基于ATP的線路避雷器仿真研究

郭嘯龍，李 健，黃欲成，江 舟(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

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基于ATP的線路避雷器仿真研究

郭嘯龍，李 健，黃欲成，江 舟
(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

摘要：加裝線路避雷器是減少線路雷擊跳閘事故，提高供電系統(tǒng)可靠性，進(jìn)一步降低運(yùn)行成本的一種有效手段。根據(jù)供電線路的實(shí)際情況，本文闡述了線路避雷器的基本作用，然后利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件(ATP -EMTP)對(duì)安裝線路避雷器后的耐雷水平進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)仿真計(jì)算可有效提高對(duì)線路的安全保護(hù)，其計(jì)算便捷，結(jié)果準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：線路避雷器；耐雷水平；雷擊跳閘事故。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)用電需求的不斷提高，對(duì)輸電線路供電可靠性要求也越來(lái)越高，停電將影響人們的正常生活，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。防止雷擊跳閘可大大降低輸電線路的故障，進(jìn)而降低電網(wǎng)中事故的發(fā)生頻率。因此，尋求更有效的線路防雷保護(hù)措施，一直是世界各國(guó)電力工作者關(guān)注的課題。

目前，架空送電線路常用的防雷保護(hù)措施有：架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)絕緣、采用不平衡絕緣、架設(shè)藕合地線等。這些防雷保護(hù)措施均有其優(yōu)缺點(diǎn)：架設(shè)避雷線對(duì)減少雷電繞擊導(dǎo)線的概率和提高反擊防雷水平有非常重要的作用，但無(wú)法完全避免繞擊或側(cè)擊；降低桿塔接地電阻對(duì)減少雷擊反擊跳閘率有決定性作用，但超過(guò)防雷水平的雷電流仍將引起線路跳閘，且高土壤電阻率地區(qū)難以降阻；加強(qiáng)絕緣受桿塔尺寸及投資的限制，無(wú)法理想地降低雷擊跳閘率,無(wú)論采取何種防雷保護(hù)措施，也不能完全排除在導(dǎo)線上出現(xiàn)過(guò)電壓的可能性，安裝線路避雷器可以使由于雷擊所產(chǎn)生的過(guò)電壓超過(guò)一定的幅值時(shí)動(dòng)作，給雷電流提供一個(gè)低阻抗的通路，使其泄放到大地，從而限制了電壓的升高，保障了線路、設(shè)備安全。因此，安裝線路避雷器無(wú)論在防止雷直擊導(dǎo)線方面，還是在雷擊塔頂或架空地線時(shí)的反擊方面，安裝線路避雷器都非常有效的。

1　線路避雷器防雷原理

電力系統(tǒng)線路避雷器在線路防雷中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要是將線路避雷器安裝在輸電線路的易擊段桿塔，以有效地提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率。其防雷的基本原理為：在雷擊桿塔時(shí)，一部分雷電流通過(guò)避雷線流到相鄰桿塔，另一部分雷電流經(jīng)桿塔流入大地。當(dāng)塔頂電位與導(dǎo)線上電位的差值超過(guò)絕緣子串50%的放電電壓時(shí)，將發(fā)生由塔頂至導(dǎo)線的閃絡(luò)。如果加裝避雷器，當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，雷電流的分流將發(fā)生變化，一部分雷電流從避雷線傳入相鄰桿塔，一部分經(jīng)塔體入地。當(dāng)雷電流超過(guò)一定值后，避雷器動(dòng)作加入分流，大部分的雷電流從避雷器流入導(dǎo)線，傳播到相鄰桿塔。雷電流在流經(jīng)避雷線和導(dǎo)線時(shí)，由于導(dǎo)線間的電磁感應(yīng)作用，將分別在導(dǎo)線和避雷線上產(chǎn)生耦合分量。因?yàn)楸芾灼鞯姆至鬟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于從避雷線中分流的雷電流，這種分流的耦合作用將使導(dǎo)線電位提高，使導(dǎo)線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡(luò)電壓，絕緣子不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，從而達(dá)到防止輸電線路雷擊跳閘事故的目的。

當(dāng)雷電直擊桿塔頂部時(shí)，桿塔頂部的地電位雷電過(guò)電壓反擊桿塔絕緣，致線路避雷器動(dòng)作的等值電路見(jiàn)圖1。圖1中，i為總的雷電流(kA)，igt為桿塔的雷電流分流(kA)，ib為桿塔兩側(cè)相鄰檔避雷線的雷電流分流(kA)，id為線路避雷器動(dòng)作后向桿塔兩側(cè)相鄰檔導(dǎo)線分流的雷電流(kA)，Lgt為桿塔電感(μH)，Lb為桿塔兩側(cè)相鄰檔避雷線的電感并聯(lián)值(μH)，Ld為線路避雷器保護(hù)相導(dǎo)線桿塔兩側(cè)相鄰檔的電感并聯(lián)值(μH)，Rch為桿塔沖擊接地電阻(Ω)，虛線框內(nèi)的Cg、Rv分別為線路避雷器等效晶界層的固有電容(μF)及非線性電阻(Ω)，Rg為等效ZnO晶粒電阻(Ω)。

2　仿真模型建立

2013年4月10日，南方電網(wǎng)220 kV天建線發(fā)生三相同跳事故，根據(jù)保護(hù)錄波圖信息判定為雷電反擊引起的跳閘事故，監(jiān)測(cè)到的雷電流幅值為210.5 kA。本文以此為例，計(jì)算天建線加裝線路避雷器后的雷電反擊耐雷水平，驗(yàn)證線路避雷器在線路防雷的保護(hù)作用。

圖1　雷電直擊桿塔頂部時(shí)的等值電路

220kV天建線線路全長(zhǎng)31.71 km，導(dǎo)線型號(hào)為2×LGJX - 400/35，地線型號(hào)為GJ -50，絕緣子采用FXBW4 - 220/100型(絕緣子高度146 mm)，13片，桿塔設(shè)計(jì)接地電阻不大于20Ω(取10Ω)，平均檔距400 m，避雷線和導(dǎo)線弧垂分別取5 m、7 m，桿塔型號(hào)為(單回) ZK酒杯型直線塔，呼稱高度23 m，桿塔尺寸見(jiàn)圖2。

圖2　220 kV酒杯型桿塔示意圖

根據(jù)實(shí)際的線路桿塔參數(shù)，在ATP中搭建仿真模型，見(jiàn)圖3。

圖3　ATP仿真模型

2.1雷電流模型

仿真模型中，雷電流的波形選擇為2.6/50 μs，采用雙指數(shù)沖擊電源來(lái)模擬，雷電流波形雙指數(shù)函數(shù)表達(dá)式(1)：

式中：i為雷電流；I0為峰值電流；k為修正因子；A波頭衰減系數(shù)；B為波尾衰減系數(shù)。

2.2桿塔模型

桿塔模型采用的是Hara無(wú)損線桿塔模型，該模型詳細(xì)考慮了桿塔的自身結(jié)構(gòu)，計(jì)算的波響應(yīng)特性與真塔實(shí)測(cè)近似，更接近于真實(shí)桿塔。在實(shí)際工程計(jì)算中，桿塔波速可取為2.1×108m/s。桿塔沖擊接地電阻一般為7～15Ω，仿真計(jì)算時(shí)可取為10 Ω。

2.3絕緣子串模型

絕緣子串閃絡(luò)模型采用相交法閃絡(luò)判據(jù)。相交法通過(guò)比較絕緣上電壓與伏秒特性曲線的關(guān)系來(lái)判斷絕緣是否擊穿，考慮了絕緣上雷電過(guò)電壓隨時(shí)間變化，比規(guī)程法更為合理。并且由于其清晰明確的物理概念，較為符合實(shí)際情況，便于工程使用，因此目前被廣泛應(yīng)用于輸電線路防雷計(jì)算。描述絕緣子串在標(biāo)準(zhǔn)雷電波下的伏秒特性公式(2)：

式中：L為絕緣子串長(zhǎng)度；t為時(shí)間。

2.4感應(yīng)過(guò)電壓模型

主放電過(guò)程中，絕緣子串兩端的電壓包括如下幾個(gè)分量：塔頂電壓、避雷線耦合電壓、導(dǎo)線工作電壓、為感應(yīng)過(guò)電壓。考慮到感應(yīng)過(guò)電壓會(huì)影響絕緣子串兩端電壓，在判斷絕緣子閃絡(luò)時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算這一感應(yīng)分量，在模型中直接在絕緣子兩端疊加一個(gè)直流分量作為感應(yīng)過(guò)電壓，其值為：

式中： Hg為地線平均高度；Im為雷電流幅值。

2.5線路避雷器模型

線路避雷器作為一種過(guò)電壓限制器，需要有良好的非線性電阻特性：不動(dòng)作時(shí)呈現(xiàn)高阻抗，泄露電流小，避免長(zhǎng)時(shí)間的通流導(dǎo)致發(fā)熱；一旦在沖擊電壓作用下動(dòng)作，其電阻減小，導(dǎo)致電壓突變，限制過(guò)電壓，并且在沖擊電壓的作用結(jié)束后，電阻能迅速增大，減小流過(guò)的工頻電流，使系統(tǒng)能繼續(xù)正常運(yùn)行。本文采用的避雷器伏安特性見(jiàn)表1，曲線見(jiàn)圖4。

表1　避雷器伏安特性

圖4　避雷器伏安特性曲線

3　仿真結(jié)果

裝設(shè)避雷器前后的單相閃絡(luò)耐雷水平見(jiàn)表2。從表2可看出，加避雷器后線路的反擊耐雷水平從110 kA提高到145 kA。加裝避雷器后，由于避雷器的鉗電位作用，絕緣子端電壓的大小取決于避雷器的殘壓，此殘壓遠(yuǎn)小于未加避雷器的絕緣子端電壓(見(jiàn)圖5、圖6)，因此加避雷器后絕緣子閃絡(luò)一般發(fā)生在波尾時(shí)刻(見(jiàn)圖7)。隨著雷電流幅值的增加，閃絡(luò)時(shí)刻向波頭移動(dòng)。

表2　單相閃絡(luò)耐雷水平

圖5　雷電流為130 kA、加裝避雷器時(shí)絕緣子端電壓波形

圖6　雷電流為130 kA、未加裝避雷器時(shí)絕緣子端電壓波形

裝設(shè)避雷器前后的多相同時(shí)閃絡(luò)耐雷水平見(jiàn)表3。從表3可看出，加避雷器后線路的雷電反擊多相同時(shí)閃絡(luò)耐雷水平得到了顯著提升。

圖7　雷電流為145 kA、加裝避雷器時(shí)絕緣子端電壓波形

表3　多相同時(shí)閃絡(luò)耐雷水平

裝設(shè)避雷器前后的線路繞擊耐雷水平見(jiàn)表4。從表4可看出，加避雷器后線路的雷電繞擊耐雷水平得到了顯著提升。

表4　繞擊耐雷水平

4　總結(jié)

從以上算例測(cè)試可看出，安裝線路避雷器不但可以避免安裝相的反擊，而且雷擊桿塔時(shí)塔頂電位升高，避雷器動(dòng)作，部分雷電流通過(guò)安裝避雷器的相導(dǎo)線瀉放，從而在一定程度上降低絕緣子端電壓。隨著避雷器動(dòng)作，安裝相導(dǎo)線電壓升高，會(huì)在相鄰相上感應(yīng)較高電壓。兩方面因素共同作用使得其他相絕緣子上的電壓降低，耐雷水平得到改善。

參考文獻(xiàn)：

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Simulation Study on Line MOA Based on ATP

GUO Xiao-long, LI Jian, HUANG Yu-cheng, JIANG Zhou
(Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071, China)

Abstract:Installation of line MOA is an effective measure for decreasing trip-out accident due to lighting stroke on overhead line, enhancing reliability of power supply and reducing service cost. The basic functions for line MOA are described and by the alternative transient program electrical-magnetic transient program ( ATP-EMTP) software，the lightning withstand level is being simulate studied after lightning arrester installed. It improves the safety protection effectively, calculates conveniently and gets correctly result．

Key words:line MOA; lightning withstand level; trip-out accident.

中圖分類號(hào)：TM862

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913(2016)01-0072-04

* 收稿日期：2015-10-10

作者簡(jiǎn)介：郭嘯龍(1989- )，男，湖北宜昌人，碩士，主要從事輸電線路相關(guān)研究與設(shè)計(jì)工作。