陳忠明，廖文龍，劉守豹，劉小江

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京210031；2.四川電力科學(xué)研究院，成都610072）

0 引言

220 kV輸電線路是省級(jí)電網(wǎng)骨干網(wǎng)架，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響省級(jí)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，雷擊是導(dǎo)致線路跳閘的主要因素。以四川電網(wǎng)為例，雷擊導(dǎo)致的220 kV及以上等級(jí)線路跳閘占線路跳閘總數(shù)的40%～70%。繞擊跳閘又占線路跳閘的大多數(shù)，根據(jù)2006—2012年四川電網(wǎng)雷擊跳閘情況統(tǒng)計(jì)顯示，220 kV線路中繞擊跳閘占雷擊跳閘總數(shù)的89.0%。因此，繞擊是目前220 kV線路防雷的主要課題[1-5，11]。

金屬氧化物避雷器由于具有優(yōu)越的保護(hù)性能，越來越廣泛的應(yīng)用于電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)。220 kV線路避雷器，由避雷器本體和串聯(lián)間隙組成，與被保護(hù)絕緣子串并聯(lián)，在工頻過電壓和操作過電壓下不動(dòng)作，在雷擊過電壓下串聯(lián)間隙擊穿，通過避雷器泄放雷電能量，限制絕緣子兩端過電壓。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，帶純空氣間隙的線路避雷器的應(yīng)用，能夠有效降低輸電線路的雷擊跳閘率[6-10]。

但是，在線路避雷器的使用中日益暴露出一些問題，比如說線路避雷器保護(hù)范圍沒有量化，本基塔的易繞擊相（例如A相）安裝避雷器后臨近桿塔的易繞擊相（同樣也是A相）是否也需要安裝；再比如線路避雷器正常發(fā)揮防治繞擊雷害對(duì)于桿塔接地電阻沒有具體要求，尤其是高土壤電阻率地區(qū)的易繞擊段桿塔接地電阻治理困難，較高的桿塔接地電阻對(duì)線路避雷器防雷性能影響沒有量化。上述問題事關(guān)線路避雷器防雷性能，不解決好直接影響避雷器防雷效果[11-13]。

為了對(duì)避雷器防雷性能進(jìn)行定量分析，筆者使用電磁暫態(tài)計(jì)算軟件ATP-EMTP建立220 kV輸電線路雷擊電磁暫態(tài)分析模型，分別對(duì)線路避雷器的有效保護(hù)范圍、線路避雷器繞擊雷害治理與桿塔接地電阻要求等問題進(jìn)行分析。

1 基于ATP-EMTP的仿真模型

根據(jù)國(guó)內(nèi)大量關(guān)于雷電的實(shí)測(cè)，我國(guó)雷電波波頭時(shí)間大致在1-4 μs，平均在2.6 μs左右。因此本報(bào)告采用GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的2.6/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形進(jìn)行模擬。同時(shí)，通過對(duì)四川電網(wǎng)220 kV及500 kV輸電線路2012—2016年繞擊跳閘故障中的繞擊雷電流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得四川電網(wǎng)220 kV線路繞擊雷電幅值區(qū)間一般為15～40 kA。

取220 kV交流導(dǎo)線典型型號(hào)JL/G1A-400/50，地線型號(hào)JLB20-100，桿塔為同塔雙回直線塔220ZGT1-24，絕緣子串為14片U70BP/146-1絕緣子，串長(zhǎng)2.044 m，線路避雷器HY10CX-192/520，串聯(lián)空氣間隙920 mm。仿真模型中采用的雙回塔形狀及尺寸如圖1（a）所示，在ATP-EMTP中建立的桿塔多波阻抗模型如圖1（b）所示。

基于上述參數(shù)，建立220 kV輸電線路雷擊暫態(tài)電磁仿真模型。

圖1 220 kV桿塔及暫態(tài)模型Fig.1 220 kV tower and transient model

2 線路避雷器與繞擊高電位轉(zhuǎn)移

在使用線路避雷器進(jìn)行繞擊雷害防治時(shí)，雷擊輸電線路致使避雷器動(dòng)作，雷電能量部分通過避雷器經(jīng)桿塔入地泄放，但仍有部分雷電流沿導(dǎo)線傳播。雖然線路避雷器動(dòng)作繞擊點(diǎn)處的電壓得到限制，但是雷電波在傳播到臨近桿塔時(shí)電位將升高，仍有擊穿絕緣子串的可能，此即雷電繞擊高電位轉(zhuǎn)移[11-15]。

設(shè)桿塔接地電阻10 Ω，取20 kA和40 kA雷電流繞擊避雷器安裝點(diǎn)，雷擊相導(dǎo)線上的高電位分布分別如圖2和圖3所示。

避雷器動(dòng)作后，一方面避雷器殘壓沿著導(dǎo)線向兩側(cè)傳播，形成導(dǎo)線上過電壓的“動(dòng)作電壓傳播分量”。另外，導(dǎo)線上本身流過的小部分雷電流經(jīng)過導(dǎo)線波阻抗會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，這部分構(gòu)成導(dǎo)線上過電壓的“雷電流傳播分量”。由于線路避雷器帶有間隙，間隙擊穿時(shí)會(huì)形成陡峭的尖峰電壓，動(dòng)作電壓傳播分量呈現(xiàn)為相應(yīng)的陡峭尖峰形式，雷電流傳播分量則呈現(xiàn)為雷電流的波形特征，上述兩個(gè)分量共同構(gòu)成了導(dǎo)線上過電壓波形的特征。

當(dāng)繞擊雷電流不是很大時(shí)（20 kA），導(dǎo)線上的殘余雷電流很小，導(dǎo)線上的過電壓以“殘壓傳播分量”為主，避雷器動(dòng)作后的殘壓會(huì)沿著導(dǎo)線往兩側(cè)傳播，隨著傳播距離增加，過電壓幅值逐漸下降，導(dǎo)線上各點(diǎn)電位以雷擊點(diǎn)最高。但是，當(dāng)繞擊雷電流很大時(shí)（40 kA），避雷器動(dòng)作后，還有很大的雷電流流過導(dǎo)線，“雷電流傳播分量”甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于殘壓分量，這使得相鄰線路的過電壓水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出雷擊點(diǎn)殘壓水平，對(duì)相鄰桿塔的絕緣造成威脅。

圖2 20 kA雷電繞擊避雷器安裝桿塔后避雷器動(dòng)作情況及沿線電位分布Fig.2 20 kA lightning arrester’s action condition and potential distribution along the line after installation of tower

圖3 40 kA雷電繞擊避雷器安裝桿塔后避雷器動(dòng)作情況及沿線電位分布Fig.3 40 kA lightning arrester’s action condition and potential distribution along the line after installation of tower

因此，線路避雷器對(duì)于本基桿塔的電位鉗制作用是明顯的，但是當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)離開避雷器安裝點(diǎn)一定距離時(shí)，電位抬升，如果繞擊電流較大則仍有可能擊穿絕緣子串。

3 線路避雷器保護(hù)范圍及影響因素

從理論上進(jìn)行分析，影響避雷器動(dòng)作后繞擊高電位轉(zhuǎn)移的影響因素包括雷擊點(diǎn)桿塔接地電阻、線路檔距和雷電流幅值，其中雷電流幅值和桿塔接地電阻直接影響導(dǎo)線上的雷電流分流大小，繞擊雷電流幅值越大，雷擊點(diǎn)桿塔接地電阻越大，則導(dǎo)線上雷電分流越多，相應(yīng)的雷電流傳播過電壓分量越高，越容易造成繞擊高電位轉(zhuǎn)移。路避雷器的保護(hù)范圍由上述三個(gè)因素共同作用決定，本節(jié)給出在雷擊點(diǎn)安裝避雷器的情況下，不同接地電阻、不同線路檔距、不同雷電流幅值下的相鄰桿塔的過電壓幅值及是否發(fā)生閃絡(luò)，定量給出線路避雷器的保護(hù)范圍。

考查雷擊點(diǎn)至相鄰桿塔檔距100～500 m，桿塔接地電阻10～60 Ω，繞擊雷電流20～40 kA，3個(gè)因素共同作用下相鄰桿塔處的電位及閃絡(luò)情況如表1、表2及表3所示。

表1 20 kA雷電流作用下的避雷器保護(hù)范圍（電位/是否閃絡(luò)）Table 1 Protection scope of arrester under 20 kA lightning current（voltage/flashover or not）

表2 30 kA雷電流作用下的避雷器保護(hù)范圍（電位/是否閃絡(luò)）Table 2 Protection scope of arrester under 30 kA lightning current（voltage/flashover or not）

計(jì)算結(jié)果表明，繞擊高電位轉(zhuǎn)移受繞擊雷電流、桿塔接地電阻及檔距決定，其中，繞擊雷電流大小最重要，其次是桿塔接地電阻，檔距的影響最小。當(dāng)繞擊雷電流在20 kA以下時(shí)不會(huì)發(fā)生繞擊高電位轉(zhuǎn)移；繞擊雷電流在30 kA時(shí)，接地電阻大于40 Ω且桿塔檔距小于500 m時(shí)相鄰桿塔將發(fā)生閃絡(luò)；繞擊雷電流達(dá)到40 kA時(shí)，絕大部分檔距和接地電阻下都會(huì)發(fā)生相鄰塔高電位閃絡(luò)，僅有接地電阻在20 Ω以下、且桿塔檔距在500 m以上，轉(zhuǎn)移高電位才未達(dá)到閃絡(luò)電壓。

4 繞擊高電位轉(zhuǎn)移的治理

治理相鄰桿塔繞擊高電位轉(zhuǎn)移引發(fā)的閃絡(luò)問題，最簡(jiǎn)單的方法就是在相鄰桿塔的閃絡(luò)相加裝一支避雷器進(jìn)行防護(hù)，并需考慮相鄰塔的下基塔會(huì)不會(huì)再次發(fā)生高電位轉(zhuǎn)移。

表3 40 kA雷電流作用下的避雷器保護(hù)范圍（電位/是否閃絡(luò)）Table 3 Protection scope of arrester under 40 kA lightning current（voltage/flashover or not）

為了驗(yàn)證連續(xù)多基安裝避雷器的對(duì)繞擊高電位的防治效果，取繞擊高電位轉(zhuǎn)移最嚴(yán)重的情況，即繞擊雷電流為40 kA，雷擊點(diǎn)桿塔接地電阻嚴(yán)重超標(biāo)（60 Ω），相鄰塔檔距最?。?00 m），相鄰塔的桿塔接地電阻同樣超標(biāo)達(dá)60 Ω。根據(jù)第3節(jié)的計(jì)算結(jié)果，相鄰塔將發(fā)生絕緣閃絡(luò)，在相鄰塔的對(duì)應(yīng)相加裝一支加裝避雷器進(jìn)行高電位轉(zhuǎn)移防護(hù)，雷擊點(diǎn)、相鄰塔及相鄰塔的下基塔位置的高電位分布如圖4所示。

圖4 連續(xù)多基安裝避雷器后，雷擊點(diǎn)、相鄰塔及相鄰塔的下基塔位置導(dǎo)線上的電位分布Fig.4 Potential distribution on lightning strike points，adjacent tower and the lower base tower conductor of adjacent tower，after the continuous multi base installation of the lightning arrester

可以看到，在相鄰塔的高電位閃絡(luò)相加裝一支避雷器后，最嚴(yán)重的情況下，相鄰塔的下基塔不再發(fā)生高電位轉(zhuǎn)移閃絡(luò)。因此，在易繞擊線路區(qū)段的兩端采用線路避雷器對(duì)繞擊高電位進(jìn)行防堵是可行且可靠的。

5 仿真結(jié)論

筆者使用電磁暫態(tài)計(jì)算軟件ATP-EMTP建立220 kV輸電線路雷擊電磁暫態(tài)分析模型，分別對(duì)線路避雷器的有效保護(hù)范圍與繞擊高電位轉(zhuǎn)移特性、線路避雷器繞擊雷害治理與桿塔接地電阻的配合關(guān)系等問題進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明。

1）繞擊高電位轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致本基桿塔遭受雷電繞擊且線路避雷器動(dòng)作后下基桿塔仍然發(fā)生跳閘的根本原因。

2）繞擊高電位轉(zhuǎn)移與雷電流幅值、桿塔接地電阻及檔距有關(guān)，利用避雷器進(jìn)行線路繞擊雷害治理，桿塔接地電阻整治應(yīng)基于防治繞擊高電位轉(zhuǎn)移確定。

3）對(duì)于易受大幅值雷電流繞擊線路段，需采用多基塔連續(xù)安裝線路避雷器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)繞擊雷害的完全封堵。

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