孫志鵬王　文錢少鋒

（1. 國(guó)網(wǎng)杭州供電公司，杭州　310006；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州　310004）

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500kV輸電線路防雷優(yōu)化配置建議

孫志鵬1王文2錢少鋒1

（1. 國(guó)網(wǎng)杭州供電公司，杭州310006；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310004）

通過(guò)仿真計(jì)算可以有效模擬輸電線路上的雷電波性能，提出具有參考價(jià)值的防雷優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文針對(duì)浙江電網(wǎng)安和5828線500kV輸電線路進(jìn)行了防雷優(yōu)化配置研究。首先基于PSCAD軟件組建了此500kV輸電線路雷擊桿塔塔頂?shù)姆抡婺Ｐ?。進(jìn)一步從經(jīng)濟(jì)性與防雷特性上展開(kāi)避雷器、絕緣子、塔型的優(yōu)化配置研究。最終針對(duì)安和5828典型線路提出具有工程實(shí)際意義的防雷優(yōu)化配置建議。

輸電線路；雷擊；優(yōu)化配置；仿真

隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)展，雷擊引起的輸電線路跳閘故障日益增多，嚴(yán)重影響了日常的生產(chǎn)生活與電網(wǎng)的安全運(yùn)行［1-2］。浙江地區(qū)雷雨天氣較多，是雷害的重點(diǎn)防治區(qū)域。近些年來(lái)，電網(wǎng)投入了大量資金進(jìn)行輸電線路的防雷建設(shè)，但存在著保護(hù)高閾量，偏于保守，過(guò)于浪費(fèi)等情況。通過(guò)仿真軟件可以有效模擬輸電線路上的雷電波性能，針對(duì)線路具體情況展開(kāi)分析，提出有效且具有經(jīng)濟(jì)性的防雷建議［3-5］。

根據(jù)對(duì)以往架空線路的分析可知，大部分雷擊故障主要由雷擊塔頂引起［6］。隨著電壓等級(jí)的增長(zhǎng)，桿塔高度的增加，雷擊桿塔的概率也不斷提高。國(guó)內(nèi)外對(duì)仿真計(jì)算中桿塔模型進(jìn)行了多方面的研究［7-10］，其中多波阻抗模型在高桿塔雙回線路雷擊仿真研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文針對(duì)浙江電網(wǎng)典型 500kV輸電線路 5828線基于 PSCAD軟件建立了仿真分析模型，分別進(jìn)行了避雷器、絕緣子、桿塔的優(yōu)化配置研究，最終針對(duì)該典型輸電線路提出了具有實(shí)際意義的優(yōu)化建議。

1　仿真模型的建立

仿真模型的建立主要分為雷電流模型、桿塔模型、輸電線路模型、絕緣子模型等。圖1所示為雷擊桿塔塔頂?shù)?00kV雙回輸電線路示意圖，檔距為400m。

圖1　雷擊塔頂示意圖

1.1雷電流的仿真模型

根據(jù)多年研究可知，75%～90%的雷電流極性為負(fù)。因此本文根據(jù)電力標(biāo)準(zhǔn)采用2.6/50μs的負(fù)極性雷電流波形。計(jì)算公式如下式所示：

式中，I為雷電流；I0為雷電流幅值。仿真圖如圖2所示。

圖2　雷電流仿真圖

圖2上部分為雷電流幅值控制模塊，通過(guò)一個(gè)控制元件可以簡(jiǎn)便調(diào)節(jié)雷電流的幅值大小。下部分為雷電流仿真圖。經(jīng)計(jì)算得到的控制波形與受控源相配合組成“雷電發(fā)生器”，雷電通道波阻抗 Z=300Ω。雷電流波形如圖3所示，延時(shí)0.1s。

圖3　雷電流仿真波形

1.2桿塔模型

本文所研究的桿塔為500kV雙回輸電線路中的SZV1與SZV2兩種，其中安和5828線114#與115#桿塔采用SZV1塔型，塔呼高42m，塔高57m。安和5828線110#與112#桿塔采用SZV2塔型，塔呼高51m，塔高66m。

仿真模型選用多波阻抗模型，相比較于集中電感模型與單一波阻抗模型可以更加真實(shí)的模擬桿塔的波過(guò)程。以SZV1為例仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示，接地電阻選用15Ω。

圖4　桿塔仿真

1.3輸電線路模型

PSCAD中的Tline元件可以準(zhǔn)確模擬雷擊桿塔后輸電線路的暫態(tài)特性。Tline元件包含3種基本模型：PI模型、Bergeron模型，Phase模型。本文為了更好的計(jì)算雷電參數(shù)的暫態(tài)特性，選擇 Phase頻率模型。為與SZV1與SZV2雙回架空線路桿塔匹配，選擇包含2根避雷線，6條導(dǎo)線的8線模型。線路檔距為400m，仿真首末兩端設(shè)置一條長(zhǎng)10km的長(zhǎng)線路模擬終端，消除折返射影響。其中選用的導(dǎo)線與避雷線的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　線路參數(shù)

1.4絕緣子與避雷器模型

輸電線路正常輸電時(shí)，絕緣子安裝在桿塔與導(dǎo)線間起到保證兩者間絕緣的作用。雷擊桿塔導(dǎo)致塔頂電位瞬間升高，當(dāng)加在絕緣子上的電壓差高于其耐受電壓時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，引發(fā)故障。絕緣子的耐受電壓與絕緣子片數(shù)的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2　絕緣子參數(shù)

工程上，一般以絕緣子50%閃絡(luò)電壓U50%為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)塔頂電位Ut與導(dǎo)線電位Uc間的壓差大于U50%時(shí)，則判斷絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。在 PSCAD中用一常斷開(kāi)關(guān)進(jìn)行模擬，當(dāng)|Ut?Uc|＞U50%時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，絕緣子閃絡(luò)。判斷仿真如圖5所示。

圖5　絕緣子仿真圖

避雷器可以在雷擊發(fā)生時(shí)對(duì)絕緣子進(jìn)行保護(hù)，本文采用PSCAD中的氧化鋅避雷器元件進(jìn)行仿真，工作電壓為444kV，其伏安特性見(jiàn)表3。

表3　避雷器參數(shù)

如圖6所示，本文建立了浙江電網(wǎng)500kV安和5828線輸電線路的仿真模型，設(shè)桿塔由上到下分別為A、B、C三相，雷擊于桿塔塔頂，雷擊時(shí)刻為仿真開(kāi)始后的0.1s。

圖6　雷擊塔頂輸電線路仿真圖

2　仿真結(jié)果分析及防雷優(yōu)化配置建議

日本經(jīng)過(guò)研究分析認(rèn)為雷電流最大值不超過(guò)150kA，我國(guó)認(rèn)為雷電流超過(guò) 200kA的概率極低，因此在本文分析中認(rèn)為只要輸電線路可以耐受幅值為150～200kA雷電流便滿足絕緣要求［11］。

接地電阻設(shè)為15Ω，檔距設(shè)為400m，桿塔不特別說(shuō)明下默認(rèn)為SZV1型，絕緣子片數(shù)為26片，桿塔由上到下依次為A、B、C三相。波形圖中藍(lán)色為A相電壓，綠色為B相電壓，紅色為C相電壓。下圖7為絕緣子兩端的三相電壓波形。

如圖7（a）所示，不安裝避雷器，當(dāng)雷電流為?35kA時(shí)，絕緣子未發(fā)生閃絡(luò)，如圖7（b）所示，逐級(jí)增大雷電流至?39kA時(shí)，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，閃絡(luò)瞬間對(duì)應(yīng)相的絕緣子兩端電壓降為零。

圖7　雷擊三相電壓波形

2.1避雷器的優(yōu)化配置

從圖7可以看出，雷電流增大至?39kA時(shí)，A相首先發(fā)生閃絡(luò)故障。因此，首先只對(duì) A相安裝444kV避雷器。此時(shí)當(dāng)雷電流增大至?83kA時(shí)，B相首先發(fā)生閃絡(luò)。

分別進(jìn)一步對(duì)B相與C相單獨(dú)裝設(shè)避雷器進(jìn)行分析，可以得到，當(dāng)B相與C相單獨(dú)裝設(shè)避雷器時(shí)，A相電壓依然很高，絕緣子會(huì)首先發(fā)生閃絡(luò)。當(dāng) B相單獨(dú)裝設(shè)避雷器時(shí)，A相的閃絡(luò)雷電流為?49kA，C相單獨(dú)裝設(shè)避雷器時(shí)，A相的閃絡(luò)雷電流為?43kA。

分析得出，當(dāng)桿塔塔頂發(fā)生雷擊時(shí)，A相絕緣子電壓高于B相高于C相。單獨(dú)對(duì)A相安裝避雷器，可以抑制A，B，C三相的電壓，但單獨(dú)對(duì)B相與C相裝設(shè)避雷器只會(huì)較小程度的提高A相耐壓。其中B相避雷器抑制作用要大于C相。

因此，為了降低成本，采用盡量少的避雷器，A相首先確定要安裝避雷器。由于單相裝設(shè)避雷器無(wú)法滿足防雷絕緣要求，進(jìn)一步對(duì)兩相安裝避雷器。A相在最上，距離雷擊點(diǎn)最近，其電壓要高于B、C兩相。因此對(duì)AB兩相安裝避雷器與AC兩相安裝避雷器進(jìn)行研究，當(dāng)AB相安裝避雷器時(shí)，絕緣子閃絡(luò)雷電流為?193kA，當(dāng)AC兩相安裝避雷器時(shí)，絕緣子閃絡(luò)雷電流為?96kA。更進(jìn)一步對(duì)ABC三相均安裝避雷器，可以得到絕緣子閃絡(luò)雷電流為?201kA?？偨Y(jié)見(jiàn)表4。

表4　避雷器安裝位置與閃絡(luò)雷電流關(guān)系

2.2絕緣子的優(yōu)化配置

絕緣子的閃絡(luò)電壓與片數(shù)成正比，此時(shí)將全部絕緣子增加至30片，只在A相單獨(dú)裝設(shè)避雷器時(shí)，當(dāng)雷電流增大至?94kA時(shí)，B相首先發(fā)生閃絡(luò)，防雷效果提升了15.66%。當(dāng)只在AB兩相裝設(shè)避雷器時(shí)，當(dāng)雷電流增大至?220kA時(shí)，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，防雷效果提升了14%?？偨Y(jié)見(jiàn)表5。

表5　絕緣子片數(shù)與耐雷水平關(guān)系

由此可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加絕緣子片數(shù)時(shí)，防雷效果會(huì)得到較明顯的提升。

絕緣子不平衡絕緣有兩種方式，一種為同相兩回線路采用的絕緣子片數(shù)不同，使一回線路的絕緣水平高于另一回。當(dāng)發(fā)生雷擊事故時(shí)，保證一回線路不發(fā)生閃絡(luò)，降低事造成的損害。另一種為ABC三相采用的絕緣子片數(shù)不同，按照各相承受雷電壓大小的不同裝設(shè)不同片數(shù)絕緣子，可以降低成本，節(jié)省資金。

本文只研究ABC三相間的不平衡絕緣。實(shí)驗(yàn)條件為在AB兩相安裝避雷器，仿真計(jì)算各種不平衡絕緣條件下的閃絡(luò)雷電流。不平衡絕緣所采用的絕緣子分別為26片與30片。具體結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　不平衡絕緣與耐雷水平關(guān)系

從表6中可以看到，當(dāng)只在單相采用30片絕緣子時(shí)，BC相提升效果不如A相。當(dāng)在AB相或AC相兩相采用30片絕緣子時(shí)，耐雷效果相當(dāng)于三相均采用30片絕緣子。

2.3塔型的優(yōu)化配置

桿塔類型的不同會(huì)對(duì)雷電過(guò)電壓產(chǎn)生一定的影響。選用安和5828線114#的SZV1桿塔與110# 的SZV2桿塔，在 AB兩相安裝避雷器，絕緣子采用26片。仿真計(jì)算不同雷電流幅值下兩種塔形的雷電過(guò)電壓。結(jié)果見(jiàn)表7及如圖8所示。

表7　桿塔類型與雷電過(guò)電壓關(guān)系

由此可知，在相同雷電流下，SZV2要比SZV1承受更高的雷電過(guò)電壓。此外，經(jīng)仿真分析，SZV2塔在此條件下的閃絡(luò)雷電流為?181kA，相比較于SZV1塔形的?193kA，明顯降低。

圖8　桿塔類型與雷電過(guò)電壓關(guān)系

3　結(jié)論

本文針對(duì)浙江電網(wǎng)安和5828線500kV輸電線路進(jìn)行了基于 PSCAD的仿真研究。組建了雷擊塔頂?shù)姆抡婺Ｐ?。通過(guò)對(duì)避雷器、絕緣子、桿塔的優(yōu)化配置研究，提出如下建議。

1）在AB相安裝避雷器基本可以滿足防雷保護(hù)要求。ABC三相均安裝避雷器防雷效果提升并不明顯，造成一定的浪費(fèi)。建議只在AB兩相安裝避雷器。

2）增加絕緣子片數(shù)可以明顯提升防雷性能。從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，采用不平衡絕緣方式可以降低投入，節(jié)約成本。建議只在AB或AC兩相采用較高串?dāng)?shù)絕緣子，另一相絕緣子片數(shù)可適當(dāng)降低。

3）針對(duì)安和5828線114#的SZV1桿塔與110# 的 SZV2桿塔進(jìn)行相同條件下的仿真研究，發(fā)現(xiàn)SZV2塔型所受雷電過(guò)電壓更高。不考慮其他情況下，優(yōu)先選用114#的SZV1塔形。

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Optimization Suggestions on Lightning Protection of 500 kV Transmission Line

Sun Zhipeng1Wang Wen2Qian Shaofeng1
（1. State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou310006，2. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation，Hangzhou310004）

Simulation calculation can effectively simulate the performance of electric wave on the transmission line. Further more，we can put forward the optimization design on lightning protection. This article research the optimization lightning protection based on the Zhejiang power grid 500kV Anhe-5828 transmission line. Firstly，a lightning tower top simulation model of 500kV transmission line was constructed based on PSCAD. Further we research the optimal configuration of lightning arrester，insulator and tower type from the economy and lightning protection features. Finally，this paper put forward the lightning protection configuration optimization suggestions of Anhe-5828 transmission line，which has a lot of practical significance.

transmission line； lightning strike； configuration optimization； simulation

孫志鵬（1978-），男，浙江杭州人，大學(xué)本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)設(shè)備管理工作。