(fā)電站雷擊模擬，為反擊線路模擬。電抗器側(cè)避雷器電流如圖1所示。避雷器在2.5 μs左右動(dòng)作，電流瞬間升高，說明避雷器在很短的時(shí)間內(nèi)迅速工作，將雷電流導(dǎo)入大地，使設(shè)備免受雷擊而損壞。

圖1 反擊線路模擬時(shí)的電抗器側(cè)避雷器電流

3.1.2 運(yùn)行方式1 下雷電繞擊侵入波過電壓校驗(yàn)

避雷器設(shè)置完成后，以單線-出線斷路器開路方式模擬發(fā)電站雷擊，為繞擊線路模擬。利用電磁暫態(tài)計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算，在避雷器的保護(hù)下，電抗器和斷路器上的雷電過電壓幅值皆低于各自的基本沖擊耐壓水平，不會(huì)受到雷電入侵波過電壓的影響，證明氧化鋅避雷器能夠滿足輸電線路對防雷的需求。電抗器側(cè)避雷器電流如圖2 所示，最大電流為17.60 kA，低于避雷器的安全放電電流20.00 kA，證明避雷器能夠穩(wěn)定運(yùn)行，且能夠發(fā)揮防雷作用。

圖2 繞擊線路模擬時(shí)的電抗器側(cè)避雷器電流

3.2 運(yùn)行方式2 下的變電站防雷措施分析

根據(jù)設(shè)定的避雷器布置方案，變電站的避雷器分別安裝于電抗器側(cè)和變壓器側(cè)形成一組避雷器。在運(yùn)行方式2 下，每個(gè)出線端將選擇一個(gè)斷路器斷開，分別計(jì)算雷電反擊線路和雷電繞擊線路時(shí)產(chǎn)生的雷電過電壓、避雷器的電流以及傳遞到變電器所產(chǎn)生的雷電過電壓。

3.2.1 運(yùn)行方式2 下雷電反擊侵入波過電壓校驗(yàn)

在設(shè)置避雷器后，以單線-單變-單母運(yùn)行方式進(jìn)行發(fā)電站雷擊模擬，為反擊線路模擬。利用電磁暫態(tài)計(jì)算程序進(jìn)行模擬計(jì)算，得到變壓器和電抗器的雷電侵入波過電壓，可知變壓器和電抗器的雷電過電壓皆低于各自的基本沖擊耐壓水平，不會(huì)受到雷電入侵波過電壓的影響，證明氧化鋅避雷器能夠滿足輸電線路對防雷的需求。

變壓器側(cè)避雷器電流、電抗器側(cè)避雷器電流的波形圖，如圖3 所示。避雷器在7 μs時(shí)開始發(fā)揮作用，流過變壓器側(cè)避雷器的最大電流為4.05 kA，流過電抗器側(cè)避雷器的最大電流為9.45 kA，均低于避雷器的安全放電電流20.00 kA，證明避雷器能夠穩(wěn)定且多次發(fā)揮防雷作用。

圖3 變壓器側(cè)與電抗器側(cè)避雷器電流

3.2.2 運(yùn)行方式2 下雷電繞擊侵入波過電壓校驗(yàn)

在設(shè)置避雷器后，以單線-單變-單母運(yùn)行方式進(jìn)行發(fā)電站的雷擊模擬，為繞擊線路的模擬。變壓器側(cè)避雷器電流和電抗器側(cè)避雷器電流的波形圖，如圖4所示。流過變壓器側(cè)避雷器的最大電流為12.70 kA，而流過電抗器側(cè)避雷器的最大電流為9.20 kA，均低于避雷器的安全放電電流20.00 kA，說明避雷器能夠在穩(wěn)定的狀態(tài)下多次發(fā)揮防雷作用，可以保障電力設(shè)備的安全運(yùn)行。

圖4 變壓器側(cè)與電抗器側(cè)避雷器電流

4 結(jié) 論

文章選取1 000 kV氣體絕緣變電站作為實(shí)驗(yàn)對象，模擬輸電線路遭受雷擊的實(shí)驗(yàn)，采用2 種不同的運(yùn)行方式進(jìn)行測試，獲取了供電站遭受雷擊后電力設(shè)備雷電侵入波過電壓數(shù)據(jù)。引入避雷器作為防雷措施，在使用避雷器后重復(fù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到對比數(shù)據(jù)。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)的防雷措施下，輸電線路承受的雷電過電壓低于基本沖擊耐壓水平，同時(shí)流過氧化鋅避雷器的電流在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中一直低于安全電流，可確保防雷措施安全有效。可見，合理的防雷措施能夠有效降低雷電沖擊對輸電線路造成的影響，保障變電站正常運(yùn)行。