蔡漢生，徐建鐵，郭 潔，張金鳳，魏 琪，賈 磊，劉 剛

（1.直流輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院），廣州510663；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

0 引言

目前廣泛應(yīng)用的無間隙金屬氧化物避雷器（以下簡稱MOA）的雷電殘壓特性、雷電動作負(fù)載特性是MOA雷電保護(hù)特性的核心特征，這些特性受控于MOA電阻片配方、制造工藝、MOA結(jié)構(gòu)和作用的雷電波[1]。在MOA制造工藝和結(jié)構(gòu)一定的前提下，這些特性主要取決于作用的雷電波，而雷電波的波形、幅值受氣象環(huán)境、地理位置、侵入方式等多因素影響千差萬別，為了分析不同雷電侵入波形下MOA的波形特征和不同雷電沖擊波形下的殘壓特性，合理制定相應(yīng)的試驗(yàn)考核方法以保證MOA運(yùn)行特性和提高保護(hù)可靠性，筆者依據(jù)國內(nèi)外捕獲的雷電波特征統(tǒng)計(jì)參數(shù)，對幾種典型雷電侵入方式和雷電波波形下通過MOA的雷電流特性展開計(jì)算分析對MOA參數(shù)選擇和標(biāo)準(zhǔn)修訂具有重要意義[2]。

以某一典型750 kV輸變電系統(tǒng)為例，仿真計(jì)算了不同雷電侵入波形，在雷擊中電站近區(qū)線路桿塔發(fā)生反擊和雷繞擊電站近區(qū)線路相導(dǎo)線時(shí)，流過MOA的放電電流波形。

1 計(jì)算模型和計(jì)算條件

1.1 仿真計(jì)算模型

選用的750 kV變電站出線為同塔雙回線路，雙回線路長92.303 km，線路有換位，換位位置分別在12、42、74、92 km處；導(dǎo)線平均弧垂19.28 m，避雷線平均弧垂13.6 m，桿塔間檔距為550 m，土壤電阻率600 Ω·m，系統(tǒng)電氣接線如圖1所示。研究電站B遭受近區(qū)雷擊時(shí)，雷電侵入波波形對MOA放電電流的影響。

圖1 750 kV系統(tǒng)電氣接線圖Fig.1 Electrical wiring diagram of 750 kV power system

1.1.1 桿塔

典型750 kV桿塔高度通常均高于50 m，雷電波在桿塔中的波過程不容忽略，因此研究區(qū)段內(nèi)每基桿塔均采用了多波阻抗模型計(jì)算[3-6]，桿塔多波阻抗模型如圖2所示。

圖2 雷擊時(shí)桿塔的等效模型Fig.2 Equivalent model of tower in lightning stroke

式中：Hk為每段桿塔的高度/m；rAk為桿塔臂等效半徑/m，取橫擔(dān)和主材的連接長度（即橫擔(dān)和塔身的連接斷面的上邊和下邊之和）的四分之一；rTk為支架半徑/m；rB為塔基部分半徑/m；RTk為主支架半徑/m。

由于電磁波通過含有支架的多導(dǎo)體系統(tǒng)時(shí)需要更長的時(shí)間，所以在仿真中，支架部分的長度取為對應(yīng)主體部分的1.5倍，即ZLk的長度為ZTk長度的1.5倍[8]。

1.1.2 工頻運(yùn)行電壓

750 kV線路工頻電壓幅值對線路絕緣閃絡(luò)及流過MOA的最大電流幅值和吸收能量均有顯著影響，因此模型中考慮了工頻運(yùn)行電壓的影響。

1.1.3MOA模型

750 kV線路側(cè)MOA與電站側(cè)MOA安裝間距10 m，避雷器采用非線性電阻和集中電容并聯(lián)模型來模擬，集中等值電容C取43.54 pF，如圖3所示；MOA本體伏安特性曲線如圖4所示。

圖3 避雷器模型示意圖Fig.3 The model of MOA

圖4 避雷器本體V-A特性曲線Fig.4 The V-A characteristic curve of MOA body

1.2 雷電侵入波形

依據(jù)國內(nèi)外捕獲的雷電波特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，雷電沖擊波的波頭時(shí)間約為 1 μs～5 μs，集中在2.5 μs～2.6 μs；半峰時(shí)間約為20 μs～100 μs，多為50 μs左右[7-9]。確定了有代表性的五種雷電波波形分別為：1/20 μs、1/100 μs、2.6/50 μs、5/20 μs、5/100 μs。計(jì)算獲得750 kV系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)雷暴日地區(qū)線路遭受50年一遇的雷電流峰值為294 kA（大于線路反擊耐雷水平），對應(yīng)的雷電通道波阻抗為300 Ω；依據(jù)線路桿塔形狀和導(dǎo)線布置結(jié)構(gòu)，采用電氣幾何模型計(jì)算獲得的線路最大繞擊電流峰值為55 kA，對應(yīng)的雷電通道波阻抗為586 Ω；以實(shí)際線路絕緣臨界閃絡(luò)為判據(jù)，計(jì)算獲得線路在5種典型雷電波形下繞擊耐雷水平和雷電通道波阻抗如表1所示。

表1 繞擊耐雷水平和雷電通道波阻抗Table 1 The lightning withstand level current and lightning channel impedance

1.3 雷電侵入方式和雷擊點(diǎn)位置

雷擊暴露在空氣中的架空輸電線路有4種可能的途徑，即雷擊線路附近地面，雷擊塔頂及塔頂附近避雷線，雷擊避雷線檔距中央反擊，雷繞擊導(dǎo)線。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：對于750 kV架空輸電線路主要存在的雷擊威脅是：雷擊桿塔反擊和繞擊導(dǎo)線。因此，重點(diǎn)研究了雷擊塔頂反擊和雷繞擊導(dǎo)線兩種情況[10]。

使用ICP-AES(以高純氬氣正常吹掃2h或高速吹掃0.5h后)，在選定的儀器工作條件下測量各待測元素。

對于超、特高壓變電站，由于全線架設(shè)雙避雷線，且保護(hù)角更小、桿塔接地電阻更低，雷電防護(hù)措施比較嚴(yán)密，進(jìn)線段與非進(jìn)線段防雷性能并無本質(zhì)差異。對于2 km以外的遠(yuǎn)區(qū)雷擊，由于電暈衰減和線路阻尼效應(yīng)，導(dǎo)致侵入的雷電波陡度和幅值都明顯較小，因此近區(qū)雷擊的危害更突出[11]。所以選取近區(qū)雷擊作為變電站侵入波的主要研究對象。

1.4 雷電沖擊下線路絕緣閃絡(luò)判據(jù)

常見的雷擊閃絡(luò)判據(jù)為電壓閾值法和相交法。

規(guī)程采用的方法為電壓閾值法，即絕緣子串兩端的雷電過電壓峰值大于其臨界放電電壓，絕緣發(fā)生閃絡(luò)擊穿[12]。值得注意的是，規(guī)程中所取的臨界放電電壓是指標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波U50%。但是實(shí)際上由于來自桿塔接地電阻的反射波的影響，雷擊桿塔時(shí)的絕緣子串兩端電壓并不是標(biāo)準(zhǔn)的雷電沖擊全波，而是一個(gè)短尾波，波長在10 μs以內(nèi)。短尾波的50%擊穿放電電壓大約為標(biāo)準(zhǔn)波的1.2～1.3倍，所以該方法導(dǎo)致計(jì)算所得的反擊耐雷水平偏小，不推薦使用。我國110 kV、220 kV、330 kV及以上電壓等級，為了盡量較少絕緣子串的閃絡(luò)概率，空氣間隙在雷電沖擊波下50%放電電壓取為絕緣子串相對應(yīng)電壓的80%。

在超、特高壓線路的反擊計(jì)算中，建議采用IEC60071-4推薦的相交法作為線路絕緣閃絡(luò)判據(jù)。即線路兩端的過電壓波Uin（t）和絕緣擊穿放電的伏秒特性曲線V（t）相交則判斷為閃絡(luò)[13-15]，如圖5所示。

圖5 絕緣擊穿放電的伏秒特性曲線及兩端過電壓波形Fig.5 Insulator string volt-second characteristic curve and both ends of the overvoltage waveform

2 不同雷電侵入波形對避雷器放電電流的影響

參考我國電站MOA的配置慣例，以電站側(cè)MOA配置型號為：Y20W-600/1380，線路側(cè)配置型號為：Y20W-648/1491為例。

2.1 雷擊桿塔反擊計(jì)算結(jié)果

當(dāng)峰值為50年一遇的294 kA的雷電流擊中電站近區(qū)線路桿塔并發(fā)生反擊時(shí)，MOA放電電流波形的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 反擊時(shí)流過MOA的波形Table 2 Current waveform through the MOA when lightning counterattack

2.2 雷電繞擊相導(dǎo)線計(jì)算結(jié)果

當(dāng)峰值為最大繞擊電流55 kA的雷繞擊電站近區(qū)線路相導(dǎo)線時(shí)，MOA放電電流波形的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

當(dāng)峰值為相應(yīng)雷電波形下線路繞擊耐雷水平的雷繞擊電站近區(qū)線路相導(dǎo)線時(shí)，MOA放電電流波形的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表3 最大繞擊電流時(shí)流過MOA的波形Table 3 Current waveform through the MOA when maximum shielding current

表4 繞擊耐雷水平電流時(shí)流過MOA的波形Table 4 Current waveform through the MOA when the lightning shielding withstand level current

從表2-表4可以看出：

1）侵入雷電波波頭時(shí)間相同時(shí)，反擊和最大繞擊電流兩種情況下，流過MOA的雷電流波頭時(shí)間基本相同，最大電流峰值也基本不變。

2）繞擊耐雷水平情況下，波頭時(shí)間相同、波尾時(shí)間短的雷電波侵入電站時(shí)流過MOA的電流峰值更大。

3）無論MOA統(tǒng)一配置為Y20W-600/1380還是電站側(cè)MOA配置型號為Y20W-600/1380、線路側(cè)MOA配置型號為Y20W-648/1491，流過電站側(cè)MOA電流波形的波頭時(shí)間均比流過線路側(cè)MOA波形的波頭時(shí)間更長。兩臺MOA配置相同時(shí)流過線路側(cè)MOA的電流峰值更高，兩臺MOA配置型號不同時(shí)流過額定電壓更低的電站側(cè)MOA的電流峰值更高。

3 結(jié)論

通過對典型750 kV系統(tǒng)在雷電流擊中電站近區(qū)線路桿塔并發(fā)生反擊和雷繞擊電站近區(qū)相導(dǎo)線時(shí)對流過不同配置MOA電流特性的計(jì)算研究，得出以下結(jié)論：

1）峰值為50年一遇的雷擊中電站近區(qū)線路桿塔并發(fā)生反擊時(shí)，雷電侵入波波頭時(shí)間越長，流過MOA電流波形的波頭時(shí)間越長，且流過電站側(cè)MOA的波頭時(shí)間比流過線路側(cè)MOA的波頭時(shí)間更長，但均遠(yuǎn)小于4 μs；

2）峰值為最大繞擊電流的雷直擊電站附近相導(dǎo)線時(shí)，雷電侵入波波頭時(shí)間越長，流過MOA電流波形的波頭時(shí)間越長，最大可達(dá)6.5 μs左右；峰值為繞擊耐雷水平的雷繞擊電站近區(qū)相導(dǎo)線時(shí)，雷電侵入波波頭時(shí)間越長，流過MOA電流波形的波頭時(shí)間越長，最大可達(dá)10 μs左右；

3）相同峰值的雷電波侵入時(shí)，侵入波波頭時(shí)間越短，流過MOA電流波形的電流峰值越大，反擊時(shí)流過MOA的最大電流峰值可達(dá)18 kA；最大繞擊電流侵入時(shí)流過MOA的最大電流峰值可達(dá)22.5kA，繞擊耐雷水平的雷電流侵入時(shí)流過MOA的最大電流幅值可達(dá)11.5 kA。相同侵入波時(shí)，隨著落雷點(diǎn)距變電站距離的增加，流過MOA的雷電流波頭時(shí)間變長，流過同一MOA的最大電流峰值減小。

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