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        10 kV配電線路避雷器優(yōu)化布置研究

        2022-09-01 06:38:04許安玖廖文龍
        四川電力技術(shù) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:流幅閃絡(luò)避雷器

        雷 瀟,許安玖,劉 強,崔 濤,廖文龍

        (1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041;2.國網(wǎng)四川省電力公司廣元供電公司,四川 廣元 628000)

        0 引 言

        10 kV配電線路因絕緣強度較低而極易發(fā)生雷擊跳閘和設(shè)備損壞等故障[1-3]。部分多雷地區(qū)的10 kV配電線路雷擊跳閘比例超過50%[4-6]。而在雷擊故障中,由雷擊線路附近大地或構(gòu)筑物產(chǎn)生的雷電感應(yīng)過電壓造成的比例占90%以上[7]。因此,亟需開展雷電感應(yīng)過電壓抑制方法的研究,以大幅改進雷電防護性能。

        雷電感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生機理已較為明確,并由Agrawal、Chowdburi和Rusck等人提出了若干理論計算模型[8-10]。其中,Agrawal模型是一種以散射電壓表示的外界電磁場機理多導(dǎo)體傳輸線模型,在理論上較其他模型更合理,并且得到了試驗驗證。在此基礎(chǔ)上,國內(nèi)學(xué)者開展了模型改進完善工作,建立了雷電感應(yīng)過電壓的仿真計算基礎(chǔ)[11]。

        雷電感應(yīng)過電壓的特征與直擊過電壓有明顯的區(qū)別,文獻[12-13]對此開展了仿真分析,但沒有涉及避雷器等防雷措施對過電壓的抑制作用。文獻[14]開展了雷電過電壓閃絡(luò)率的研究,但忽略了多相閃絡(luò)問題。對于10 kV配電線路,通常為中性點不接地系統(tǒng)或諧振接地系統(tǒng),只有兩相或三相同時閃絡(luò)才會觸發(fā)保護跳閘。部分文獻[15-18]研究了避雷器安裝密度對雷電感應(yīng)過電壓閃絡(luò)率的影響,并提出了安裝密度優(yōu)化建議,但研究過程未考慮多相閃絡(luò)和分支線路的問題。文獻[11]提及了分支線路臺區(qū)避雷器對過電壓的影響,但沒有開展線路避雷器優(yōu)化配置的研究。實際上,配電線路拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜,潛在雷擊范圍廣,在計及經(jīng)濟投入和后期運維的情況下,必然面臨避雷器優(yōu)化配置的問題。

        針對雷電感應(yīng)過電壓造成的雷擊跳閘問題,下面以Agrawal模型為基礎(chǔ),在ATP/EMTP中建立了三相導(dǎo)線的雷電感應(yīng)過電壓仿真模型,開展了兩相閃絡(luò)概率和避雷器配置方式的研究。

        1 雷電感應(yīng)過電壓

        根據(jù)Agrawal模型[10],線路上的電壓U(x,t)為入射電壓Ui(x,t)和散射電壓Us(x,t)之和。入射電壓Ui(x,t)為雷電流在線路垂直方向上電場的積分,如式(1)所示。

        (1)

        式中:h為線路高度;Ez(x,y,z,t)為坐標(biāo)(x,y,z)處沿地面垂直方向的電場。散射電壓Us(x,t)是由雷電流i(x,t)切向電場分量所激發(fā)的,且受自身及鄰近導(dǎo)體電流影響的電壓分量,其多導(dǎo)體傳輸線電報方程如式(2)所示。

        (2)

        式中:R、L和C分別為多導(dǎo)體傳輸線單位長度的電阻矩陣、電感矩陣和電容矩陣;Ex(x,y,z,t)為雷電流在沿導(dǎo)線方向上產(chǎn)生的電場。

        由上述公式可以推導(dǎo)出,導(dǎo)線上的過電壓不僅取決于雷電流在其水平和垂直方向上的電場強度,同時也受到自身及鄰近導(dǎo)線上瞬時電流的影響。文獻[16]研究發(fā)現(xiàn)架空地線對雷電感應(yīng)過電壓有較明顯的抑制作用,即驗證了鄰近接地導(dǎo)體上流過的瞬時電流對散射電壓的改變。進一步可知,當(dāng)一相導(dǎo)體絕緣閃絡(luò)后,勢必會對其他兩相導(dǎo)體上的感應(yīng)過電壓產(chǎn)生影響,而這一機制與雷電直擊造成多相同時跳閘明顯不同。同時,一相導(dǎo)線的雷電流經(jīng)桿塔入地后,橫擔(dān)電位抬升,也會改變另兩相絕緣子上承受的電壓。因此,可通過Agrawal模型對10 kV配電線路多相閃絡(luò)的現(xiàn)象進行分析。

        2 仿真建模

        文獻[12-13]結(jié)合Agrawal模型和雷電流Heidler模型和Bergeron模型,在ATP/EMTP中建立了單相導(dǎo)線雷電感應(yīng)過電壓計算模塊。在其基礎(chǔ)上建立了三相導(dǎo)線的計算模塊,如圖1所示。模塊兩邊的RL線路模型中只包含R分量,用于表征導(dǎo)線波阻抗及互阻抗。該計算模塊只能監(jiān)測線路兩端的電壓,如要觀測線路任意點電壓則需級聯(lián)多個計算模塊。大地電導(dǎo)率為0.01 S/m。

        圖1 感應(yīng)過電壓計算模塊

        雷電流波前時間為2.6 μs,半波時間為50 μs。雷電流幅值和位置可根據(jù)計算需要進行調(diào)節(jié)。10 kV線路平均高度一般不超過10 m,在城鄉(xiāng)居民區(qū)、山地和丘陵地區(qū)的引雷作用不強,一般認為線路附近65 m以內(nèi)為直擊。然而,當(dāng)線路附近65 m內(nèi)有微波塔、輸電線路桿塔等引雷構(gòu)筑物時,由于線路被屏蔽,雷擊點與線路的最短水平距離可能不超過50 m。這里將雷擊點距離設(shè)置為50 m,以體現(xiàn)雷電感應(yīng)過電壓計算的最嚴苛情況。通過仿真計算可獲取不發(fā)生兩相閃絡(luò)的最大可承受雷電流,結(jié)合雷電流幅值概率分布即可評估其雷電感應(yīng)過電壓承受能力。中國多雷地區(qū)的雷電流幅值概率函數(shù)如式(3)所示。

        (3)

        式中:I為雷電流幅值的變量;i0為給定的雷電流幅值;P(I≥i0)為雷電流幅值超過i0的概率。

        研究主要考慮配電線路在無分支處和有分支處的兩種基本結(jié)構(gòu)。對于無分支處,可以長直線路為計算對象。為了防止線路末端的反射影響,將線路總長設(shè)置為11 km,雷電點發(fā)生在線路中點附近,并將線路兩端經(jīng)與導(dǎo)線波阻抗等值的電阻接地。對于分支線路,在長直線路的中點處垂直引出支線,長度為5.5 km,終端經(jīng)與導(dǎo)線波阻抗等值的電阻接地。

        10 kV桿塔為典型的三角形塔頭布置,中相線路高為11 m,邊相線路高為10 m,相間水平距離為1 m。桿塔采用8 μH的電感模擬,接地電阻取10 Ω。絕緣子簡化為常開的理想開關(guān),當(dāng)電壓超過絕緣子50%閃絡(luò)電壓時閉合。10 kV避雷器采用文獻[17]給出的伏安特性。典型的桿塔節(jié)點處模型如圖2所示。

        圖2 桿塔節(jié)點模型

        為了驗證模型的有效性,對文獻[11]的算例進行仿真。雷電流為30 kA,落雷點距離線路中相為50 m,到兩端線路距離相等。各觀測點至落雷最近位置的水平距離為0、250 m、750 m和1500 m。仿真結(jié)果如圖3所示,與原文基本一致。

        圖3 文獻[11]參數(shù)下的仿真結(jié)果

        3 感應(yīng)雷過電壓跳閘概率

        3.1 無分支處

        在雷電流幅值較小時,雷電感應(yīng)過電壓小于絕緣子閃絡(luò)電壓,不會造成絕緣閃絡(luò)。雷電流幅值增大到一定值會造成單相絕緣子閃絡(luò),但不能造成兩相閃絡(luò)。雷電流幅值繼續(xù)增大將會造成兩相閃絡(luò),形成兩相短路導(dǎo)致跳閘。

        當(dāng)落雷點在線路附近50 m處時,各種絕緣強度下的跳閘概率如表1所示。所需最小雷電流幅值均隨絕緣子50%閃絡(luò)電壓的增大而呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律。對于目前應(yīng)用最廣的絕緣配置,絕緣子50%閃絡(luò)電壓接近200 kV,其兩相閃絡(luò)所需雷電流為51.9 kA,發(fā)生概率為25.7%。

        表1 不同絕緣強度下的跳閘概率

        3.2 有分支處

        分支處距離線路50 m的可能落雷點位置如圖4所示。過電壓幅值最高的位置如表2所示。可見,當(dāng)落雷點為3,即雷擊發(fā)生在干線和支線交叉處50 m時,線路過電壓幅值最高,最易發(fā)生閃絡(luò)。為更好地防治雷電感應(yīng)過電壓,應(yīng)針對該落雷點進行研究。

        圖4 分支處的落雷位置

        表2 不同雷擊位置對應(yīng)的最大過電壓位置

        當(dāng)落雷點為3時,各種絕緣強度下的閃絡(luò)概率如表3所示,所需最小雷電流幅值均隨絕緣子50%閃絡(luò)電壓的增大而呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律。與無分支的情況相比,閃絡(luò)明顯更易發(fā)生。如絕緣子50%閃絡(luò)電壓為200 kV時,跳閘所需雷電流幅值為28 kA,僅為無分支情況的0.54倍。這是雷擊同時在主線和分支線感應(yīng)出極性相同的過電壓所致。

        表3 不同絕緣強度下的閃絡(luò)概率

        4 避雷器配置方式

        4.1 無分支處

        主要對比研究6種避雷器配置方式下的防雷效果。6種配置方式分別如圖5所示。配置方式1、3、5是在一基桿塔上同時安裝三相避雷器,安裝間隔距離分別為150 m、300 m和450 m;配置方式2、4、6是在不同桿塔的各相上分散安裝避雷器,安裝桿塔間隔距離分別為50 m、100 m和150 m。配置方式1和方式2、方式3和方式4、方式5和方式6的安裝密度分別相同。

        圖5 無分支情況下避雷器配置方式

        對于每種配置方式,兩相閃絡(luò)所需雷電流幅值與雷擊位置密切相關(guān)。這里選擇雷擊點在線路附近50 m處,以最嚴苛情況進行比較。各配置方式下兩相閃絡(luò)所需雷電流幅值見表4所示。在相同配置密度下,各相避雷器分散布置方式的防雷效果更好。如絕緣子50%閃絡(luò)電壓為200 kV時,配置方式3兩相閃絡(luò)需雷電流77 kA,而方式4需雷電流93 kA。為更清晰地反映三相集中配置和分散配置的防雷效果,計算了兩相閃絡(luò)概率,如圖6所示。

        表4 無分支情況下兩相閃絡(luò)所需雷電流幅值

        圖6 各配置方式下兩相閃絡(luò)概率

        避雷器動作后,一方面降低了本相導(dǎo)線在相鄰桿塔的過電壓;另一方面也降低了本基桿塔其他兩相絕緣子承受的過電壓。對于三相避雷器集中布置于一基桿塔的情況,若雷擊點距避雷器安裝桿塔較遠,避雷器對雷擊點附近三相導(dǎo)線的過電壓限制能力弱。而對于分散安裝的情況,雷擊點附近且離避雷器最遠的相導(dǎo)線首先閃絡(luò),而此時其他兩相的過電壓又受近距離避雷器的限制,因此兩相閃絡(luò)的難度更高。

        4.2 有分支處

        無避雷器時,分支處的兩相閃絡(luò)概率比無分支情況高,分支處為絕緣薄弱點。以干線和支線均按照第4.1節(jié)中配置方式4為例進行研究,各相避雷器分散安裝在不同桿塔上,安裝桿塔間隔距離為100 m。選擇雷擊點在干線和支線交叉處50 m處,此時過電壓幅值最高。由第2.2節(jié)可知,離雷擊點最近的干線和支線處過電壓最高,因此避雷器配置的典型方式可有兩種,即雷擊點最近處桿塔有避雷器和無避雷器,如圖7所示。

        圖7 有分支情況下避雷器配置方式

        將上述兩種方式和無分支情況下兩相閃絡(luò)所需雷電流進行對比,如表5所示。離雷擊點最近的干線和支線桿塔處安裝有避雷器時,兩相閃絡(luò)所需雷電流最高。在實際改造中,干線和支線按照各相分散配置后,方式7和方式8會隨機出現(xiàn)。對于方式8則應(yīng)在距離分支處最近的干線、支線桿塔上增加避雷器。

        表5 有分支情況下兩相閃絡(luò)所需雷電流幅值

        5 結(jié) 論

        上面研究了10 kV配電線路避雷器配置方式,得出如下結(jié)論:

        1)雷電感應(yīng)過電壓閃絡(luò)所需雷電流幅值隨絕緣強度的提升而線性增加。在相同雷擊距離下,分支桿塔的閃絡(luò)概率明顯高于普通桿塔。

        2)對于雷電感應(yīng)過電壓的防治,三相避雷器分散布置的防治效果優(yōu)于集中布置。對于分支處,應(yīng)在最近的干線和支線桿塔上安裝避雷器。

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