胡嘉宴,楊 鑫,湯 昕,王延夫

(1．長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410114;2.長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410131;3. 國(guó)網(wǎng)湘潭供電公司,湖南 湘潭 411100)

0 引言

我國(guó)的電力系統(tǒng)中,10 kV架空配電線路絕緣等級(jí)低、分布范圍廣、雷擊跳閘率高,全面提高10 kV架空配電線路的耐雷水平是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵[1-4]。

在10 kV架空線路中,主要雷擊形式是感應(yīng)雷過電壓,但在特殊地段也會(huì)發(fā)生雷擊桿塔橫擔(dān)和雷電直擊線路這兩種情況[5-9]。目前,在10 kV架空線路典設(shè)中,桿塔一般不做接地處理,且沒有架空地線對(duì)線路進(jìn)行保護(hù),雖然在在配電變壓器、負(fù)荷開關(guān)等設(shè)備處加裝高低壓側(cè)避雷器等加強(qiáng)防雷措施,但在特殊地形下的配電線路雷害多發(fā)地段,仍會(huì)出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)的情況。對(duì)10 kV架空線路一般采取增更換絕緣子型號(hào)以及加裝MOA等措施以提高配電線路的耐雷水平[10-14]。然而上述方法均存在一定的局限性,如存在增加工程投入資金、增加后期運(yùn)行維護(hù)工作量等問題。

在10 kV架空配電網(wǎng)中安裝并聯(lián)間隙是一種經(jīng)濟(jì)有效的防雷保護(hù)措施,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等特點(diǎn)[15-17]。并聯(lián)間隙放電電壓低于絕緣子的閃絡(luò)電壓,故在雷電過電壓的作用下,間隙先于絕緣子放電,引導(dǎo)雷電流流入大地,從而保護(hù)絕緣子不被擊穿,是一種效果投入比極高的疏導(dǎo)式防雷保護(hù)措施[18-20]。

目前針對(duì)并聯(lián)間隙在10 kV架空配電線路中的研究集中在并聯(lián)間隙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、間隙距離確定及保護(hù)范圍方面[21-23]。然而,大都采用在同一基桿塔上同一回線路的三相同時(shí)加裝并聯(lián)間隙。由于并聯(lián)間隙與絕緣子間存在伏秒特性配合,并聯(lián)間隙的放電電壓低于絕緣子,并聯(lián)間隙先于絕緣子放電,導(dǎo)致配電線路的耐雷水平降低,嚴(yán)重制約了并聯(lián)間隙在10 kV架空配電線路中的應(yīng)用實(shí)施。

針對(duì)同時(shí)三相安裝并聯(lián)間隙存在的問題,文獻(xiàn)[24-25]提出了10 kV架空線路中并聯(lián)間隙的單相同線安裝方式。該方式利用10 kV架空配電線路只有發(fā)生兩相及三相短路才會(huì)立即跳閘的保護(hù)機(jī)制,一相間隙放電,該相導(dǎo)線電位變?yōu)榈仉娢?由于相間的耦合效果,其余兩相過電壓也會(huì)下降,從而降低了相間過電壓的幅值,使10 kV架空配電線路耐雷水平得到了一定程度的提升。

根據(jù)前期研究結(jié)果[24-25],并聯(lián)間隙的單相同線安裝方式使單回10 kV架空線路在遭受感應(yīng)雷、雷擊桿塔橫擔(dān)2種過電壓下,相比于不加裝并聯(lián)間隙,耐雷水平均有較大提升。以10 kV架空裸導(dǎo)線路的典型配置為例,分別可最大提高84.3%、107.1%。

但上述研究中僅研究單相安裝并聯(lián)間隙在單回10 kV架空配電線路中的應(yīng)用方法,針對(duì)并聯(lián)間隙在多回線路中的應(yīng)用方法未涉及。由于單回線路中各相距離較近,一相間隙放電后對(duì)其余兩相耦合作用較強(qiáng)。而對(duì)于10 kV同塔多回線路,線路間的耦合方式更加復(fù)雜。針對(duì)10 kV同塔多回線路,并聯(lián)間隙的安裝部位、安裝數(shù)量及間隙放電電壓的設(shè)置方式多樣,組合方式較多,單相安裝的并聯(lián)間隙在同塔多回線路上應(yīng)用的難度遠(yuǎn)大于單回線路。

針對(duì)上述問題,筆者基于ATP-EMTP軟件,建立了雙回10 kV架空配電線路雷電過電壓模型,研究多回線路并聯(lián)間隙安裝的優(yōu)化方法。以雙回線路為實(shí)例,計(jì)算得到單相安裝并聯(lián)間隙在架空線路中的應(yīng)用方法。

1 10 kV架空線路雷電過電壓仿真模型

1.1 配電線路模型

考慮到線路參數(shù)受高頻雷電流影響的電磁暫態(tài)過程,10 kV架空配電線路選擇體現(xiàn)頻率特性的JMarti模型。線路具體參數(shù)及架設(shè)位置見表1,架空線路全長(zhǎng)10.72 km。

表1 線路參數(shù)

1.2 桿塔及接地電阻模型

對(duì)于小于30 m高度的桿塔,在防雷仿真計(jì)算過程中可不考慮其內(nèi)部的波過程[26],同樣可取得良好的計(jì)算精度。根據(jù)《國(guó)網(wǎng)典設(shè)》[27],仿真中選擇的10 kV架空線路為雙回直線形排列方式,從高到低的相序依次為B、A、C相,見圖1。由于忽略了桿塔的波過程,桿塔建模采用了集中電感模型,桿塔等值電感取0.84 μH/m。接地電阻用工頻線性電阻模擬。

圖1 雙回桿塔結(jié)構(gòu)圖

1.3 絕緣子與并聯(lián)間隙模型

進(jìn)行粗略計(jì)算時(shí),可用壓控開關(guān)表示絕緣子及并聯(lián)間隙的閃絡(luò)特性,但在高頻雷電波的作用下,波的陡度明顯影響閃絡(luò)電壓,使用伏秒特性可以更為準(zhǔn)確地計(jì)算閃絡(luò)電壓,絕緣子及并聯(lián)間隙的伏秒特性表達(dá)式為

(1)

式(1)中:Ub為閃絡(luò)電壓,V;U∞為波頭時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)的閃絡(luò)電壓,V;U0為波頭時(shí)間很短時(shí)的閃絡(luò)電壓,V;τ為將伏秒特性擬合為曲線時(shí)的時(shí)間常數(shù),s;

在ATP中采用MODELS模塊和TACS開關(guān)來(lái)控制絕緣子及并聯(lián)間隙的閃絡(luò),采集絕緣子兩端的電壓波形。p-15絕緣子兩端的過電壓波形與p-15絕緣子伏秒特性曲線相交時(shí)代表閃絡(luò)。見圖2,上述兩條曲線在t時(shí)刻相交,即絕緣子在t時(shí)刻發(fā)生了閃絡(luò)。

圖2 相交法原理圖

1.4 直擊雷與感應(yīng)雷模型

直擊雷電流模型選用IEC1312-1中提出Heilder模型,其波形與實(shí)際雷電流波形更相符,波頭時(shí)間取2.6 μs,波尾時(shí)間取50 μs,通道波阻抗取300 Ω。

感應(yīng)雷模型采用ATP中MODELS感應(yīng)雷計(jì)算模塊搭建而成[28],急劇變化的雷電電磁場(chǎng)是產(chǎn)生線路過電壓的根本原因,在10 kV架空線路上產(chǎn)生的過電壓為入射電壓與散射電壓之和,采用Agrawal模型表征磁場(chǎng)與10 kV架空配電線路之間的耦合[8]。圖3是10 kV架空配電線路感應(yīng)雷模塊,下端4個(gè)電源即觀測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)雷過電壓。

圖3 MODELS感應(yīng)雷計(jì)算模塊

我國(guó)防雷規(guī)程建議,當(dāng)雷電流幅值I≤100 kA,線路與雷擊點(diǎn)之間的垂直距離S≥65 m時(shí),按式(2)計(jì)算導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)雷過電壓大小。

(2)

式(2)中,I為雷電流幅值;hc為線路的平均高度,15.2 m。

為驗(yàn)證感應(yīng)雷模塊的正確性,設(shè)定雷電流幅值I=23 kA,導(dǎo)線平均高度hc=15.2 m,雷擊點(diǎn)與線路的距離S=65 m。通過上述感應(yīng)雷模型計(jì)算得到,絕緣子兩端的過電壓波形見圖4,幅值為135.6 kV。與規(guī)程法相比僅偏差0.8%,影響很小,故在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下文的感應(yīng)雷仿真計(jì)算。

圖4 感應(yīng)雷作用下絕緣子電壓波形

1.5 整體仿真模型及耐雷水平的仿真確定方法

圖5為利用ATP-EMTP搭建的多回10 kV架空配電線路雷電過電壓的完整模型。在該模型中可方便計(jì)算不同配置方式的單相安裝并聯(lián)間隙下各回線路的耐雷水平。

圖5 完整仿真模型示意圖

衡量線路耐雷水平不應(yīng)僅針對(duì)局部線路桿塔,而是將整條線路作為整體。因?yàn)?0 kV架空配電線路的中性點(diǎn)采用的是不直接接地方式,只有發(fā)生兩相及三相短路時(shí),繼電保護(hù)才會(huì)立即動(dòng)作導(dǎo)致線路跳閘。仿真初始首先設(shè)置較小的雷電流,隨后逐漸升高雷電流大小,當(dāng)線路中任一基桿塔出現(xiàn)兩相或三相同時(shí)閃絡(luò),該情況下的雷電流大小作為線路的耐雷水平。

為驗(yàn)證仿真方法的可靠性,利用上文所述搭建的仿真平臺(tái),測(cè)試單回10 kV架空配電線路在3種雷擊形式下的耐雷水平。雷擊桿塔和雷擊導(dǎo)線的耐雷水平分別為4.7 kA和1.1 kA;當(dāng)雷擊點(diǎn)位于距離線路100 m處時(shí),感應(yīng)雷耐雷水平為37.2 kA,均在一般實(shí)測(cè)值范圍內(nèi),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下文的過電壓仿真計(jì)算。

2 并聯(lián)間隙單相安裝方式對(duì)10 kV多回架空線路耐雷水平的影響

對(duì)于10 kV同塔多回線路,線路間的耦合方式更加復(fù)雜,同一基塔的多回線路上,并聯(lián)間隙的安裝部位、安裝數(shù)量及間隙放電電壓的設(shè)置方式多樣,組合方式較多。因此需要對(duì)10 kV多回架空線路防雷效果進(jìn)行系統(tǒng)的研究,采用相關(guān)的優(yōu)化配置方法,制訂切實(shí)可行的防雷方案,將并聯(lián)間隙推廣用于多回10 kV架空配電線路。

2.1 多回線路并聯(lián)間隙的配置方法

2.1.1 影響多回線路上單相并聯(lián)間隙防雷效果的因素

1)并聯(lián)間隙的安裝數(shù)量

假設(shè)同基桿塔共有N回線路,單相安裝的并聯(lián)間隙安裝數(shù)量的范圍為[1,N]。并聯(lián)間隙安裝數(shù)量也是影響并聯(lián)間隙防雷效果的因素之一,因此計(jì)算過程中設(shè)計(jì)了僅在某幾回線路安裝單相并聯(lián)間隙,以及在每回線路均安裝單相并聯(lián)間隙。

2)并聯(lián)間隙的放電電壓

并聯(lián)間隙的放電電壓可在一定范圍內(nèi)變動(dòng),放電電壓范圍記為[U1,U2]。并聯(lián)間隙的雷電沖擊50%放電電壓低于絕緣子雷電沖擊U50%的0.835倍[30],可得并聯(lián)間隙的上限放電電壓值U2;保證并聯(lián)間隙在系統(tǒng)最大操作過電壓下不擊穿[30],可得并聯(lián)間隙的下限放電電壓值U1。該區(qū)間內(nèi)可保證在雷電過電壓下并聯(lián)間隙先于絕緣子放電,而又在工頻過電壓下并聯(lián)間隙不擊穿。根據(jù)試驗(yàn)并通過擬合,可得并聯(lián)間隙放電電壓和間隙距離的關(guān)系曲線[24],進(jìn)而得到放電電壓值對(duì)應(yīng)的間隙距離。

前期研究結(jié)果表明,由于感應(yīng)雷、直擊雷耐雷水平總體上均隨著并聯(lián)間隙放電電壓的減小而增大[24-25]。故對(duì)于10 kV多回線路中并聯(lián)間隙放電電壓的設(shè)置,在單只并聯(lián)間隙安裝方式中,將間隙最小放電電壓U1。在多只并聯(lián)間隙安裝方式中,為構(gòu)建回路間差異絕緣,增強(qiáng)線路間的耦合效果,將間隙間隙分別固定在最小放電電壓U1和最大放電電壓U2,僅改變并聯(lián)間隙的安裝位置。

本研究計(jì)算以P15針式絕緣子為應(yīng)用實(shí)例,間隙99.9%放電概率的雷電沖擊放電電壓范圍為47.04 kV～116.07 kV[24]。

3)并聯(lián)間隙的安裝相和安裝回路

10 kV同塔多回架空線路的單回線路多以垂直方式排列。當(dāng)并聯(lián)間隙安裝在最高相時(shí),由于間隙最先放電,可更早的對(duì)其余線路上的過電壓產(chǎn)生耦合效果,限制過電壓的發(fā)展;但對(duì)最下層導(dǎo)線距離大,耦合能力較弱。當(dāng)并聯(lián)間隙安裝在中間相時(shí),對(duì)其余各相導(dǎo)線距離相對(duì)較近,耦合能力較強(qiáng)。因而,為比較兩種并聯(lián)間隙安裝位置的防雷效果,設(shè)計(jì)了最高相安裝和中間相安裝兩種方式。

2.1.2 單相安裝并聯(lián)間隙在多回線路上的安裝方式

(3)

對(duì)于同塔N回線路,在第k種安裝方式下,第i回線路的耐雷水平可用Iki表示,所有安裝方式下的耐雷水平可用式(4)表示。

(4)

式(4)中的橫向量即為第k種安裝方式下,每回線路的耐雷水平。

在配電線路的3種雷擊形式下,單相安裝并聯(lián)間隙在多回10 kV架空線路中的最優(yōu)安裝方式,本研究設(shè)計(jì)的多回線路耐雷水平的計(jì)算流程見圖6。

圖6 多回線路耐雷水平的計(jì)算流程

依據(jù)差異化防雷的理念,可在不同地形地貌下的架空線路,根據(jù)線路不同負(fù)荷重要性權(quán)重,選擇不同的并聯(lián)間隙安裝方式。

2.2 10 kV雙回線路并聯(lián)間隙配置方式的計(jì)算實(shí)例

以雙回10 kV架空線路為例,下文在第2節(jié)搭建的仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上,研究單相安裝并聯(lián)間隙在雙回10 kV架空線路中的最優(yōu)安裝方式。

針對(duì)10 kV同塔雙回架空線路,由式(3)可得,共有12種并聯(lián)間隙的安裝方式。由于感應(yīng)雷、直擊雷耐雷水平總體上均隨著并聯(lián)間隙放電電壓的減小而增大,不考慮單獨(dú)安裝放電電壓為116.07 kV的間隙。因此典型安裝方式共有圖7、圖8所示的6種安裝方式。和代表安裝了并聯(lián)間隙的相線,為未安裝并聯(lián)間隙的相線。

圖7 單只安裝并聯(lián)間隙的配置方式

圖8 兩只安裝并聯(lián)間隙的配置方式

圖7的(1)和(2)為單只安裝并聯(lián)間隙的安裝方式;圖8的(3)和(4)為安裝兩只等放電電壓并聯(lián)間隙的配置方式,(5)和(6)為安裝兩只不等放電電壓并聯(lián)間隙的配置方式,構(gòu)建了回路間差異絕緣的配置方式。

2.2.1 感應(yīng)雷過電壓下并聯(lián)間隙的配置方式

將并聯(lián)間隙設(shè)置在第一回線路的最高相B相導(dǎo)線,放電電壓設(shè)置為47.04 kV(方式1),感應(yīng)雷過電壓模型加在6、7號(hào)桿塔之間,當(dāng)雷電流幅值增加至41.1 kA時(shí),第二回線路9、10號(hào)桿塔的A、C相絕緣子發(fā)生了相間閃絡(luò),放電時(shí)絕緣子電壓波形見圖9。即此時(shí)第二回線路的耐雷水平為41.1 kA。

圖9 安裝方式1感應(yīng)雷時(shí)第二回線路絕緣子閃絡(luò)電壓波形

繼續(xù)加大雷電流幅值,當(dāng)雷電流幅值增加至43 kA時(shí),第一回線路也發(fā)生了閃絡(luò),此時(shí)5號(hào)桿塔B、C相絕緣子兩端的電壓波形見圖10。因?yàn)锽相安裝了間隙,間隙兩端的電壓波形最先與間隙的伏秒特性曲線相交,間隙放電。隨后,C相絕緣子發(fā)生閃絡(luò),造成B、C相之間發(fā)生相間閃絡(luò),即此時(shí)第一回線路的耐雷水平為43 kA。由于第一回初始閃絡(luò)相對(duì)于第二回各相導(dǎo)線的電壓耦合能力較弱,第二回線路的耐雷水平低于第一回線路耐雷水平。

圖10 安裝方式1感應(yīng)雷時(shí)第一回線路絕緣子閃絡(luò)電壓波形

按照上述同樣的方法,得到各安裝方式下雙回線路感應(yīng)雷耐雷水平的變化規(guī)律。其中,方式0為線路未安裝并聯(lián)間隙時(shí)的情況,見圖11。

圖11 不同安裝方式下感應(yīng)雷耐雷水平變化規(guī)律

由圖11可知,與未安裝并聯(lián)間隙相比,6種間隙安裝方式下的耐雷水平均有很大程度的提高。若僅在第一回線路上加裝并聯(lián)間隙,對(duì)雙回線路的耐雷水平均有提高,但第二回線路的耐雷水平不及第一回線路。原因是一相間隙放電后,導(dǎo)線經(jīng)桿塔接地,與大地電位相同,在其余各相導(dǎo)線上產(chǎn)生負(fù)耦合電壓分量,從而降低了相間過電壓的幅值。但第一回線路首先閃絡(luò)相與另一回線路距離較遠(yuǎn),對(duì)于另一回各相的電壓耦合能力較弱,故第二回線路的耐雷水平略低于第一回線路。

因此,在每回線路上均安裝一只并聯(lián)間隙的防雷效果優(yōu)于僅安裝一只間隙。其中,在最高相安裝的效果優(yōu)于在中間相安裝。

2.2.2 雷擊桿塔時(shí)并聯(lián)間隙的配置方式

將并聯(lián)間隙設(shè)置在第一回線路的最高相B相導(dǎo)線,放電電壓設(shè)置為47.04 kV(方式1),直擊雷直擊6號(hào)塔頂,當(dāng)雷電流幅值增加至24.7 kA時(shí),第二回線路6號(hào)桿塔的B、C相絕緣子發(fā)生了相間閃絡(luò),放電時(shí)絕緣子電壓波形情況見圖12,即此時(shí)第二回線路的耐雷水平為24.7 kA。

圖12 安裝方式1雷擊桿塔時(shí)第二回線路絕緣子閃絡(luò)電壓波形

當(dāng)雷電流幅值增加至26.8 kA時(shí),第一回線路6號(hào)桿塔的三相絕緣子電壓波形見圖13。因?yàn)锽相安裝了間隙,間隙兩端的電壓波形最先與間隙的伏秒特性曲線相交,間隙放電。隨后,C相絕緣子發(fā)生閃絡(luò),B、C相之間發(fā)生相間閃絡(luò),即此時(shí)第一回線路的耐雷水平為26.8 kA。

圖13 安裝方式1雷擊桿塔時(shí)第一回線路絕緣子閃絡(luò)電壓波形

按照上述同樣的方法,得到各安裝方式下雙回線路雷擊塔頂耐雷水平的變化規(guī)律,其中方式0為線路未安裝并聯(lián)間隙,見圖14。

圖14 不同安裝方式下雷擊塔頂耐雷水平變化規(guī)律

由圖14可知,與方式0的未安裝并聯(lián)間隙相比,其余6種間隙安裝方式下的耐雷水平均有一定程度的提高。對(duì)于雷擊雙回線路塔頂時(shí),僅在第一回線路的最高相安裝一相并聯(lián)間隙的防雷效果優(yōu)于其他安裝方式。相比于未安裝間隙,此時(shí)第一回線路的耐雷水平可提升75.2%,第二回線路的耐雷水平可提升62.5%。

2.2.3 雷擊導(dǎo)線時(shí)并聯(lián)間隙的配置方式

同樣按照方式1的并聯(lián)間隙安裝方法,直擊雷直擊6號(hào)桿塔最上方B相導(dǎo)線,當(dāng)雷電流幅值增加至22.1 kA時(shí),第二回線路6號(hào)桿塔的B、C相絕緣子發(fā)生了相間閃絡(luò),放電時(shí)絕緣子電壓波形情況見圖15。即此時(shí)第二回線路的耐雷水平為22.1 kA。

圖15 安裝方式1雷擊線路時(shí)第二回線路絕緣子閃絡(luò)電壓波形

當(dāng)雷電流幅值增加至23.5 kA時(shí),第一回線路6號(hào)桿塔的三相絕緣子電壓波形見圖16。因?yàn)锽相安裝了間隙,間隙兩端的電壓波形最先與間隙的伏秒特性曲線相交,間隙放電。隨后,C相絕緣子發(fā)生閃絡(luò),B、C相之間發(fā)生相間閃絡(luò),即此時(shí)第一回線路的耐雷水平為23.5 kA。

圖16 安裝方式1雷擊線路時(shí)第一回線路絕緣子閃絡(luò)電壓波形

按照上述同樣的方法,得到各安裝方式下雙回線路雷擊導(dǎo)線耐雷水平的變化規(guī)律,其中方式0為線路未安裝并聯(lián)間隙,見圖17。

圖17 不同安裝方式下雷擊導(dǎo)線耐雷水平變化規(guī)律

由圖17可知,對(duì)于雷擊雙回線路導(dǎo)線時(shí),在雷擊相未安裝并聯(lián)間隙時(shí)(方式2、3、5),該回線路耐雷水平由13.9 kA下降為2 kA,這是因?yàn)槔讚粝嗯c安裝了并聯(lián)間隙的一相易發(fā)生相間短路,造成耐雷水平降低。僅在第一回線路的最高相安裝一相并聯(lián)間隙的防雷效果優(yōu)于其他安裝方式,此時(shí)相比于未安裝間隙,第一回線路的耐雷水平可提升69.1%,第二回線路的耐雷水平可提升12.2%。

3 結(jié) 論

1)針對(duì)10 kV多回架空線路,分析了單相安裝并聯(lián)間隙的配置方法,針對(duì)不同并聯(lián)間隙的設(shè)置方式,構(gòu)建了10 kV多回架空線路耐雷水平的計(jì)算流程。

2)以雙回線路為計(jì)算實(shí)例,線路遭受感應(yīng)雷過電壓時(shí),建議在每回線路的最高相上均安裝一只并聯(lián)間隙;線路遭受直擊雷過電壓時(shí),僅在第一回線路的最高相安裝一相并聯(lián)間隙的防雷效果優(yōu)于其他安裝方式。