500 kV線路避雷器保護失效分析及改進措施研究

劉守豹，侯玉成，盛明珺，方 圓，童 理，韋昌偉

(大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引 言

雷擊是輸電線路跳閘的主要原因[1-4]，線路避雷器是進行架空輸電線路防雷治理的重要設備，由于其工作原理清楚、防雷效果可查、運行維護簡單、可靠性較高，在線路防雷工作中被廣泛采用[5-8]。

當雷擊輸電線路時，被保護絕緣子串和線路避雷器同時承受過電壓，理想情況下二者承受電壓相同，但線路避雷器動作電壓低于絕緣子串擊穿電壓，因此線路避雷器起到保護絕緣子串的作用[9-10]。但實際運行中，由于避雷器安裝方式不同，會出現雷擊下線路避雷器未動作而絕緣子串閃絡的故障。500 kV線路避雷器由于長度較大，安裝方式與低電壓等級線路避雷器不同，存在安裝不當導致保護失效的問題。

下面針對某已安裝線路避雷器的500 kV桿塔發生的雷擊跳閘故障，采用ATP-EMTP建立電磁暫態仿真分析模型，對雷電反擊情況下桿塔電位分布情況進行計算，得出導致絕緣子閃絡而避雷器未動作的原因，提出避免500 kV避雷器保護失效的改進措施。

1 線路跳閘情況

某500 kV線路在雷雨天氣中發生跳閘，重合閘成功，兩側行波測距均顯示故障點位于該線路52號桿塔處，跳閘相位為A相(右相)，如圖1所示。通過查詢雷電定位系統顯示故障時刻該桿塔附近出現幅值為176 kA的雷電流，桿塔接地電阻為12 Ω，因此確認此次跳閘為大幅值雷電流反擊導致。

圖1 故障桿塔全貌

從圖1可知，故障桿塔左右兩相均安裝有線路避雷器，由此可知線路避雷器在此次雷擊故障中并沒有發揮其防雷功效，出現了線路避雷器對線路雷擊防護失效的問題。

為了對此次500 kV線路避雷器保護失效進行研究，將各電壓等級線路避雷器安裝方式進行展示，見圖2。

從圖2可知，在電壓等級較低時，線路避雷器一般采用與絕緣子串并聯安裝的方式，見圖2(a)—圖2(b)，即避雷器的零電位點與絕緣子串的零電位點處于同一水平位置。隨著電壓等級升高，線路避雷器長度增加，安裝方式也隨之變化，避雷器的零電位點轉移至絕緣子串零電位點的下方，見圖2(c)—圖2(f)。

圖2 不同電壓等級線路避雷器安裝方式

對于工頻電壓而言，導體上傳播路徑十幾米甚至幾十米的差異不會造成明顯的電壓差異，而雷電行波的波頭時間是微秒級，零電位點較小的空間差異將造成巨大的電位差異。因此，對于500 kV及以上電壓等級線路避雷器，均存在因安裝原因導致的避雷器保護失效問題。

2 仿真模型介紹

以500 kV某線路52號桿塔為分析對象，在ATP-EMTP中建立對應的桿塔多段波阻抗模型[11]，如圖3所示。為方便觀測雷電波傳播過程中在桿塔內各部位的電壓波形，從上至下設置6個電壓觀測點，將桿塔塔身進一步細分為長度相同的三段，其中將避雷器零電位點設置于觀測點4。

圖3 桿塔及其波阻抗模型

典型的500 kV線路避雷器安裝方式(也是52號桿塔線路避雷器安裝方式)如圖4所示，線路避雷器類型為YH20CX1-396/1050，其中避雷器的接地點為計數器安裝點。

圖4 典型500 kV線路避雷器安裝方式

建立仿真模型如圖5所示，其中雷電流由雙指數波模擬，波形為1.2/50 μs，絕緣子串干弧距離為4.3 m，線路避雷器復合支撐件干弧距離為1.5 m，對應的伏秒特性曲線根據參考文獻[12-13]中的公式進行模擬，其中避雷器伏秒特性曲線為復合支撐件干弧距離伏秒特性曲線與線路避雷器直流1 mA參考電壓(561 kV)相加[14-15]，線路避雷器和絕緣子串的伏秒特性曲線如圖6所示。

圖5 避雷器安裝方式有效性驗證模型

圖6 絕緣子串及線路避雷器伏秒特性曲線

根據參考文獻[16-17]避雷器要有效保護絕緣子串，其沖擊放電電壓必須低于絕緣子沖擊放電電壓的85%。由圖7所示線路避雷器與絕緣子串的伏秒特性曲線之比，可知在沖擊電壓作用下，線路避雷動作電壓最大也只有絕緣子串的65%，且當波頭越陡時該型號的500 kV線路避雷器對絕緣子串的保護性能越好，即雷電波達到最大值的上升時間越短則一定是避雷器-復合支撐件先擊穿(避雷器動作)。

圖7 線路避雷器伏秒特性曲線與絕緣子串伏秒特性曲線之比

3 避雷器防護有效性分析

在10 kA雷電流繞擊桿塔A相導線時，絕緣子串和線路避雷器兩端的電壓波形如圖8所示。

從圖8可知，繞擊情況下線路避雷器和絕緣子串承受的電壓波形幾乎沒有差別，由于線路避雷器動作電壓低于絕緣子串沖擊放電電壓，所以線路避雷器將能夠有效防止絕緣子串繞擊閃絡。

圖8 繞擊情況下線路避雷器和絕緣子串承受的電壓波形

采用100 kA雷電波反擊塔頭(觀測點1)，得到各個觀測點電壓波形如圖9所示。

從圖9可知：1)過電壓達到峰值的時間為0.3 μs，而雷電流達到峰值的時間為1.2 μs，雷電波從桿塔塔頂入地的傳播時間為0.14 μs，因此在接地電阻較小的情況下雷電反擊導致的過電壓最大幅值不是出現在雷電流的峰值；2)觀測點過電壓起始值從上至下依次過零，是雷電波在桿塔內部傳播的體現；3)各觀測點電位從上至下依次遞減，反映了地電位對桿塔電位的鉗制作用。

圖9 反擊雷電作用下各觀測點電壓波形

在典型的500 kV線路避雷器安裝方式下，絕緣子串兩端電壓實際上是導線和觀測點2之間的電位差，線路避雷器兩端電壓實際上是導線和觀測點4之間的電位差，波形如圖10所示。其中線路避雷器和絕緣子串承受過電壓峰值的比值為0.54，即線路避雷器承受的最大電壓只有絕緣子串承受最大電壓的54%。對應圖10中峰值出現時刻，線路避雷器雷擊放電電壓約為絕緣子串雷擊放電電壓的55%(見圖7)。因此，線路如果采用典型安裝方式，反擊雷電流作用下線路避雷器動作概率和絕緣子串擊穿概率大致相同，線路避雷器將不能有效保護絕緣子串。

圖10 反擊情況下線路避雷器和絕緣子串承受的電壓波形

4 改進的500 kV線路避雷器安裝方式

從第3章的分析可知，導致線路避雷器在雷電反擊情況下保護失效的原因是避雷器參考電位點(計數器安裝位置)與絕緣子串參考電位點(桿塔橫擔)不同，為了保證反擊情況下線路避雷器對絕緣子串保護的有效性，提出了改進的避雷器安裝方式，如圖11所示。

圖11 改進的500 kV線路避雷器安裝方案

圖11中計數器至避雷器的銅絞線長度為16 m，100 kA雷電流反擊情況下線路避雷器和絕緣子串兩端電壓波形如圖12所示，從圖中可知改進安裝方式后反擊條件下線路避雷器兩端承受電壓將與絕緣子兩端電壓基本相等，在大幅值雷電流反擊時線路避雷器一定能有效保護絕緣子串。

圖12 改進安裝方式后反擊情況下線路避雷器和絕緣子串兩端電壓波形

5 結 論

1)對于500 kV及以上電壓等級線路避雷器，由于其長度較大，避雷器零電位點位于絕緣子串零電位點下方，容易造成大幅值雷電流反擊下的絕緣子串承受電壓低于線路避雷器承受電壓，出現避雷器保護失效問題。

2)對于已經安裝的線路避雷器，可以采用將鋼絲拉繩更換為絕緣子，將零電位點上移至與被保護絕緣子串懸掛點同等水平高度的位置，使得反擊雷電流作用下線路避雷器承受電壓與絕緣子串基本相同。

3)所提方案是對500 kV線路避雷器防雷保護有效性的研究，對更高電壓等級線路避雷器，由于其安裝方式與500 kV線路避雷器類似，也可以采用與所提方案類似的方式對其進行改造。