李建偉,劉榮杰,董云飛,崔 榮,張 虎,李 旭

(陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)電力有限公司,陜西 咸陽(yáng) 713602)

0 引言

煤炭是世界上儲(chǔ)量最多、分布最廣的化石能源,廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電力、化工等工業(yè)生產(chǎn)及居民生活領(lǐng)域[1]。煤炭資源的開(kāi)采離不開(kāi)與之相配套的供配電網(wǎng)絡(luò),但供配電網(wǎng)絡(luò)分布廣泛,所處地形地貌復(fù)雜多變,面臨不同海拔氣候環(huán)境特征,極易遭受雷擊危害[2-3]。在實(shí)際生活中,為提高供配電網(wǎng)絡(luò)的耐雷水平,通常全線架設(shè)避雷線[4],但避雷線可能會(huì)使引雷作用加強(qiáng)而更易發(fā)生雷電反擊事故[2,5]。其次,由于礦區(qū)供配電網(wǎng)絡(luò)多架設(shè)在地勢(shì)較高的山區(qū),雷電更易繞過(guò)避雷線直擊導(dǎo)線,在線路上產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)電壓[6]。羅曉軍[7]分析了雷擊避雷線時(shí)桿塔塔頂、導(dǎo)線以及絕緣子串上的過(guò)電壓;劉強(qiáng)等[8]以35 kV電纜和架空混連線路為研究對(duì)象,利用ATP-EMTP對(duì)線路的反擊耐雷水平進(jìn)行計(jì)算分析,為防雷設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。劉軍豹等[9]通過(guò)ATP-EMTP軟件分析35 kV線路的雷電繞擊特性,給出最優(yōu)的35 kV變壓器雷電侵入波治理方案。以上研究均說(shuō)明在目前的山區(qū)供配電網(wǎng)絡(luò)中,僅架設(shè)避雷線已不能完全滿足線路的防雷需求。結(jié)合彬長(zhǎng)礦業(yè)口木線35 kV線路,在ATP-EMTP中搭建仿真模型,對(duì)口木線的雷電過(guò)電壓及線路避雷器的效果進(jìn)行研究,為口木線防雷方案的制定提供依據(jù)。

1 彬長(zhǎng)礦業(yè)口木線現(xiàn)狀及雷擊事故

彬長(zhǎng)礦區(qū)的供電電源均引自彬州、長(zhǎng)武地區(qū)的電網(wǎng)系統(tǒng),其中大佛寺煤礦工業(yè)場(chǎng)地建有1# 35/10 kV變電站1座,變電站安裝容量為2×20 000 kVA;大佛寺煤礦風(fēng)井場(chǎng)地建有2# 35/10 kV變電站一座,該變電站安裝容量為2×12 500 kVA。文中所研究的35 kV口木線線路采用電纜與架空線路相結(jié)合的單回路架設(shè)方式,線路位于山區(qū),共架設(shè)34級(jí)鐵塔。從110 kV亭口變北側(cè)35 kV第一個(gè)間隔采用200 m直埋電纜出線,經(jīng)11.295 km架空線路后接入木盤(pán)川35 kV變電站,線路全長(zhǎng)11.495 km。亭口變2臺(tái)變壓器容量分別為31.5 MVA和50.0 MVA;木盤(pán)川35 kV變電站安裝容量為3×12 500 kVA。

2021年9月19日,木盤(pán)川35 kV變電站3527口木線開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘,同時(shí)上級(jí)變電站3527口木開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作跳閘重合閘成功。后經(jīng)對(duì)3527口木線及變電站設(shè)備巡查發(fā)現(xiàn)木盤(pán)川35 kV變電站側(cè)B相避雷器計(jì)數(shù)器動(dòng)作,變電站35 kV 2#電壓互感器B相熔斷器故障。2021年10月3日木盤(pán)川35 kV變電站3527口木線開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘,同時(shí)上級(jí)變電站3527口木開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作跳閘重合閘不成功。對(duì)木盤(pán)川站3527口木開(kāi)關(guān)柜內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)器進(jìn)行試驗(yàn)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)器A相、C相被擊穿。上述事故均發(fā)生在雷雨天氣,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析,造成事故的原因可能是雷擊線路引起的過(guò)電壓。目前該地區(qū)配電網(wǎng)架空線防雷方式較為單一,效果不夠理想,因此需對(duì)該區(qū)域輸電線路的防雷性能進(jìn)行綜合分析,根據(jù)實(shí)際情況制定系統(tǒng)性防雷治理方案。

2 口木線雷電過(guò)電壓仿真模型的建立

2.1 雷電流及其參數(shù)

目前常用的雷電流模型有雙指數(shù)模型和Heidler模型[10],其中Heidler模型所表現(xiàn)的雷電流隨時(shí)間變化的規(guī)律更符合實(shí)際規(guī)律,因此,選擇Heidler模型作為雷電流模型,其表達(dá)式為

(1)

(2)

式中,I0為雷電流幅值;η為電流的修正系數(shù);n為電流陡度因子,取n=2;τ1,τ2分別為電流波形的波頭時(shí)間常數(shù)和波尾時(shí)間常數(shù),分別取值2.6 μs、50 μs。其中雷電通道波阻抗則取為300 Ω。

2.2 架空線路模型及參數(shù)

在ATP-EMTP中有線路參數(shù)計(jì)算程序,該模塊可以根據(jù)桿塔的結(jié)構(gòu)和線路幾何參數(shù)模擬出集中參數(shù)模型、分布參數(shù)模型和頻率相關(guān)的線路模型。35 kV口木線型號(hào)采用LGJ-300/40,線路全長(zhǎng)11.295 km,導(dǎo)線內(nèi)徑和外徑分別為8.16 mm和23.94 mm,直流電阻為0.09614 Ω/km。避雷線選用1根24芯OPGW復(fù)合地線,外徑為10.80 mm,直流電阻為1.408 Ω/km,各參數(shù)在ATP-EMTP中的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 架空線路參數(shù)設(shè)置

2.3 桿塔模型及參數(shù)

35 kV口木線全線采用單回路架設(shè)方式,桿塔為35 kV B08系列單回路自立式鐵塔。目前常用的桿塔模型有集中電感模型、單一波阻抗模型以及多波阻抗模型[11]。其中多波阻抗模型根據(jù)垂直導(dǎo)體的不同位置處其波阻抗不同的原理將桿塔進(jìn)行分段處理,模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確。使用多波阻抗模型對(duì)桿塔進(jìn)行建模時(shí),桿塔主體部分的波阻抗ZTk通過(guò)下式計(jì)算

(3)

式中,rek可通過(guò)下式計(jì)算

(4)

桿塔橫擔(dān)的波阻抗為

(5)

式中,hk為桿塔第k部分橫擔(dān)的對(duì)地高度;rAk為桿塔第k部分橫擔(dān)的等效半徑,橫擔(dān)等效半徑rAk可以取與桿塔主體節(jié)點(diǎn)連接處橫擔(dān)寬度的1/4。

以35B08-Z2型桿塔為例,其多波阻抗模型如圖1所示。

圖1 35B08-Z2型桿塔多波阻抗模型

該線路采用FXBW4-35/100型絕緣子串,沖擊閃絡(luò)電壓為230 kV。

3 口木線雷電過(guò)電壓計(jì)算分析

3.1 反擊過(guò)電壓

雷擊塔頂時(shí),雷電流沿著桿塔向下傳播,此時(shí)塔頂電位升高,可能使絕緣子串發(fā)生閃絡(luò),引起雷電反擊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察,3#、5#、11#、14#、17#、18#、20#、26#、27#、32#以及33#桿塔易遭受雷擊,故在ATP-EMTP中對(duì)雷擊此11個(gè)桿塔時(shí)的雷電過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算,仿真模型如圖2所示,各桿塔耐雷水平、雷擊點(diǎn)及相鄰兩級(jí)桿塔上的雷電過(guò)電壓幅值見(jiàn)表2。

圖2 雷電反擊局部仿真計(jì)算模型

表2 雷電反擊過(guò)電壓

從計(jì)算結(jié)果可以看出,雷電反擊時(shí)桿塔的耐雷水平各不相同,這是由于各桿塔類(lèi)型、弧垂高度以及接地電阻不同。以雷電反擊5#桿塔為例,5#桿塔耐雷水平為16 kA,當(dāng)雷電流幅值為16 kA時(shí),B相絕緣子串閃絡(luò),B相線路雷電過(guò)電壓出現(xiàn)最大值483.95 kV,約為正常運(yùn)行時(shí)的14.73倍。其余兩相絕緣子串雖未發(fā)生閃絡(luò),但線路上出現(xiàn)了高達(dá)224.49 kV的雷電過(guò)電壓。

3.2 繞擊過(guò)電壓

35 kV口木線雖全線架設(shè)避雷線,但其桿塔所處位置較高,雷電易繞開(kāi)避雷線直擊導(dǎo)線發(fā)生繞擊。由于線路兩端變電站配有進(jìn)線端保護(hù),在此范圍內(nèi)發(fā)生雷擊事故的概率較小,因此以雷電繞擊4#、31#桿塔為例計(jì)算線路繞擊過(guò)電壓,仿真計(jì)算模型如圖3所示,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 雷電繞擊局部仿真計(jì)算模型

表3 雷電繞擊過(guò)電壓

從計(jì)算結(jié)果可以看出,雷電繞擊時(shí)的耐雷水平遠(yuǎn)低于反擊時(shí)的耐雷水平。以雷電繞擊4#桿塔為例,其耐雷水平僅為2.65 kA。當(dāng)雷電流幅值為2.65 kA時(shí),線路雷電過(guò)電壓最大值為353.84 kV,約為正常運(yùn)行時(shí)的10.77倍。其余兩相絕緣子串未發(fā)生閃絡(luò),但線路上仍出現(xiàn)了高達(dá)78.08 kV的雷電過(guò)電壓。

4 線路避雷器對(duì)過(guò)電壓抑制效果分析

避雷器是變電站內(nèi)及輸電線路上最主要的過(guò)電壓抑制設(shè)備,通常由主要成分為氧化鋅的非線性電阻閥片制成[12],非線性電阻有利于雷電流的釋放,可以達(dá)到限制感應(yīng)過(guò)電壓的目的。主要原理為:當(dāng)電纜線路為正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),非線性電阻呈現(xiàn)高阻值狀態(tài),限制工頻電流的流入;當(dāng)電纜線路遭受雷電過(guò)電壓沖擊時(shí),非線性電阻呈現(xiàn)低阻值狀態(tài),利于雷電流的釋放。

由分析結(jié)果可知,無(wú)論雷電反擊還是雷電繞擊,都會(huì)在線路上產(chǎn)生幅值較高的雷電過(guò)電壓,故必須在線路上加裝避雷器。主要分析加裝避雷器對(duì)線路雷電過(guò)電壓的抑制效果。以雷電反擊5#桿塔和繞擊4#桿塔為例,加裝線路避雷器前后相同雷電流幅值下的線路過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 加裝避雷器前后線路雷電過(guò)電壓

從計(jì)算結(jié)果可以看出,加裝線路避雷器后,無(wú)論是反擊5#桿塔或是繞擊4#桿塔,絕緣子均不再發(fā)生閃絡(luò),兩側(cè)電壓被鉗制在線路避雷線殘壓以?xún)?nèi),耐雷水平得到提高,線路上各點(diǎn)的雷電過(guò)電壓都得到了有效抑制。

雷電反擊時(shí),對(duì)于相同的雷電流幅值,加裝線路避雷器前后情況下,線路兩端變壓器上的過(guò)電壓波形如圖4和圖5所示。可以看出,加裝避雷器后,線路兩端變壓器上的雷電過(guò)電壓都得到了有效抑制,其中,線路首端變壓器過(guò)電壓由130.27 kV下降為24.88 kV;線路末端變壓器過(guò)電壓由125.59 kV下降為58.99 kV。

圖4 首端變壓器波形

圖5 末端變壓器波形

5 結(jié)論

(1)未加裝線路避雷器時(shí),雷電反擊和繞擊都在線路上產(chǎn)生幅值較高的雷電過(guò)電壓,危害線路的安全正常運(yùn)行。

(2)加裝線路避雷器后,相同雷電流幅值下,絕緣子串兩側(cè)電壓被限制在避雷器殘壓以下,將不再發(fā)生閃絡(luò),耐雷水平提高,線路上的雷電過(guò)電壓也得到有效抑制。

(3)加裝線路避雷器極大地降低線路首末兩端變壓器上的雷電過(guò)電壓,有利于保護(hù)變壓器絕緣。