線路絕緣子調(diào)爬對(duì)站內(nèi)避雷器特性的影響

葛乃成，聶宇本，尹 凡，費(fèi)正明

(國(guó)家電網(wǎng)公司華東分部，上海 200002)

電網(wǎng)技術(shù)

線路絕緣子調(diào)爬對(duì)站內(nèi)避雷器特性的影響

葛乃成，聶宇本，尹 凡，費(fèi)正明

(國(guó)家電網(wǎng)公司華東分部，上海 200002)

根據(jù)2013年的江蘇電網(wǎng)污區(qū)分布圖，江蘇省電力公司對(duì)區(qū)內(nèi)某220kV雙回輸電線路進(jìn)行了絕緣子調(diào)爬工作，以提高線路絕緣子耐污水平。以該線路為研究對(duì)象，計(jì)算分析絕緣子片數(shù)增加后線路耐雷水平和跳閘率的變化情況，建立了對(duì)應(yīng)的仿真模型，利用ATP-EMTP軟件分析了絕緣子片數(shù)增加對(duì)站內(nèi)避雷器殘壓和通流的影響。研究表明，進(jìn)線段1號(hào)桿塔絕緣子片數(shù)增加到15片，其余桿塔絕緣子片數(shù)增加到19片，雷電侵入波不會(huì)對(duì)站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。

絕緣子調(diào)爬；雷電過(guò)電壓；耐雷水平；避雷器殘壓

絕緣子調(diào)爬是提高絕緣子耐污閃水平的有效方式。目前我國(guó)多采用兩種方式：增加絕緣子片數(shù)和更換復(fù)合絕緣子。

隨著近年來(lái)污穢程度的增加，線路污閃事故頻發(fā)。如2010年秋冬季蘇北地區(qū)遭受長(zhǎng)時(shí)間干旱天氣，大氣中污穢物增加，導(dǎo)致絕緣子表面積污嚴(yán)重，實(shí)測(cè)結(jié)果表明鹽密值達(dá)到0.041 mg/cm2，遠(yuǎn)超歷年平均水平(0.018～0.02 mg/cm2)。在次年春季，所屬地區(qū)三條220 kV線路在2月5日至2月21日期間共發(fā)生29次污閃跳閘事故，重合成功24次，強(qiáng)送成功3次，改檢修2次。事故處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，污閃串外絕緣配置情況均符合當(dāng)時(shí)污區(qū)圖的爬電比距要求。這一情況表明當(dāng)時(shí)實(shí)行的污區(qū)圖已經(jīng)不能反映實(shí)際污穢程度，因此對(duì)所屬地區(qū)的污穢水平進(jìn)行了測(cè)定并隨后更新了污區(qū)圖，同時(shí)對(duì)事故線路全線絕緣子進(jìn)行了調(diào)爬處理，采用增加絕緣子片數(shù)的方案，把線路絕緣子片數(shù)從13片增加到15片～17片不等。

調(diào)爬后線路耐污閃水平會(huì)提高，但同時(shí)也會(huì)對(duì)線路及變電站絕緣配合造成影響。本文以某220 kV 線路為例，分析線路耐雷水平和跳閘率與調(diào)爬增加的片數(shù)的關(guān)系，建立基于EMTP的系統(tǒng)模型，研究在雷電過(guò)電壓作用下，調(diào)爬前后站入口避雷器殘壓及通流特性的變化，校核絕緣子片數(shù)增加的安全范圍，為線路及變電站絕緣配合提供參考依據(jù)。

1 線路概況

本文研究選取的線路全長(zhǎng)35.4 km，運(yùn)行電壓為雙回220 kV，共有桿塔109基，包括耐張塔21基，直線塔88基。變電站2 km出線段內(nèi)含桿塔6基，塔型為SD3-SJ1，平均塔高46 m。導(dǎo)線型號(hào)為全線2×LGJ-300/40，全線架設(shè)雙避雷線，均為光纖架空復(fù)合避雷線，左線型號(hào)為OPGW-24B1-100，右線型號(hào)為GJ-55。

調(diào)爬前線路絕緣子統(tǒng)計(jì)的情況如下：線路耐張絕緣子采用雙串14片U100BLP-2玻璃絕緣子，爬電比距2.9 cm/kV。懸垂串與跳線串均采用單串13片U70BLP-2玻璃絕緣子，爬電比距2.7 cm/kV。調(diào)爬增加的片數(shù)從2片～4片不等，其中有部分桿塔因之前提高污閃電壓而將原13片絕緣子增加到15片，在本次調(diào)爬中再次增加2片至17片。

表1 不同絕緣子條件下線路耐雷水平和跳閘率計(jì)算結(jié)果

2 線路耐雷水平和跳閘率

針對(duì)所述的經(jīng)過(guò)調(diào)爬的220kV線路，根據(jù)文獻(xiàn)[1]提出的規(guī)程法，結(jié)合線路所處地區(qū)的雷電流幅值概率密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算了增加不同片數(shù)情況下線路的反擊耐雷水平、繞擊耐雷水平及線路跳閘率的數(shù)值。在計(jì)算過(guò)程中，絕緣子負(fù)極性雷電沖擊干閃電壓U50%可近似由式(1)所示的經(jīng)驗(yàn)公式求取：

U50%=550L+80

(1)

式中L——絕緣子長(zhǎng)度(m)。

線路歸屬地電力部門統(tǒng)計(jì)了2009—2013年當(dāng)?shù)刎?fù)極性雷電流幅值分布情況，為本文提供了幅值概率P(i>I)計(jì)算方法：

(2)

按照這個(gè)方法，得到不同片數(shù)條件下線路耐雷水平和跳閘率計(jì)算結(jié)果如表1所示，繪制了線路耐雷水平和跳閘率隨絕緣子片數(shù)變化曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 線路耐雷水平隨絕緣子片數(shù)變化曲線

圖2 線路跳閘率隨絕緣子片數(shù)變化曲線

從以圖2中的計(jì)算結(jié)果看到，隨著絕緣子片數(shù)增加，線路耐雷水平線性提高，而線路跳閘率呈指數(shù)下降。同時(shí)，由計(jì)算結(jié)果表明，增加絕緣子片數(shù)導(dǎo)致絕緣子沖擊放電電壓U50%提高，影響進(jìn)入變電站的雷電侵入波幅值，進(jìn)而影響站入口避雷器的殘壓值，威脅避雷器及站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行安全性。以下通過(guò)仿真方式進(jìn)行分析。

3 仿真模型的建立

對(duì)于線路絕緣子調(diào)爬前后變電站入口處的侵入波幅值變化對(duì)避雷器殘壓特性影響，本文采用ATP-EMTP仿真軟件進(jìn)行仿真分析。對(duì)于站內(nèi)設(shè)備采用2 nF集中電容模型，其他設(shè)備對(duì)應(yīng)的模型如下。

3.1 雷電侵入波模型

同時(shí)，由計(jì)算結(jié)果表明，增加絕緣子片數(shù)導(dǎo)致絕緣子沖擊放電電壓U50%提高，而變電站遭受的雷電侵入波幅值由線路絕緣子串的沖擊強(qiáng)度決定，其幅值不會(huì)超過(guò)絕緣子串的沖擊放電電壓U50%[2]。

3.2 雷電流模型

采用了IEC1312-1推薦的Heidler雷電流模型，該模型更符合雷電電流的實(shí)際規(guī)律[3]。其解析表達(dá)式[4]為：

(3)

式中I0——雷電流峰值；

η——峰值電流修正系數(shù)；

τ1——波頭時(shí)間常數(shù)；

τ2——波尾時(shí)間常數(shù)；

n——電流陡度因子。

本文在仿真中采用2.6/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電波。

3.3 線路及桿塔模型

仿真分析主要針對(duì)變電站進(jìn)線段2 km范圍內(nèi)。該段線路為雙回路出線，包含桿塔6基，桿塔型號(hào)為2D3-SJ1。導(dǎo)線型號(hào)為全線2×LGJ-300/40，全線架設(shè)雙避雷線，左避雷線線為光纖架空復(fù)合避雷線，型號(hào)為OPGW-24B1-100，右避雷線線型號(hào)為GJ-55。

計(jì)算時(shí)對(duì)桿塔建立多波阻抗模型，按照文獻(xiàn)[5]求取桿塔各部分的波阻抗。桿塔結(jié)構(gòu)及多波阻抗模型示意圖如圖3所示。圖3中ZLn=9ZTn(n=1-4)，接地電阻Rg取值為7 Ω，各段波阻抗計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 桿塔結(jié)構(gòu)及多波阻抗模型示意圖

阻抗波阻抗/Ω長(zhǎng)度/m阻抗波阻抗/Ω長(zhǎng)度/mZA1111.66.55ZT1122.94.50ZA292.44.80ZT2117.16.80ZA379.16.55ZT3109.76.20ZA482.75.30ZT496.230.00

3.4 避雷器模型

變電站入口避雷器型號(hào)為Y10W-216/562，避雷器額定電壓216 kV，2 kA操作沖擊電流殘壓468 kV，10 kA(8/20μs)雷電沖擊電流殘壓562 kV，10 kA(波頭時(shí)間1μs)陡波沖擊電流殘壓630 kV。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]建立了避雷器的P-G模型，該模型是在IEEE避雷器模型基礎(chǔ)上提出的簡(jiǎn)化模型，更適用于分析雷電過(guò)電壓下的避雷器特性。P-G避雷器模型示意圖如圖4所示。圖4中電阻R取值1 MΩ，電感L0取值0.20 μH，電感L1取值6.53 μH，非線性電阻A0及A1的伏安特性計(jì)算結(jié)果如表3所示。

3.5 EMTP仿真模型

根據(jù)仿真模型，在ATP-EMTP軟件中建立系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示為站內(nèi)設(shè)備等值模型和避雷器模型、1號(hào)桿塔以及雷電流源模型，部分桿塔模型受限于篇幅未在圖中給出。

圖4 P-G避雷器模型示意圖

I/AA0/kVA1/kV0.002455.2350.1100547.3442.81k591.2486.63k622.6518.110k671.5567.020k717.6613.1

圖5 系統(tǒng)的EMTP仿真模型(部分)

4 仿真結(jié)果及分析

利用圖5的模型進(jìn)行仿真，考慮雷擊1-6號(hào)桿塔時(shí)，絕緣子增加不同片數(shù)時(shí)站入口避雷器的殘壓和通流情況。不同片數(shù)時(shí)站入口避雷器殘壓與雷擊位置關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 不同絕緣子片數(shù)時(shí)避雷器殘壓與雷擊位置關(guān)系曲線

從圖6的計(jì)算結(jié)果中看到，雷擊1號(hào)桿塔導(dǎo)致避雷器殘壓較高，雷擊2號(hào)及后續(xù)桿塔導(dǎo)致的避雷器殘壓顯著下降，低于避雷器動(dòng)作電壓，不足以威脅避雷器運(yùn)行安全。導(dǎo)致上述結(jié)果的原因主要是由于1號(hào)桿塔與出線門架距離約50 m，但2號(hào)桿塔與1號(hào)桿塔檔距約400 m，1號(hào)桿塔外的雷電過(guò)電壓在向站內(nèi)傳播過(guò)程中，分裂導(dǎo)線與避雷線之間以及雙避雷線內(nèi)部的耦合作用導(dǎo)致雷電過(guò)電壓的幅值在傳播過(guò)程中迅速衰減，衰減程度與導(dǎo)線數(shù)量和桿塔結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，1號(hào)桿塔絕緣子調(diào)爬對(duì)站入口避雷器的影響最大，應(yīng)作為最主要的研究對(duì)象，這也是實(shí)際工況下變電站防雷工作中面臨的最為嚴(yán)苛的情況。

雷擊1號(hào)桿塔時(shí)避雷器通流情況與絕緣子串片數(shù)的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 雷擊1號(hào)桿塔時(shí)避雷器時(shí)避雷器通流隨絕緣子片數(shù)變化曲線

圖7中，避雷器通流隨絕緣子片數(shù)增加基本呈線性趨勢(shì)提高，絕緣子片數(shù)增加到16片時(shí)，避雷器通流超過(guò)其標(biāo)稱放電電流，避雷器保護(hù)能力及站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行安全受到線路雷電過(guò)電壓威脅。同時(shí)，1號(hào)桿塔外的絕緣子片數(shù)量增加到19片時(shí)，雷電侵入波也不會(huì)導(dǎo)致避雷器通流超過(guò)其標(biāo)稱放電電流。

5 結(jié)語(yǔ)

為提高線路耐污能力，某雙回出線的220 kV等級(jí)線路以增加絕緣子片數(shù)的方式進(jìn)行了調(diào)爬工作。本文以此為研究對(duì)象，根據(jù)規(guī)程計(jì)算了增加絕緣子片數(shù)對(duì)線路耐雷水平及跳閘率的影響。通過(guò)仿真分析研究了站入口避雷器殘壓和通流特性與絕緣子片數(shù)的關(guān)系，通過(guò)對(duì)計(jì)算及仿真結(jié)果的分析得到以下結(jié)論：

(1)線路耐雷水平隨絕緣子片數(shù)線性增加，線路跳閘率隨絕緣子片數(shù)呈指數(shù)下降。

(2)入侵站內(nèi)的雷電波幅值隨絕緣子沖擊閃絡(luò)電壓提高而增加，站入口避雷器殘壓水平及通流也隨之增加。當(dāng)1號(hào)桿塔絕緣子片數(shù)超過(guò)15片且遭受雷擊時(shí)，避雷器通流超過(guò)其標(biāo)稱放電電流。

(3)對(duì)于本文研究的雙回線路調(diào)爬，1號(hào)桿塔絕緣子數(shù)量不超過(guò)15片，其余桿塔絕緣子數(shù)量不超過(guò)19片，站內(nèi)避雷器及設(shè)備運(yùn)行安全不會(huì)受到威脅。

(4)建議對(duì)線路絕緣子進(jìn)行分級(jí)調(diào)爬，進(jìn)線段桿塔絕緣子調(diào)爬應(yīng)作為重點(diǎn)校核對(duì)象。

[1]交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合:DL/T 620—1997：[S].

[2]馮千秀. 高海拔地區(qū)線路調(diào)爬對(duì)變電站的絕緣配合影響[J]. 四川電力技術(shù)，2011，34(2)：60-64．

FENG Qian-xiu.Influence of creepage distance adjustment of transmission line on insulation coordination of substation in high elevation area[J]. Sichuan Electric Power Technology,2011,34(2):60-64.

[3]陳娜娜. 雷電流數(shù)學(xué)模型的對(duì)比分析[J]. 電氣開關(guān)，2010(2)：82-84．

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[4]Protection against lightning electromagnetic impulse-PartⅠ IEC 1312-1：[S].

[5]HARA T, YAMAMOTO O. Modeling of a transmission tower for lightning surge analysis[J]. IEEE Proc of Trans Distrib, 1996, 143(3): 283-289.

[6]PINCETI P, GIANNETTONI M. A simplified model for zinc oxide surge arresters[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1999, 14(2): 393-398.

(本文編輯：楊林青)

Influence of Creepage Distance Adjustment of Transmission Line Insulator on Substation Lightning Arrester Characteristics

GE Nai-cheng, NIE Yu-ben, YIN Fan, FEI Zheng-ming

(East China Branch, State Grid Corporation of China, Shanghai 200002, China)

According to the pollution area distribution map of Jiangsu power grid in 2013, Jiangsu Electric Power Company conducted insulator creepage distance adjustment for a 220 kV double-circuit transmission line in order to improve the line insulator pollution resistance. Based on the case study of this line, this paper calculated and analyzed the line lightning resisting level and tripping rate changes after the increase of insulator piece number, and established the corresponding simulation model. Then ATP-FMTP software was adopted to analyze the influence of insulator piece number increase on the substation lightning arrester residual voltage and flow. Studies have shown that lightning invasion wave will pose no threat to the safe operation of substation equipments when the insulator piece number increases to 15 pieces and the other insulator piece number increases to 19 pieces in No. 1 tower of the line.

insulator creepage distance adjustment; lightning overvoltage; lightning resistance level; lightning arrester residual voltage

10.11973/dlyny201701001

葛乃成(1980-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)安全監(jiān)督管理工作。

TM216

A

2095-1256(2017)01-0001-05

2016-12-23