山區(qū)110 kV線路防雷電過(guò)電壓影響因素的仿真分析

陳蕭霖， 郝捷， 武娜

(1國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京　210000；2國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原　030001)

0　引　言

統(tǒng)計(jì)表明，地處山區(qū)的輸電線路由于其特殊的地理位置極易發(fā)生跳閘或斷線事故。本文針對(duì)山西某實(shí)際線路(全長(zhǎng)24.5千米、桿塔70基)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)改變線路接地電阻、絕緣水平以及避雷器安裝等防雷因素，對(duì)山區(qū)110 kV線路的防雷設(shè)計(jì)提供參考。實(shí)測(cè)表明，該線路6#、7#桿塔跳閘率較高，因此本文以6#、7#及其相鄰桿塔作為雷擊點(diǎn)進(jìn)行仿真，部分仿真模型如圖1所示[1-2]。

圖1　接地電阻對(duì)防雷水平的影響仿真模型截圖

1　山區(qū)輸電線路方雷電侵入波的影響因素

1.1　接地電阻對(duì)山區(qū)輸電線路的影響

實(shí)測(cè)表明，該線路各基桿塔接地電阻值在5 Ω～30 Ω之間，為分析接地電阻對(duì)山區(qū)輸電線路防雷水平的影響，本文考慮最理想情況與最?lèi)毫忧闆r，即將該線路所有桿塔的接地電阻分別設(shè)定為5 Ω和30 Ω進(jìn)行仿真[3-4]。當(dāng)60 kA雷電流擊中6#桿塔時(shí)，6#桿塔及相鄰4#～9#桿塔接地電阻分別為5 Ω和30 Ω時(shí)絕緣子電壓波形如圖2(a)和圖2(b)所示。

從圖2可以看出，當(dāng)6#桿塔遭受雷擊時(shí)其絕緣子電壓急劇升高。但接地電阻為5 Ω時(shí)，絕緣子電壓并未達(dá)到絕緣子串的閃絡(luò)電壓。而接地電阻為30 Ω時(shí)，除6#桿塔外，與6#桿塔相鄰的多基桿塔的絕緣子電壓均達(dá)到閃絡(luò)電壓，使絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，且未閃絡(luò)桿塔絕緣子電壓也明顯升高。

圖2　接地電阻分別為30 Ω和5 Ω時(shí)絕緣子串兩端電壓波形圖

此外，6#桿塔遭受雷擊時(shí)，5#和7#桿塔絕緣子電壓也會(huì)因接地電阻的改變而改變，當(dāng)桿塔接地電阻分別為5 Ω和30 Ω時(shí)，7#桿塔絕緣子電壓波形對(duì)比如圖3所示?？梢钥闯觯拥仉娮璧脑龃笠矔?huì)造成7#桿塔絕緣子閃絡(luò)。因此，部分桿塔即使未直接遭受雷擊，也會(huì)發(fā)生絕緣子閃絡(luò)。

圖3　接地電阻分別為5 Ω和30 Ω時(shí)5#及7#桿塔絕緣子串兩端電壓波形圖

圖4　接地電阻為5 Ω和30 Ω時(shí)分別流向5#及7#桿塔電流波形對(duì)比圖

造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)6#桿塔遭受雷擊時(shí)，桿塔接地電阻為30 Ω時(shí)流向5#和7#桿塔的電流要遠(yuǎn)大于接地電阻為5 Ω時(shí)的電流，從而導(dǎo)致絕緣子串兩端電壓也高，電流波形圖如圖4所示。這是因?yàn)?#桿塔上的絕緣子閃絡(luò)后，雷電流被引入輸電線路并流向相鄰桿塔，此時(shí)雷電流作用于相鄰桿塔絕緣子一端，而桿塔的防雷水平由其絕緣水平?jīng)Q定，即會(huì)在相鄰桿塔尋一較為薄弱的地方泄放。由于該線路7#桿塔絕緣水平較低，而流到7#桿塔的雷電流大于其耐雷水平，因此7#桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。

接地電阻是反映山區(qū)輸電線路防雷效果重要因素。因此在各條山區(qū)輸電線路中各基桿塔接地電阻應(yīng)越小越好，而非僅降低易擊桿塔的接地電阻。

1.2　絕緣水平對(duì)防雷系統(tǒng)的影響

架空線路常用的絕緣子包括復(fù)合型絕緣子、玻璃絕緣子及瓷質(zhì)絕緣子。同一條線路的絕緣水平在符合防雷標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)作均衡配置。文獻(xiàn)[5]中規(guī)定不同電壓等級(jí)線路絕緣子每串最少片數(shù)，如表1所示。

表1　不同電壓等級(jí)的線路絕緣子串片數(shù)要求

(1)同條線路絕緣水平高低不齊時(shí)對(duì)防雷水平的影響

本文仿真的實(shí)際線路由于桿塔類(lèi)型的不同，其絕緣配置也不同。部分線路段絕緣水平較低，導(dǎo)致其成為線路薄弱點(diǎn)。以雷擊6#桿塔為例，6#桿塔采用10片F(xiàn)C-100/146型玻璃絕緣子，其單片結(jié)構(gòu)高度為146 mm，單片最小擊穿電壓為130 kV，沖擊耐受電壓為125 kV，則10片該型號(hào)絕緣子串接在一起后，絕緣子的50%閃絡(luò)電壓為：

與6#桿塔相鄰的7#桿塔絕緣子采用FXBW(N)-110/100型復(fù)合絕緣子，其絕緣子50%閃絡(luò)電壓為550 kV，因此7#桿塔的絕緣水平明顯低于6#桿塔。實(shí)際情況中，由于6#桿塔絕緣水平較高，因此6#桿塔耐雷水平較高。使用60 kA雷電流擊中6#桿塔，6#和7#桿塔絕緣子電壓如圖5所示。

圖5　7#絕緣較低時(shí)6#和7#絕緣子兩端電壓波形圖

圖6　提高7#絕緣后6#和7#絕緣子兩端電壓波形圖

圖7　提高7#絕緣前后7#塔頂電流波形對(duì)比圖

由圖5可知，雷擊6#桿塔時(shí)6#桿塔絕緣子并未閃絡(luò)，但與其相鄰的7#桿塔絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，此時(shí)6#的塔的耐雷水平已不是由其自身的絕緣子閃絡(luò)情況決定，而是由其相鄰的絕緣較低桿塔決定。若同時(shí)加強(qiáng)7#桿塔絕緣水平，將其絕緣子改成9～10片F(xiàn)C-100/146型玻璃絕緣子，使用60 kA雷電流擊中6#桿塔，6#和7#桿塔絕緣子電壓波形如圖6所示。此時(shí)6#和7#桿塔絕緣子均未閃絡(luò)，即桿塔上的絕緣水平作無(wú)差別配置且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，可有效提高整個(gè)系統(tǒng)的防雷水平。

造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)7#桿塔絕緣水平較低時(shí)，7#桿塔承受雷電流很高，且接地電阻高導(dǎo)致電流不能泄放致其絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。圖7為提高7#桿塔絕緣前后7#桿塔承受雷電流波形圖。此外，若降低7#桿塔的接地電阻，也將會(huì)更有效的減少絕緣子閃絡(luò)的概率，因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)做好措施的配合優(yōu)化，在增強(qiáng)絕緣同時(shí)做好降阻的工作。

1.2.2 專(zhuān)家訪談法 根據(jù)本課題研究?jī)?nèi)容，于2018年3月至6月訪談北京大學(xué)校選修課的授課教師與北京體育大學(xué)體育舞蹈教研室2位副教授（表1），獲得上課的內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、負(fù)荷量等相關(guān)信息。

(2)同條線路絕緣配置相同但均較低對(duì)防雷水平的影響

山區(qū)110 kV線路桿塔絕緣子最少應(yīng)為7片。若整條線路均掛接7片F(xiàn)C-100/146型玻璃絕緣子，則絕緣子串的50%閃絡(luò)電壓為：

圖8　全線采用7片絕緣子雷擊后絕緣子兩端電壓波形圖

以雷擊6#桿塔為例，使用50 kA雷電流擊中6#桿塔，6#桿塔及其相鄰5#和7#桿塔的絕緣子電壓波形如圖8所示。從圖8可以看出，僅6#桿塔絕緣子發(fā)生了閃絡(luò)，而5#和7#桿塔絕緣子未閃絡(luò)。

若全線采用FXBW(N)-110/100型復(fù)合絕緣子，其50%閃絡(luò)電壓為550 kV，使用50 kA雷電流擊中6#桿塔，6#桿塔及其相鄰的5#和7#桿塔上的絕緣子電壓波形如圖9所示。從圖9可以看出三基桿塔絕緣子均發(fā)生閃絡(luò)，即在整條線路絕緣水平較低時(shí)，雷擊某基桿塔不僅會(huì)造成本基桿塔絕緣子閃絡(luò)，也可能會(huì)造成其相鄰桿塔的絕緣子閃絡(luò)。

圖9　全線采用復(fù)合型絕緣子電壓波形圖

若全線加強(qiáng)絕緣，每基桿塔配置9片F(xiàn)C-100/146型玻璃絕緣子，則絕緣子串的50%閃絡(luò)電壓為：

使用50 kA雷電流擊中6#桿塔，得到5#～7#桿塔絕緣子電壓波形如圖10所示，此時(shí)所有絕緣子均未閃絡(luò)，線路在遭受雷擊后可以安全運(yùn)行。

圖10　全線采用9片絕緣子電壓波形圖

通過(guò)仿真分析可知，保持線路均衡絕緣水平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)其整體的絕緣能力，否則當(dāng)某基桿塔遭受雷擊時(shí)不僅會(huì)造成本基桿塔的絕緣子閃絡(luò)，還會(huì)影響相鄰塔，造成事故擴(kuò)大。由于本節(jié)桿塔接地電阻統(tǒng)一設(shè)置為30 Ω，因此桿塔防雷水平較差。實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)先降低桿塔接地電阻，再考慮全線絕緣情況，以此避免接地電阻過(guò)高使增強(qiáng)絕緣失效的情況發(fā)生。

1.3　避雷器對(duì)防雷系統(tǒng)的影響

圖11　雷擊安裝線路避雷器的7#桿塔后5#～9#桿塔絕緣串兩端電壓波形圖

圖12　增強(qiáng)9#絕緣后4#～10#桿塔絕緣串兩端電壓波形圖

由圖11可知，雖然7#桿塔絕緣子未閃絡(luò)，但相隔甚遠(yuǎn)的9#桿塔絕緣子卻發(fā)生了閃絡(luò)，而距其相對(duì)較近的6#和8#均未閃絡(luò)。這是因?yàn)樵摼€路9#桿塔采用復(fù)合型絕緣子，絕緣水平相對(duì)較低。加裝線路避雷器后，7#桿塔承受的雷電流釋放到輸電線路中并向相鄰桿塔線路流動(dòng)，并在線路中尋找薄弱點(diǎn)釋放且漸漸削減。由于9#桿塔絕緣子閃絡(luò)，7#桿塔加裝線路避雷器后的耐雷水平仍未達(dá)到75 kA。為提高7#桿塔的耐雷水平至75 kA，可以加強(qiáng)9#桿塔的絕緣水平，使用75 kA雷電流擊中7#桿塔，4#～10#桿塔絕緣子電壓波形如圖12所示。

由圖12可知，與7#桿塔相鄰的多基桿塔絕緣子均未閃絡(luò)，包括絕緣水平與9#桿塔相同的10#桿塔，這就表明雷電流已流向終端桿塔得以釋放。但在實(shí)際情況中，某基桿塔雖然增強(qiáng)了絕緣，但由于其相鄰桿塔絕緣水平也較低，未能使雷電流削減至絕緣子閃絡(luò)的臨界值以下，導(dǎo)致耐雷水平無(wú)法提高，因此線路的絕緣水平應(yīng)統(tǒng)一作較高配置，使雷電流削弱至絕緣子閃絡(luò)的臨界值以下。此外，還可采用在9#桿塔加裝線路避雷器泄放雷電流。在9#桿塔加裝線路避雷器后，使用75 kA雷電流擊中7#桿塔，5#～10#桿塔絕緣子電壓波形如圖13所示。

圖13　9#安裝線路避雷器后5#～10#桿塔絕緣串兩端電壓波形圖

由圖13可知，9#桿塔避雷器動(dòng)作，其相鄰桿塔均未閃絡(luò)，7#桿塔的耐雷水平也有效的提高到了75 kA以上。

2　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1)接地電阻過(guò)大不僅會(huì)造成本基桿塔絕緣子閃絡(luò)，還會(huì)造成相鄰桿塔絕緣子閃絡(luò)。

(2)線路的絕緣水平應(yīng)保持均衡且需提高其整體絕緣能力，否則當(dāng)某基桿塔遭受雷擊時(shí)不僅會(huì)使本基桿塔的絕緣子閃絡(luò)，還會(huì)對(duì)相鄰桿塔產(chǎn)生影響，造成事故擴(kuò)大。

(3)安裝線路避雷器后引入線路的雷電流可通過(guò)提高其余桿塔的絕緣或在相鄰桿塔加裝線路避雷器的將其釋放，以此提高線路整體的耐雷水平。

綜上所述，山區(qū)線路防雷系統(tǒng)不僅要考慮接地電阻、絕緣水平和避雷器等措施的使用，應(yīng)從整體分析，綜合使用上述措施，以此達(dá)到防雷效果的最優(yōu)化。

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