高壓輸電線(xiàn)路穩(wěn)態(tài)模型設(shè)計(jì)及雷電防護(hù)方法研究

［摘 要］高壓輸電線(xiàn)由于所處地勢(shì)較高，因此常遭受雷電的影響，使得高壓輸電線(xiàn)發(fā)生損害。文章針對(duì)高壓輸電線(xiàn)雷電防護(hù)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高壓輸電線(xiàn)路的雷電防護(hù)穩(wěn)態(tài)模型，通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證雷電電流波形及接地線(xiàn)數(shù)量對(duì)高壓輸電線(xiàn)路穩(wěn)態(tài)的影響，提出了高壓輸電線(xiàn)穩(wěn)態(tài)防雷擊措施與方法。研究結(jié)果表明，分散雷電能量和提升接地線(xiàn)數(shù)量都能夠有效減少雷電對(duì)高壓輸電線(xiàn)的損耗。

［關(guān)鍵詞］高壓輸電線(xiàn)路；雷電防護(hù)；接地線(xiàn)；波形

［中圖分類(lèi)號(hào)］TM863 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0099–03

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力需求的日益增長(zhǎng)，高壓輸電線(xiàn)路的安全與平穩(wěn)運(yùn)行成為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。高壓輸電線(xiàn)路在運(yùn)行過(guò)程中，常面臨著自然災(zāi)害的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其雷電直接影響著高壓輸電線(xiàn)路的安全性和穩(wěn)定性。雷電是一種自然現(xiàn)象，其產(chǎn)生的直擊雷和感應(yīng)雷均會(huì)對(duì)輸電設(shè)施造成嚴(yán)重?fù)p害[2]。因此，如何有效地防護(hù)雷電，減少其對(duì)高壓輸電線(xiàn)路的不利影響，是提高電力系統(tǒng)可靠性的重要方向。傳統(tǒng)的雷電防護(hù)措施，如安裝避雷針和接地系統(tǒng)，雖然在一定程度上減輕了雷電對(duì)高壓輸電線(xiàn)路的影響，但仍面臨許多挑戰(zhàn)，文章對(duì)此展開(kāi)研究。

1 高壓輸電線(xiàn)路的雷電防護(hù)穩(wěn)態(tài)模型設(shè)計(jì)

當(dāng)前，構(gòu)建高壓輸電線(xiàn)路等效電路雷電防護(hù)穩(wěn)態(tài)模型的方法包括數(shù)據(jù)參數(shù)電路分析法、有限元差分法和數(shù)據(jù)模型搭建等，其中數(shù)據(jù)參數(shù)電路分析法是常用的高壓輸電線(xiàn)等效電路雷電防護(hù)模型。該方法是將高壓輸電線(xiàn)路進(jìn)行π 型電路等效模型搭建。π 型電路等效模型如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，π 型電路由1 個(gè)電感器和兩個(gè)并聯(lián)的電容裝置組成，由于高壓輸電線(xiàn)路模型只與其時(shí)間向量有關(guān)、與空間位置無(wú)關(guān)，因此搭建的數(shù)據(jù)模型其計(jì)算方法更簡(jiǎn)單，同時(shí)對(duì)于在受到雷電影響下高壓輸電線(xiàn)的頻率變化較小，因此可以降低或減少其頻率變化的影響。模型的電感器計(jì)算公式[3] 如下：

X=R+kO=（R0+kωL0）l（1）

式中，X為電感器的電感大小，R0為單位高壓輸電線(xiàn)中的等效電阻，k為復(fù)數(shù)，ω為角頻率，L0為單位長(zhǎng)度的電感，l為高壓輸電線(xiàn)的長(zhǎng)度，R為高壓輸電線(xiàn)的電阻，O為系統(tǒng)的感抗。

模型的電容計(jì)算公式如下：

Y=G+kB=（G0+kωC0）l（2）

式中，Y為電容的大小，G為電導(dǎo)，G0為單位電線(xiàn)中的等效電導(dǎo)，C0為單位電線(xiàn)中的等效電容大小，B為高壓輸電線(xiàn)的容抗。

通過(guò)對(duì)雷電防護(hù)模型進(jìn)行搭建能夠?qū)Ω邏狠旊娋€(xiàn)路進(jìn)行分析模擬。高壓輸電線(xiàn)在雷電的作用下一般會(huì)出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)的情況，這種情況會(huì)造成絕緣子間隙擊穿，使其發(fā)生電暈起始或主放電過(guò)程。因此需對(duì)高壓輸電線(xiàn)路進(jìn)行閃絡(luò)情況的判斷。常用的判斷方法是通過(guò)比較絕緣子兩端的電壓波動(dòng)形態(tài)曲線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)電壓波形伏特2.6/50 μs 進(jìn)行判斷。當(dāng)絕緣子間隙中的平均電場(chǎng)強(qiáng)度大于500 kV/m，同時(shí)隨著電壓的增強(qiáng)，高壓輸電線(xiàn)的電壓值大小大于最初的電壓后，高壓輸電線(xiàn)此時(shí)出現(xiàn)先導(dǎo)情況，當(dāng)先導(dǎo)的長(zhǎng)度大小大于絕緣子的間隙大小時(shí)，絕緣子為閃絡(luò)狀態(tài)。閃絡(luò)的判斷公式[4]如下：

式中，L為高壓輸電線(xiàn)的先導(dǎo)大小； 為絕緣子上的通過(guò)的電壓強(qiáng)度，kV；D為絕緣子間隙大小；E0為高壓輸電線(xiàn)先導(dǎo)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小，kV/m；k為高壓輸電線(xiàn)的先導(dǎo)系數(shù)。

由于高壓輸電線(xiàn)中的初始電場(chǎng)強(qiáng)度與先導(dǎo)系數(shù)是不確定的，因此需要對(duì)絕緣子的伏特曲線(xiàn)進(jìn)行修正，公式如下：

式中，Vr-n為絕緣子的閃絡(luò)電壓大??；d為絕緣子的間隙長(zhǎng)度，m；t為絕緣子的閃絡(luò)時(shí)間，μs。

2 雷電電流波形對(duì)高壓輸電線(xiàn)路穩(wěn)態(tài)的影響

為了提升高壓輸電線(xiàn)穩(wěn)態(tài)模型對(duì)實(shí)際雷電防護(hù)的影響，將某地區(qū)220 kV 高壓電線(xiàn)作為研究對(duì)象，高壓線(xiàn)線(xiàn)桿高33 m，線(xiàn)桿型號(hào)為220ZBT1–33，雷電通過(guò)的最大阻抗為60 Ω。將高壓輸電線(xiàn)高壓塔輸入幅度為20 kA 的雷電電流，波動(dòng)時(shí)間為2.6 μs，波流通過(guò)的時(shí)間為50 μs，塔中桿處于對(duì)稱(chēng)位置，受到雷擊時(shí)高壓輸電線(xiàn)塔桿受到的響應(yīng)位置相同。雷擊后的電壓變化情況如圖2 所示。

當(dāng)高壓輸電線(xiàn)塔受到雷電攻擊時(shí)，各個(gè)位置桿塔的電壓迅速上升，特別是塔頂位置電流電壓上升幅度較大，電壓幅度值達(dá)到3.56 MV。線(xiàn)桿A 相和B 相的電壓幅度分別為3.35 MV 和3.12 MV。這是由于兩根導(dǎo)線(xiàn)相所處的位置不同、排列順序和高度不同所致。受到雷電攻擊點(diǎn)較近的A 相所承受的電壓幅度值相對(duì)較高，同時(shí)在雷電電流通過(guò)塔身線(xiàn)路接地后，各個(gè)位置的電壓幅度出現(xiàn)明顯降低，衰減并下降至零位。由于高壓輸電線(xiàn)受到雷擊波形情況的變化對(duì)于電壓的幅度變化較大，因此得到不同雷電波形對(duì)電壓幅度的影響見(jiàn)表1。

從表1 可以看出，不同的雷電波形對(duì)高壓輸電線(xiàn)受到的雷電電壓幅度變化影響較大。

3 接地線(xiàn)數(shù)量對(duì)輸電線(xiàn)穩(wěn)態(tài)的影響

接地線(xiàn)設(shè)立在高壓輸電線(xiàn)的上方，能夠減少高壓輸電線(xiàn)直受雷擊的情況。接地線(xiàn)具有分流的作用，因此在高壓輸電線(xiàn)受到雷擊時(shí)，接地線(xiàn)能夠?qū)⒁徊糠蛛娏鬟M(jìn)行分流，從而降低頂端高壓輸電線(xiàn)受到的電壓。為了更加直觀地分析接地線(xiàn)對(duì)高壓輸電線(xiàn)電壓的影響，對(duì)接地線(xiàn)數(shù)量進(jìn)行劃分。不同數(shù)量接地線(xiàn)對(duì)雷電電壓變化的影響見(jiàn)表2。

從表2 中可以看出，接地線(xiàn)數(shù)量的增加能夠有效地降低雷電電流幅度。

4 高壓輸電線(xiàn)穩(wěn)態(tài)防雷擊措施與方法

雷電擊中高壓輸電線(xiàn)塔后，高壓輸電線(xiàn)的電壓和電流會(huì)出現(xiàn)較大的變化。當(dāng)電流和電壓的大小超過(guò)絕緣子的耐受能力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)的情況，因此在搭建高壓輸電線(xiàn)路時(shí)，需要對(duì)高壓輸電線(xiàn)進(jìn)行防雷擊措施和方法改進(jìn)。

以上述220 kV 高壓輸電線(xiàn)為例，雷電的波形變化和高壓輸電線(xiàn)的雷擊位置對(duì)其電壓和電流的影響變化較大。從各位置電壓變化和波形變化的分析中可以看出，雷電擊中的位置和波形越大對(duì)高壓輸電線(xiàn)的影響越大。同時(shí)高壓輸電線(xiàn)的線(xiàn)桿塔得到雷擊的能量越大，整體的暫穩(wěn)態(tài)阻抗值就越高。因此當(dāng)高壓輸電線(xiàn)遭受雷擊時(shí)，可以通過(guò)提升高壓輸電線(xiàn)的雷電疏導(dǎo)能力，來(lái)提升其防雷效果。如安裝防雷設(shè)備，同時(shí)防雷設(shè)施需要能夠承受極高的瞬時(shí)電流并快速分散能量，避免由于電流過(guò)大導(dǎo)致的設(shè)備損壞。防雷裝置可以選擇耐雷效果較好的裝置，如加裝避雷器，同時(shí)基于成本考慮可以只使用單相的避雷器進(jìn)行避雷，這樣能夠保證在一定條件下輸電線(xiàn)能夠處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

對(duì)于接地線(xiàn)的選擇，需要根據(jù)當(dāng)前高壓輸電線(xiàn)路的長(zhǎng)度和環(huán)境進(jìn)行判斷，接地線(xiàn)的電阻應(yīng)盡可能的減少，空間布局應(yīng)分散布置，覆蓋更廣的范圍，接地線(xiàn)的數(shù)量應(yīng)選擇較合理的情況，根據(jù)成本和防雷效果兩個(gè)方面進(jìn)行考慮分析。根據(jù)研究中對(duì)輸電線(xiàn)塔的分析，需要合理的布置接地線(xiàn)，接地線(xiàn)使用兩根接地線(xiàn)的方式，在塔頂中重新增加新的接地線(xiàn)，以此降低輸電線(xiàn)在雷擊過(guò)程中的電壓幅值。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明，雷電的波形變化對(duì)高壓輸電線(xiàn)電壓的變化影響較大，同時(shí)接地線(xiàn)的數(shù)量越多對(duì)高壓輸電線(xiàn)的電流影響越大。所以，在實(shí)際的高壓輸電線(xiàn)防雷擊措施中，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇，在成本合理的同時(shí)防雷擊效果也較好。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃宇辰，楊真. 雷擊輸電線(xiàn)路時(shí)全波電磁暫態(tài)特性研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2022，38（ 9）：10-16.

[2] 曾誠(chéng)，周羽生，周游，等. 混壓輸電線(xiàn)路耐雷性能研究[J].高壓電器，2021，57（ 9）：131-137.

[3] 畢潔廷. 計(jì)及山谷深度的輸電線(xiàn)路雷電繞擊率三維EGM研究 [J]. 中國(guó)電力，2021，54（ 8）：91-97.

[4] 肖慶華. 輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)中線(xiàn)路防雷技術(shù)的運(yùn)用[J]. 科技資訊，2023，21（ 22）：96-99.