劉守豹，侯玉成，盛明珺，方 圓，童 理，韋昌偉

(大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引 言

雷擊是輸電線路跳閘的主要原因[1-4]，線路避雷器是進(jìn)行架空輸電線路防雷治理的重要設(shè)備，由于其工作原理清楚、防雷效果可查、運(yùn)行維護(hù)簡單、可靠性較高，在線路防雷工作中被廣泛采用[5-8]。

當(dāng)雷擊輸電線路時(shí)，被保護(hù)絕緣子串和線路避雷器同時(shí)承受過電壓，理想情況下二者承受電壓相同，但線路避雷器動(dòng)作電壓低于絕緣子串擊穿電壓，因此線路避雷器起到保護(hù)絕緣子串的作用[9-10]。但實(shí)際運(yùn)行中，由于避雷器安裝方式不同，會(huì)出現(xiàn)雷擊下線路避雷器未動(dòng)作而絕緣子串閃絡(luò)的故障。500 kV線路避雷器由于長度較大，安裝方式與低電壓等級(jí)線路避雷器不同，存在安裝不當(dāng)導(dǎo)致保護(hù)失效的問題。

下面針對(duì)某已安裝線路避雷器的500 kV桿塔發(fā)生的雷擊跳閘故障，采用ATP-EMTP建立電磁暫態(tài)仿真分析模型，對(duì)雷電反擊情況下桿塔電位分布情況進(jìn)行計(jì)算，得出導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)而避雷器未動(dòng)作的原因，提出避免500 kV避雷器保護(hù)失效的改進(jìn)措施。

1 線路跳閘情況

某500 kV線路在雷雨天氣中發(fā)生跳閘，重合閘成功，兩側(cè)行波測(cè)距均顯示故障點(diǎn)位于該線路52號(hào)桿塔處，跳閘相位為A相(右相)，如圖1所示。通過查詢雷電定位系統(tǒng)顯示故障時(shí)刻該桿塔附近出現(xiàn)幅值為176 kA的雷電流，桿塔接地電阻為12 Ω，因此確認(rèn)此次跳閘為大幅值雷電流反擊導(dǎo)致。

圖1 故障桿塔全貌

從圖1可知，故障桿塔左右兩相均安裝有線路避雷器，由此可知線路避雷器在此次雷擊故障中并沒有發(fā)揮其防雷功效，出現(xiàn)了線路避雷器對(duì)線路雷擊防護(hù)失效的問題。

為了對(duì)此次500 kV線路避雷器保護(hù)失效進(jìn)行研究，將各電壓等級(jí)線路避雷器安裝方式進(jìn)行展示，見圖2。

從圖2可知，在電壓等級(jí)較低時(shí)，線路避雷器一般采用與絕緣子串并聯(lián)安裝的方式，見圖2(a)—圖2(b)，即避雷器的零電位點(diǎn)與絕緣子串的零電位點(diǎn)處于同一水平位置。隨著電壓等級(jí)升高，線路避雷器長度增加，安裝方式也隨之變化，避雷器的零電位點(diǎn)轉(zhuǎn)移至絕緣子串零電位點(diǎn)的下方，見圖2(c)—圖2(f)。

圖2 不同電壓等級(jí)線路避雷器安裝方式

對(duì)于工頻電壓而言，導(dǎo)體上傳播路徑十幾米甚至幾十米的差異不會(huì)造成明顯的電壓差異，而雷電行波的波頭時(shí)間是微秒級(jí)，零電位點(diǎn)較小的空間差異將造成巨大的電位差異。因此，對(duì)于500 kV及以上電壓等級(jí)線路避雷器，均存在因安裝原因?qū)е碌谋芾灼鞅Ｗo(hù)失效問題。

2 仿真模型介紹

以500 kV某線路52號(hào)桿塔為分析對(duì)象，在ATP-EMTP中建立對(duì)應(yīng)的桿塔多段波阻抗模型[11]，如圖3所示。為方便觀測(cè)雷電波傳播過程中在桿塔內(nèi)各部位的電壓波形，從上至下設(shè)置6個(gè)電壓觀測(cè)點(diǎn)，將桿塔塔身進(jìn)一步細(xì)分為長度相同的三段，其中將避雷器零電位點(diǎn)設(shè)置于觀測(cè)點(diǎn)4。

圖3 桿塔及其波阻抗模型

典型的500 kV線路避雷器安裝方式(也是52號(hào)桿塔線路避雷器安裝方式)如圖4所示，線路避雷器類型為YH20CX1-396/1050，其中避雷器的接地點(diǎn)為計(jì)數(shù)器安裝點(diǎn)。

圖4 典型500 kV線路避雷器安裝方式

建立仿真模型如圖5所示，其中雷電流由雙指數(shù)波模擬，波形為1.2/50 μs，絕緣子串干弧距離為4.3 m，線路避雷器復(fù)合支撐件干弧距離為1.5 m，對(duì)應(yīng)的伏秒特性曲線根據(jù)參考文獻(xiàn)[12-13]中的公式進(jìn)行模擬，其中避雷器伏秒特性曲線為復(fù)合支撐件干弧距離伏秒特性曲線與線路避雷器直流1 mA參考電壓(561 kV)相加[14-15]，線路避雷器和絕緣子串的伏秒特性曲線如圖6所示。

圖5 避雷器安裝方式有效性驗(yàn)證模型

圖6 絕緣子串及線路避雷器伏秒特性曲線

根據(jù)參考文獻(xiàn)[16-17]避雷器要有效保護(hù)絕緣子串，其沖擊放電電壓必須低于絕緣子沖擊放電電壓的85%。由圖7所示線路避雷器與絕緣子串的伏秒特性曲線之比，可知在沖擊電壓作用下，線路避雷動(dòng)作電壓最大也只有絕緣子串的65%，且當(dāng)波頭越陡時(shí)該型號(hào)的500 kV線路避雷器對(duì)絕緣子串的保護(hù)性能越好，即雷電波達(dá)到最大值的上升時(shí)間越短則一定是避雷器-復(fù)合支撐件先擊穿(避雷器動(dòng)作)。

圖7 線路避雷器伏秒特性曲線與絕緣子串伏秒特性曲線之比

3 避雷器防護(hù)有效性分析

在10 kA雷電流繞擊桿塔A相導(dǎo)線時(shí)，絕緣子串和線路避雷器兩端的電壓波形如圖8所示。

從圖8可知，繞擊情況下線路避雷器和絕緣子串承受的電壓波形幾乎沒有差別，由于線路避雷器動(dòng)作電壓低于絕緣子串沖擊放電電壓，所以線路避雷器將能夠有效防止絕緣子串繞擊閃絡(luò)。

圖8 繞擊情況下線路避雷器和絕緣子串承受的電壓波形

采用100 kA雷電波反擊塔頭(觀測(cè)點(diǎn)1)，得到各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)電壓波形如圖9所示。

從圖9可知：1)過電壓達(dá)到峰值的時(shí)間為0.3 μs，而雷電流達(dá)到峰值的時(shí)間為1.2 μs，雷電波從桿塔塔頂入地的傳播時(shí)間為0.14 μs，因此在接地電阻較小的情況下雷電反擊導(dǎo)致的過電壓最大幅值不是出現(xiàn)在雷電流的峰值；2)觀測(cè)點(diǎn)過電壓起始值從上至下依次過零，是雷電波在桿塔內(nèi)部傳播的體現(xiàn)；3)各觀測(cè)點(diǎn)電位從上至下依次遞減，反映了地電位對(duì)桿塔電位的鉗制作用。

圖9 反擊雷電作用下各觀測(cè)點(diǎn)電壓波形

在典型的500 kV線路避雷器安裝方式下，絕緣子串兩端電壓實(shí)際上是導(dǎo)線和觀測(cè)點(diǎn)2之間的電位差，線路避雷器兩端電壓實(shí)際上是導(dǎo)線和觀測(cè)點(diǎn)4之間的電位差，波形如圖10所示。其中線路避雷器和絕緣子串承受過電壓峰值的比值為0.54，即線路避雷器承受的最大電壓只有絕緣子串承受最大電壓的54%。對(duì)應(yīng)圖10中峰值出現(xiàn)時(shí)刻，線路避雷器雷擊放電電壓約為絕緣子串雷擊放電電壓的55%(見圖7)。因此，線路如果采用典型安裝方式，反擊雷電流作用下線路避雷器動(dòng)作概率和絕緣子串擊穿概率大致相同，線路避雷器將不能有效保護(hù)絕緣子串。

圖10 反擊情況下線路避雷器和絕緣子串承受的電壓波形

4 改進(jìn)的500 kV線路避雷器安裝方式

從第3章的分析可知，導(dǎo)致線路避雷器在雷電反擊情況下保護(hù)失效的原因是避雷器參考電位點(diǎn)(計(jì)數(shù)器安裝位置)與絕緣子串參考電位點(diǎn)(桿塔橫擔(dān))不同，為了保證反擊情況下線路避雷器對(duì)絕緣子串保護(hù)的有效性，提出了改進(jìn)的避雷器安裝方式，如圖11所示。

圖11 改進(jìn)的500 kV線路避雷器安裝方案

圖11中計(jì)數(shù)器至避雷器的銅絞線長度為16 m，100 kA雷電流反擊情況下線路避雷器和絕緣子串兩端電壓波形如圖12所示，從圖中可知改進(jìn)安裝方式后反擊條件下線路避雷器兩端承受電壓將與絕緣子兩端電壓基本相等，在大幅值雷電流反擊時(shí)線路避雷器一定能有效保護(hù)絕緣子串。

圖12 改進(jìn)安裝方式后反擊情況下線路避雷器和絕緣子串兩端電壓波形

5 結(jié) 論

1)對(duì)于500 kV及以上電壓等級(jí)線路避雷器，由于其長度較大，避雷器零電位點(diǎn)位于絕緣子串零電位點(diǎn)下方，容易造成大幅值雷電流反擊下的絕緣子串承受電壓低于線路避雷器承受電壓，出現(xiàn)避雷器保護(hù)失效問題。

2)對(duì)于已經(jīng)安裝的線路避雷器，可以采用將鋼絲拉繩更換為絕緣子，將零電位點(diǎn)上移至與被保護(hù)絕緣子串懸掛點(diǎn)同等水平高度的位置，使得反擊雷電流作用下線路避雷器承受電壓與絕緣子串基本相同。

3)所提方案是對(duì)500 kV線路避雷器防雷保護(hù)有效性的研究，對(duì)更高電壓等級(jí)線路避雷器，由于其安裝方式與500 kV線路避雷器類似，也可以采用與所提方案類似的方式對(duì)其進(jìn)行改造。