舒海蓮，楊 秀，臧海洋

（上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090）

0 引言

國(guó)內(nèi)外多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，輸電線路防雷性能的好壞能夠直接影響到系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，避免雷害事故的發(fā)生在一定程度上就可以保證電氣運(yùn)行的安全[1-3]。本文采用了ATP-EMTP仿真軟件進(jìn)行輸電線路雷電過(guò)電壓的仿真分析，結(jié)合實(shí)際工程中的輸電線路，對(duì)110 kV和220 kV架空線在2種雷擊方式（雷電繞擊導(dǎo)線和雷電直擊桿塔或避雷線）情況下的耐雷水平進(jìn)行研究，然后對(duì)仿真的原理進(jìn)行了分析，并對(duì)輸電線路耐雷水平的影響因素進(jìn)行仿真建模仿真，最后計(jì)算了110 kV和220 kV輸電線路雷擊跳閘率。本文在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要與反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成，并記錄了相關(guān)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)據(jù)結(jié)果，充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)中各種雷擊情況，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值[4-6]。

1 基于EMTP的仿真模型

本文利用現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外廣泛采用的ATP-EMTP電磁暫態(tài)計(jì)算程序，建立輸電線路雷電過(guò)電壓仿真計(jì)算模型，進(jìn)行輸電線路雷擊過(guò)電壓仿真計(jì)算[8-9]。

重要的參數(shù)設(shè)置。雷電流模型按規(guī)程建議采用的是波形2.6/50的負(fù)極性雙指數(shù)波形；波阻抗使用的是300 Ω；根據(jù)實(shí)際的輸電線桿塔進(jìn)行建模，接地電阻取5 Ω，桿塔電感取0.5 H/m；變壓器入口電容取平均值為2 000 pF；絕緣子串蠶蛹標(biāo)準(zhǔn)絕緣，110 kV線路選取雷電沖擊閃絡(luò)電壓為700 kV，220 kV線路選取1 200 kV；ZnO避雷器選取參數(shù)為，110 kV線路直流1 mA，參考電壓為145 kV，10 kA放電電流下殘壓260 kV，220 kV線路選取1 mA，參考電壓為290 kV，殘壓120 kV；最重要的模型是Lcc輸電線路模型，考慮集膚效應(yīng)并使用仿真矩陣，線路模型采用的是JMarti型，將實(shí)際的線路參數(shù)輸入到模型中，軟件自動(dòng)生成滿足要求的輸電線路模塊。模型見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算雷擊同桿雙回線路耐雷水平的仿真模型

2 輸電線路耐雷水平仿真計(jì)算與分析

2.1 110 kV及220 kV輸電線路耐雷水平的仿真

110 kV及以上輸電線路的雷擊跳閘是由雷擊桿塔塔頂和雷繞擊導(dǎo)線引起的,接下來(lái)就是對(duì)110 kV及220 kV的輸電線路的2種雷擊方式進(jìn)行建模,仿真計(jì)算輸電線路的耐雷水平（計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3）。

對(duì)于110 kV線路，單避雷線的輸電線路（單回線路）的耐雷水平約為53 kV，有雙避雷線的同桿并架雙回輸電線路的耐雷水平為57 kV；對(duì)于220 kV線路，單避雷線的輸電線路（單回線路）的耐雷水平約為89 kV，有雙避雷線的同桿并架雙回輸電線路的耐雷水平為96 kV。對(duì)比可知，雙避雷線的同桿并架雙回輸電線路的耐雷水平比單避雷線的單回輸電線路的耐雷水平高。

2.2 耐雷水平仿真的原理分析

2.2.1 雷擊桿塔時(shí)耐雷水平的原理分析

以220 kV同桿并架雙回輸電線路雷擊桿塔的情況為例。

表1 雷擊桿塔時(shí)110 kV輸電線路的耐雷水平

表2 雷擊桿塔時(shí)220 kV輸電線路的耐雷水平

表3 雷繞擊導(dǎo)線時(shí)輸電線路的耐雷水平

雷電擊中輸電線桿塔頂端（或避雷線上），雷電流會(huì)經(jīng)桿塔及其接地電阻流入大地[10]。220 kV及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)采用中性點(diǎn)直接接地方式，若作用在絕緣子串上的電壓幅值超過(guò)絕緣子串的50%沖擊放電電壓值，絕緣子串就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，由此引起的工頻電弧電流會(huì)較大，形成穩(wěn)定的工頻電流，引起線路跳閘。

當(dāng)雷擊塔頂?shù)睦纂娏髟谳旊娋€路能夠承受的沖擊范圍內(nèi)，在系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一些小擾動(dòng)，但絕緣子串則不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。未發(fā)生閃絡(luò)情況時(shí)絕緣子串上的電壓波形如圖2所示。當(dāng)雷擊塔頂?shù)睦纂娏鞒鲚旊娋€路能夠承受的沖擊范圍，作用在絕緣子串上的電壓幅值超過(guò)絕緣子串的50%沖擊放電電壓值，絕緣子串就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，絕緣子串上的電壓波形如圖3所示。

圖2 未發(fā)生閃絡(luò)的絕緣子串上的電壓波形

圖3 發(fā)生閃絡(luò)的絕緣子串上的電壓波形

由此得出不同在不同雷擊方式、線路不同的運(yùn)行和絕緣方式下的耐雷水平，即絕緣子串可承受的的最大雷電流沖擊值。

2.2.2 雷繞擊線路時(shí)耐雷水平的原理分析

繞擊導(dǎo)線時(shí)的過(guò)電壓和耐雷水平與無(wú)避雷線線路雷直擊時(shí)相同。所不同的是，由于避雷線的存在，發(fā)生繞擊的次數(shù)要遠(yuǎn)小于雷直擊于無(wú)避雷線的導(dǎo)線次數(shù)。

繞擊導(dǎo)線時(shí)，雷電流會(huì)沿著導(dǎo)線向兩側(cè)流動(dòng)。雷電過(guò)電壓沿線路向兩側(cè)傳播到達(dá)桿塔絕緣子串，如果作用在絕緣子串上的電壓幅值超過(guò)絕緣子串的50%沖擊放電電壓值，絕緣子串就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，由此引起的工頻電弧電流會(huì)較大，會(huì)形成穩(wěn)定的工頻電流，從而引起線路跳閘。

當(dāng)雷繞擊線路的雷電流在輸電線路能夠承受的沖擊范圍內(nèi)，在系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一些小擾動(dòng)，但絕緣子串則不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，絕緣子串上的電壓波形如圖4所示；當(dāng)雷擊塔頂?shù)睦纂娏鞒鲚旊娋€路能夠承受的沖擊范圍，作用在絕緣子串上的電壓幅值超過(guò)絕緣子串的50%沖擊放電電壓值，絕緣子串就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，在系統(tǒng)上會(huì)產(chǎn)生影響很大的擾動(dòng)。發(fā)生閃絡(luò)的情況時(shí)絕緣子串上的電壓波形如圖5所示。

圖4 未發(fā)生閃絡(luò)的絕緣子串上的電壓波形圖

圖5 發(fā)生閃絡(luò)的絕緣子串上的電壓波形圖

由此得出在不同雷擊方式、線路運(yùn)行和絕緣方式下的耐雷水平，即可承受的的最大雷電流沖擊值。

220 kV線路無(wú)避雷線時(shí)的耐雷水平只有10 kA左右。由于110 kV及其以上線路是中性點(diǎn)直接接地的線路，都要求全線架設(shè)避雷線，以防止線路頻繁發(fā)生雷擊閃絡(luò)跳閘事故。

2.3 影響耐雷水平因素的仿真計(jì)算與分析

在前面建立的仿真模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行影響輸電線路耐雷水平因素的仿真計(jì)算與分析，通過(guò)改變其中一個(gè)因素來(lái)了解耐雷水平的變化，分析仿真數(shù)據(jù)從而總結(jié)出各個(gè)因素對(duì)于輸電線路耐雷水平的影響規(guī)律：從表4可知，輸電線路桿塔接地電阻越大，雷擊桿塔頂時(shí)，造成作用于線路絕緣子串的電位差越大，線路的耐雷水平會(huì)降低。因此，降低桿塔的接地電阻可以減小雷擊桿塔時(shí)塔頂?shù)狞c(diǎn)位升高，可以得出減小桿塔接地電阻是提高輸電線路耐雷水平的有效措施[11-13]。

表4 110 kV線路桿塔接地電阻對(duì)耐雷水平的影響

由表5可知，增強(qiáng)輸電線路的絕緣水平，也就是提高了絕緣子串50%沖擊放電電壓，由此可見(jiàn)，在輸電線路的易擊區(qū)，可采取增強(qiáng)線路絕緣的措施來(lái)提高輸電線路的耐雷水平。例如：在110 kV系統(tǒng)中，線路增加1片絕緣子，其桿塔電阻值5 Ω，10 Ω，15 Ω時(shí)的耐雷水平分別增加14%,16%,17%；線路增加2片絕緣子，其耐雷水平分別增加25%,27%,31%。

表5 220 kV雙回線路加強(qiáng)絕緣對(duì)耐雷水平的影響

在仿真中還發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)電源電壓對(duì)線路耐雷水平是有一定程度的影響。當(dāng)作用的工頻電壓與桿塔電位反相且到達(dá)峰值時(shí)，線路的耐雷水平最低。

當(dāng)三相絕緣子串旁配置線路避雷器時(shí)，輸電線路的耐雷水平會(huì)大大提高，可以考慮利用線路避雷器來(lái)降低線路的雷擊跳閘率。

通過(guò)對(duì)影響輸電線路耐雷水平的因素進(jìn)行仿真,可以了解提高線路耐雷水平的方式，可以證明現(xiàn)有的防雷措施仍行之有效，也有利于以后的規(guī)劃,對(duì)現(xiàn)實(shí)工作有重要的實(shí)踐意義。

3 110 kV和220 kV輸電線路雷擊跳閘率的計(jì)算

根據(jù)我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》，結(jié)合仿真模型計(jì)算出的耐雷水平可以進(jìn)行110 kV與220 kV輸電線路雷擊跳閘率的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6中的數(shù)據(jù)可知，山區(qū)線路的雷擊跳閘率較平原線路的雷擊跳閘率高。例如：110 kV同桿并架雙回輸電線路的雷擊跳閘率山區(qū)比平原高58.98%；220 kV同桿并架雙回輸電線路的雷擊跳閘率山區(qū)比平原高了57.75%。

表6 110 kV和220 kV架空輸電線路的雷擊跳閘率

4 結(jié)論

根據(jù)輸電線路雷電過(guò)電壓仿真計(jì)算模型，在110 kV和220 kV電壓等級(jí)的情況下對(duì)輸電線路耐雷水平和雷擊跳閘率進(jìn)行仿真計(jì)算與分析,其結(jié)論如下：

1）可知在各種雷擊形勢(shì)下都可以看出，雙避雷線的同桿并架雙回輸電線路的耐雷水平比單避雷線的單回輸電線路的耐雷水平會(huì)提高。

2）山區(qū)線路的雷擊跳閘率較平原線路的雷擊跳閘率高。

3）桿塔接地電阻對(duì)輸電線路耐雷水平的影響很大。可以得出減小桿塔接地電阻是提高輸電線路耐雷水平的有效措施。

4）增加線路絕緣對(duì)輸電線路耐雷水平的影響很大。在輸電線路的易擊區(qū)，可采取增強(qiáng)線路絕緣的措施來(lái)提高輸電線路的耐雷水平。

5）系統(tǒng)電源電壓對(duì)線路耐雷水平是有一定程度的影響。當(dāng)作用的工頻電壓與桿塔電位反相且到達(dá)峰值時(shí)，線路的耐雷水平最低。

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