陳 炯，楊海楓，胡旭波，張 磊

（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.國網(wǎng)寧波市供電公司，浙江寧波315000）

0 引言

為了減少大氣環(huán)境對電力系統(tǒng)輸變電設(shè)備引起的大面積污閃事故，近些年來江蘇省相關(guān)電力部門陸續(xù)用增加絕緣子串?dāng)?shù)量并改用防污型絕緣子來提高輸變電設(shè)備的防污閃能力。加強(qiáng)線路絕緣能夠提高線路安全運(yùn)行的可靠性，但也可能影響變電站內(nèi)的絕緣配合。雷擊輸電線路通常為繞擊和反擊，反擊會在導(dǎo)線上形成過電壓并傳播到線路兩側(cè)，可能導(dǎo)致線路跳閘等風(fēng)險(xiǎn)。繞擊的概率相對較低，但其沖擊過電壓會造成絕緣子繞擊閃絡(luò)，并危害變電站內(nèi)的電氣設(shè)備[1-3]。

對于220 kV系統(tǒng)，變電站電氣設(shè)備的絕緣造價(jià)較大，絕緣配合與雷電過電壓的問題需重點(diǎn)研究。本文基于ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和計(jì)算，研究增加絕緣子串?dāng)?shù)目前后變電站雷電侵入波波形變化以及避雷器對故障的影響，針對防護(hù)雷電過電壓提出有參考價(jià)值的依據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化變電站的工程設(shè)計(jì)[4]。

1 雷電侵入波事故分析

2011年初，江蘇南部地區(qū)遭受長達(dá)近百天的干旱天氣，導(dǎo)致絕緣子表面積污嚴(yán)重，絕緣子表面鹽密值急劇上升。2011年2月5日起，該地區(qū)屢降大霧，天氣異常惡劣，根據(jù)田都線的部分實(shí)測結(jié)果，其鹽密值達(dá)到0.041 mg/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歷年均值0.02 mg/cm2，這使得線路絕緣強(qiáng)度降低，導(dǎo)致污閃事故。為了避免更多的污染損壞絕緣子，線路退出運(yùn)行，并對絕緣子的爬距進(jìn)行了調(diào)整。

2012年7月11日，江蘇南部地區(qū)遭遇雷暴雨，一條220 kV線路遭受雷擊，其變電站內(nèi)2號主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳開2號主變?nèi)齻?cè)開關(guān)，B相差動(dòng)電流18.6 kA?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)2號主變220 kV側(cè)B相避雷器爆炸，避雷器在中部斷裂，下節(jié)避雷器的上下防爆口動(dòng)作沖開，泄漏電流表損壞，其余設(shè)備均正常江蘇省電力公司組織省檢修分公司、省電科院等單位對2號主變220 kV側(cè)故障避雷器進(jìn)行了解體分析，避雷器型號為Y10W-200/520。經(jīng)分析，其故障原因主要是該避雷器下半節(jié)在運(yùn)行過程中發(fā)生內(nèi)部受潮，絕緣性能下降，使得中間法蘭電位降低，均壓環(huán)與中間法蘭發(fā)生放電，運(yùn)行電壓全部施加于下半節(jié)避雷器，內(nèi)部發(fā)生閃絡(luò)故障，故障壓力導(dǎo)致上下防爆膜沖開，瓷套開裂?；谏鲜鰴z查結(jié)果，總結(jié)主要原因是線路絕緣子絕緣水平增量引起的雷電入侵波導(dǎo)致避雷器故障。

2 雷電侵入波及系統(tǒng)仿真模型

本文用ATP-EMTP軟件建立220 kV輸電線路-變電站系統(tǒng)的仿真模型，來研究雷擊220 kV輸電線路的雷擊性能及絕緣配合問題。

2.1 雷電侵入波模型

雷電流的模型有雙指數(shù)、Heidler模型等，Heidler模型相較雙指數(shù)模型有更多的優(yōu)點(diǎn)。其在ATP-EMTP中的仿真波形與實(shí)際測量值更加接近，可以更好地反映雷電流的特征參量。因此本文雷電的仿真模型即采用Heidler模型[5-6]。經(jīng)收集整理該線路遭受的幾次雷擊情況，并按照GB/T16927.1規(guī)定，取波形為2.6/50μs、極性為負(fù)的雷電流作為研究中的主要沖擊波型，雷電通道波阻抗取300 Ω，反擊與繞擊的雷電流幅值根據(jù)當(dāng)?shù)乩纂娏鞯姆植记闆r均取88 kA。

2.2 輸電線路模型

在EMTP中導(dǎo)線模型選用能反映頻率特性的JMARTI模型。該輸電線路導(dǎo)線型號為LGJ-400/35，避雷線型號為JLB40-150，具體參數(shù)見表1。

表1 輸電線路的導(dǎo)線參數(shù)Table 1 Conductor parameters of the transmission line

2.3 桿塔模型

一般計(jì)算模型中，線路桿塔模型大都采用集中電感模型或單波阻抗模型，但考慮到雷電波從塔頂?shù)剿牟ㄟ^程，多波阻抗模型能夠更為準(zhǔn)確地反映行波在桿塔內(nèi)以及桿塔接地點(diǎn)處的折反射過程，因此本仿真采用多波阻抗建立桿塔模型。

本文模型采用的220 kV交流桿塔型號均為2A1-J1，根據(jù)實(shí)際調(diào)研的參數(shù)及相關(guān)公式，在ATPEMTP中構(gòu)建對應(yīng)的多波阻抗模型[7]，見圖1。

圖1 2A1-J1型桿塔多波阻抗模型Fig.1 2A1-J1 tower and its multi-wave impedance model

2.4 絕緣子串閃絡(luò)模型

變電站雷電侵入波多為進(jìn)線段外的雷擊所造成的，線路絕緣子串的耐雷水平?jīng)Q定了雷電侵入過電壓幅值。本仿真用壓控開關(guān)來模擬絕緣子串模型，當(dāng)絕緣子串兩端的電壓超過1.5倍的臨界閃絡(luò)電壓時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，此時(shí)相當(dāng)于開關(guān)閉合。臨界閃絡(luò)電壓就是絕緣子串50%雷電沖擊放電電壓，當(dāng)絕緣子串兩端電壓超過臨界閃絡(luò)電壓時(shí)，絕緣子有50%的概率會發(fā)生閃絡(luò)，這一值是通過現(xiàn)場試驗(yàn)測得的，考慮到間隙的伏秒特性，取1.5作為電壓系數(shù)。

該地區(qū)根據(jù)江蘇省污區(qū)圖和《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》對該變電站2號主變的220 kV線路絕緣子爬距進(jìn)行了調(diào)節(jié)，將線路FC100P絕緣子由13片增加到15片，調(diào)節(jié)情況見表2。

表2 線路絕緣子串調(diào)爬前后參數(shù)Table 2 Parameters of line insulator strings before and after creepage adjustment

根據(jù)以上調(diào)研結(jié)果在EMTP里建立絕緣子串模型并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。

2.5 避雷器模型

一般情況下，金屬氧化物或氧化鋅避雷器（MOA）是難以用一個(gè)指數(shù)函數(shù)來描述的，常用的模型是將電阻和電容并聯(lián)來描述MOA的全伏安特性，但此模型與實(shí)際全伏安特性擬合度差距較大。后來提出的多指數(shù)函數(shù)模型擬合度更好，本文的仿真即采用該模型，將氧化鋅避雷器的工作區(qū)分成若干區(qū)間段，定義各區(qū)間段的電流和電壓關(guān)系[8]。

避雷器的非線性電阻用指數(shù)函數(shù)描述，其電流電壓的關(guān)系符合式（1）：

式中：Uref為參考電壓，一般取2倍的避雷器額定電壓值；p、q為特征常數(shù)；q的取值范圍為20～30。本系統(tǒng)使用的MOA型號為Y10W-200/520，仿真中輸入每一工作段的電流、電壓數(shù)據(jù)即可直接生成多指數(shù)MOA模型[9-10]。避雷器規(guī)格見表3，避雷器伏安特性見表4。

表3 避雷器Y10W-200/520參數(shù)Table 3 The parameters of arrester Y10W-200/520

表4 避雷器伏安特性曲線Table 4 The current-voltage characters of arrester

2.6 變電站內(nèi)主要電氣設(shè)備模型

由于雷電侵入波等值頻率高，持續(xù)時(shí)間短，通常10μs內(nèi)可達(dá)到過電壓的峰值。因此變電站內(nèi)變壓器、斷路器、電抗器等在雷電沖擊的作用下都可以視為電容，在防雷設(shè)計(jì)中需要計(jì)算變壓器對地的等值電容等，稱為沖擊入口電容[10]。仿真中根據(jù)電壓等級及調(diào)研得到站內(nèi)變壓器、斷路器、電流互感器等實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出入口電容，詳見表5。

表5 變電站內(nèi)主要電氣設(shè)備入口電容值Table 5 Entrance capacitance of electrical equipments

3 仿真結(jié)果及分析

雷擊線路跳閘主要分為兩部分：一是雷擊桿塔塔頂或避雷線引起的絕緣子串閃絡(luò)的反擊跳閘，二是雷電繞過避雷線后擊中導(dǎo)線的繞擊跳閘，所以文中針對這兩種雷擊情況進(jìn)行仿真和計(jì)算。

實(shí)際工程表明，由于進(jìn)線段的作用，在變電站2km外線路上落雷通常對變電站內(nèi)電氣設(shè)備構(gòu)成威脅較小。在計(jì)算雷電過電壓時(shí)，考慮變電站2 km以內(nèi)進(jìn)線段的落雷情況即可[11-12]。文中提到的變電站出線進(jìn)線段有5基桿塔，相鄰兩基桿塔之間的水平直線距離均為500 m，仿真過程考慮1號桿塔至5號桿塔的落雷情況。

3.1 反擊雷過電壓情況

雷電擊中4號桿塔塔頂，反擊故障相為B相，因此電壓波形主要考慮B相。當(dāng)B相導(dǎo)線與塔尖電壓差大于絕緣子閃絡(luò)電壓U50%時(shí)，線路發(fā)生反擊并導(dǎo)致絕緣子串閃絡(luò)。N1～N4分別指的是1號桿塔到4號桿塔處的B相電壓波形，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 調(diào)爬前反過電壓波形Fig.2 Back striking overvoltage waveform before creepage adjustment

雷擊4號桿塔塔頂后雷電流注入桿塔，塔頂電位驟升到峰值后急劇下降。過電壓波在傳輸過程中振蕩明顯而且迅速衰減，4號桿塔處B相電壓為2 512.3 kV，在傳播了0.5 km、1 km、1.5 km后達(dá)到變電站入口處，降幅分別為51.6%、66.7%和83.3%。

增加2片絕緣子數(shù)量后的仿真結(jié)果如圖3所示，此時(shí)，4號桿塔處B相電壓為3 444.4 kV，在傳播了0.5 km、1 km、1.5 km后達(dá)到變電站入口處，降幅分別為64.2%、75.1%和87.3%，對比增加絕緣子串的數(shù)量前后的電壓變化，發(fā)現(xiàn)桿塔各處侵入過電壓均有不同程度的提升，線路繞擊模型見圖4。

圖3 調(diào)爬后前反過電壓波形Fig.3 Back striking overvoltage waveform after creepage adjustment

圖4 線路反擊模型Fig.4 Simulation model of lines back striking

3.2 繞擊雷過電壓情況

雷電繞過避雷線擊中4號和5號桿塔間的輸電線路B相，線路仿真模型見圖5。

圖5 線路繞擊模型Fig.5 Simulation model of lines shielding failure

仿真結(jié)果見圖6，4號桿塔處B相電壓幅值為2 907.3 kV，在傳播了0.5 km、1 km、1.5 km后達(dá)到變電站入口處，降幅分別為59.1%、75.9%和87.6%。

增加2片絕緣子數(shù)量后的仿真結(jié)果如圖7所示，此時(shí)4號桿塔處B相電壓幅值為3 410.1kV，在傳播了0.5 km、1 km、1.5 km后達(dá)到變電站入口處，降幅分別為43.1%、56.5%和86.9%，具體電壓峰值參考表6。相似的，增加絕緣子串的數(shù)量前后的侵入過電壓均有不同程度的提升。

圖6 調(diào)爬前繞擊過電壓波形Fig.6 Shielding failure overvoltage waveform of before creepage adjustment

圖7 調(diào)爬后繞擊過電壓波形Fig.7 Shielding failure overvoltage waveform after creepage adjustment

表6 反擊、繞擊調(diào)爬前后過電壓峰值對比Table 6 Voltage waveform comparision of back striking or shielding failure before and after creepage adjustment

上面的結(jié)果反映無論是反擊還是繞擊，過電壓波傳播至1.5 km（3個(gè)檔距）外后線路上的過電壓幅值降低到雷擊處的20%以下，過電壓波在第一個(gè)檔距N4到N3間的衰減非常明顯。受沖擊電暈和線路頻變特性影響，過電壓波的傳播過程中均出現(xiàn)衰減速度快、波形畸變明顯、波頭陡度減緩等現(xiàn)象。在同等雷電流的情況下，繞擊比反擊引起的過電壓更加嚴(yán)重。

3.3 入口避雷器的影響

建立變電站雷電侵入波計(jì)算模型，研究避雷器對雷電侵入電壓行波波形特征的影響[13-15]。裝置避雷器的仿真模型仍如圖4、圖5所示，不裝置避雷器時(shí)僅需將圖4、圖5中避雷器模塊刪除。發(fā)生反擊時(shí)，對裝置和不裝置避雷器的情況進(jìn)行仿真，變電站入口處的電壓波形結(jié)果見圖8（均以B相為例）。拆除避雷器后，過電壓峰值由442.31 kV升高至742.72 kV，過電壓提升67.9%，詳見表7。

圖8 反擊過電壓波形Fig.8 Back striking overvoltage waveform

類似地，發(fā)生繞擊時(shí)的電壓波形如圖9所示。拆除避雷器后，過電壓峰值由433.28 kV升高至722.14 kV，過電壓提升了66.7%，避雷器動(dòng)作時(shí)的電流峰值達(dá)數(shù)千安培。

圖9 繞擊過電壓波形Fig.9 Shielding failure voltage waveform

表7 仿真條件及絕緣子閃絡(luò)情況Table 7 Simulation conditions and flashover situation of insulators kV

裝置了入口避雷器的變電站，在受到雷電侵入波作用時(shí)，侵入電壓波形的過電壓部分得到抑制。從能量的角度分析，大量雷擊行波能量通過避雷器通道泄放，施加于其他變電站設(shè)備的能量降低。

4 結(jié)論

1）增加線路絕緣子串的數(shù)目會提高絕緣子串的閃絡(luò)電壓，侵入變電站內(nèi)的雷電過電壓幅值、陡度都將會增大，隨后導(dǎo)致流經(jīng)避雷器的雷電流增大，避雷器殘壓升高。因此，在增加絕緣子串?dāng)?shù)目的同時(shí)應(yīng)考慮過電壓可能導(dǎo)致的避雷器故障，設(shè)置合理的絕緣水平。

2）輸電線路遭受雷電反擊或繞擊時(shí)，雷電過電壓波在傳播過程中均出現(xiàn)衰減速度快、波形畸變明顯、波頭陡度減緩等現(xiàn)象。本條220 kV線路遭受同等特征參數(shù)的雷電流時(shí)，繞擊比反擊引起的過電壓更加嚴(yán)重，因此需要格外重視雷電繞擊事故。

3）無論布置避雷器與否，變電站入口處受到的雷電過電壓都會隨絕緣子串?dāng)?shù)目的提高而增加。但安裝避雷器可以明顯降低入口處的雷電侵入過電壓幅值，保證變電站內(nèi)的過電壓處于較低水平，可以減少對站內(nèi)設(shè)備的危害。今后變電站的絕緣配合及防雷保護(hù)應(yīng)對入口避雷器加以重視，優(yōu)化變電站的工程設(shè)計(jì)。

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