徐建鐵，郭 潔，徐 迪，魏 琪，劉 行

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

以典型的750 kV輸變電系統(tǒng)為例，利用EMTP計算程序建立了仿真計算模型，對電站避雷器配置、避雷器電氣性能參數(shù)、雷電侵入方式、雷電波形、雷擊位置[1-2]等多個可能影響避雷器放電電流波形特性的因素進行了計算研究。

1 系統(tǒng)計算模型

1.1 系統(tǒng)模型參數(shù)

本文選用的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)電氣接線見圖1。雷電由不同路徑侵入電站B。

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

選用750 kV輸電系統(tǒng)同塔雙回SZC2直線塔，由于這種桿塔塔身高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雷電波作用下波過程明顯，因此采用分布參數(shù)的多波阻抗模型[3-7]。

1.1.2 工頻運行電壓

由于750 kV系統(tǒng)工頻運行電壓幅值高，對雷擊時流過避雷器的最大電流幅值和吸收能量影響較大，因此計算模型考慮了工頻運行電壓的影響[8-9]。

工頻運行電壓相位按照線路絕緣最容易閃絡(luò)來選取，當(dāng)雷擊塔頂時，雷擊點工頻運行電壓相位處于與雷電反極性峰值；雷電繞擊時，雷擊點工頻運行電壓相位處于與雷電同極性峰值。

1.1.3 避雷器模型

依據(jù)配置的750 kV避雷器特性參數(shù)，避雷器采用非線性電阻和并聯(lián)電容模型來模擬，集中等值電容C為43.54 pF，見圖2；避雷器本體伏安特性曲線見圖3。

圖2 避雷器模型Fig.2 The model of MOA

圖3 避雷器本體U-A特性曲線Fig.3 The U-A characteristic curve of MOA body

1.2 雷電流模型

研究表明，雷道波阻抗與主放電通道雷電流有關(guān)，且隨著雷電流峰值的增大而減小。雷電通道波阻抗Z0與雷電流幅值的關(guān)系曲線[10]見圖4。

圖4 雷電流源等值電路和雷電通道波阻抗Fig.4 Lightning current source equivalent circuit and lightning channel impedance

當(dāng)I＜10 kA時，Z0約為幾千歐；當(dāng)I在10～30 kA時，Z0為 2100～700 Ω；當(dāng)I在 30～100 kA 時，Z0為700～300 Ω。當(dāng)I＞100 kA時，Z0穩(wěn)定于300 Ω附近。

根據(jù)迄今為止國內(nèi)外雷電研究者多年觀測獲得的雷電波統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選定了5種有代表性的雷電侵入波波形，即1/20 μs、1/100 μs、2.6/50 μs、5/20 μs、5/100 μs。

依據(jù)GB 50064—2012，建議范圍Ⅱ架空線路大跨越檔在雷電過電壓下安全運行年數(shù)不宜低于50年，計算獲得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[11]（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算獲得的線路最大繞擊電流峰值為55 kA[12]，對應(yīng)的雷電通道波阻抗為586 Ω；以實際線路絕緣臨界閃絡(luò)為判據(jù)，計算獲得線路在5種典型雷電波形下繞擊耐雷水平和雷電通道波阻抗見表1。

2 影響避雷器放電電流特性的主要因素分析

實際750 kV系統(tǒng)中，線路側(cè)避雷器可選取兩種型號：Y20W-600/1380 和Y20W-648/1491；電站側(cè)避雷器型號為Y20W-600/1380。

表1 繞擊耐雷水平和雷電通道波阻抗Table 1 Lightning impulse withstand level and wave impedance

為了深入研究流過避雷器波形的影響因素，首先確定了電站避雷器可能的配置方式。

方式1：配置的線路側(cè)和電站側(cè)避雷器型號均為Y20W-600/1380；線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝位置分別相距5 m、10 m；桿塔沖擊接地電阻分別為7 Ω、10 Ω。

方式2：配置的電站側(cè)避雷器型號為Y20W-600/1380，配置的線路側(cè)避雷器型號為Y20W-648/1491；線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝位置分別相距5 m、10 m；桿塔沖擊接地電阻分別為7 Ω、10Ω。

對于750 kV超高壓系統(tǒng)，構(gòu)成威脅的雷電侵入方式主要有：雷擊塔頂反擊相導(dǎo)線和雷電繞擊相導(dǎo)線兩種。雷擊位置以雷擊電站近區(qū)更為苛刻。

2.1 雷電侵入波波形的影響

雷電侵入波波形對流過MOA的放電電流波形影響的仿真計算結(jié)果見圖5。

圖5 不同雷電侵入波波形下流過MOA的放電電流波形Fig.5 Discharge current waveforms of MOA under different lightning intrusion wave

2.2 避雷器配置方式的影響

配置的避雷器電氣性能參數(shù)對流過避雷器的放電電流波形影響的仿真計算結(jié)果見圖6。

圖6 不同避雷器電氣性能參數(shù)時流過MOA的放電電流波形Fig.6 Different arrester electrical performance parameters flows through the MOA discharge current waveform

2.3 雷擊點位置的影響

雷擊點位置對流過MOA的放電電流波形影響的仿真計算結(jié)果見圖7。

圖7 不同雷擊點時流過MOA的放電電流波形Fig.7 Discharge current waveform of MOA at different lightning stroke points

2.4 線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距的影響

線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距對流過MOA的放電電流波形影響的仿真計算結(jié)果見圖8。

圖8 不同避雷器間距時流過MOA的放電電流波形Fig.8 Discharge current waveforms of MOA at different arrester spacing

2.5 桿塔沖擊接地電阻的影響

桿塔沖擊接地電阻對流過MOA的放電電流波形影響的仿真計算結(jié)果見圖9。

圖9 不同桿塔沖擊接地電阻時流過MOA的放電電流波形Fig.9 Different tower impulse grounding resistance flows through the MOA discharge current waveform

3 結(jié)論

通過以上仿真計算分析，可以得出影響MOA放電電流波形差異性的因素如下：

1）雷電侵入波波形：流過MOA電流的波頭時間隨著侵入波波頭的減小而變短；流過MOA電流的最大電流峰值隨著雷電侵入波頭的減小而增大。

2）避雷器配置方式：相同侵入波下，線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器參數(shù)配置相同時，流過MOA電流的波頭時間長于兩臺避雷器參數(shù)配置不同時；流過MOA電流的最大電流峰值大于兩臺避雷器參數(shù)配置不同時。

3）雷擊點位置：流過MOA的雷電流波頭時間隨著落雷點距變電站距離的變近而變短和陡化；流過MOA電流的最大電流峰值也隨之增大。

4）線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距：在雷擊點位置、侵入波波形相同時，線路側(cè)避雷器與電站側(cè)避雷器安裝間距越小，流過MOA電流的波頭時間越長，流過MOA電流的最大電流峰值越小；兩臺避雷器配置參數(shù)相同時，兩者布置間距越小，雷電負(fù)荷差異越小，電站側(cè)MOA波頭時間略長、峰值略??；兩臺避雷器配置參數(shù)不同時，兩者布置間距越小，雷電負(fù)荷差異越大，電站側(cè)MOA波頭時間更長、峰值更大。

5）桿塔沖擊接地電阻：當(dāng)雷擊塔頂反擊相導(dǎo)線時，桿塔沖擊接地電阻越小，流過MOA的電流波頭時間越長，流過MOA的最大電流峰值也越小。雷電繞擊相導(dǎo)線導(dǎo)致線路絕緣閃絡(luò)時，桿塔沖擊接地電阻對流過MOA的放電電流波形的影響很小。