輸電線路避雷器雷擊能量吸收分析

曹 冰，任全會，肖 揚

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術學院，鄭州 451400；2.國家電網(wǎng)山東電力設備有限公司，濟南 250002）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，對電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。220 kV及以上輸電線路是電網(wǎng)的核心組成部分，保障其安全運行至關重要[1]。然而，相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]表明，某省2005—2014年，僅因雷擊引起的跳閘次數(shù)已達458次，約占總跳閘次數(shù)的46.78%。線路因雷擊引發(fā)的故障給電網(wǎng)運行帶來了巨大隱患，因此提高輸電線路防雷水平意義重大。

降低桿塔接地電阻[3]、敷設避雷線和耦合地線[4]采用不平衡絕緣方式[1]等多種措施被應用于輸電線路防雷，而根據(jù)以往運行經(jīng)驗，安裝線路避雷器[5-6]是最為直接有效的。目前國內外對于220 kV及以上輸電線路采用線路避雷器后的防護效果有較為詳盡的分析[6-8]，但是對于線路遭受雷擊后避雷器吸收的能量、是否遭受損壞等方面沒有相關探討。對于避雷器防護效果研究，桿塔接地裝置也大多采用工頻接地電阻，而線路遭受雷擊后的散流過程是非常復雜的，電流經(jīng)桿塔、避雷線散流，最后經(jīng)接地裝置向土壤中散流。因此，分析避雷器雷擊能量吸收時必須考慮雷電波在桿塔傳播過程中的畸變，同時考慮桿塔接地裝置在雷電流沖擊下的火花效應與電感效應[3]等暫態(tài)過程。

筆者利用EMTP軟件搭建220 kV輸電線路模型，分析線路發(fā)生雷擊反擊和繞擊情況下的避雷器的殘壓與通流，計算避雷器吸收的能量，討論改變桿塔接地裝置尺寸、線路檔距、線路工作電壓相位角等因素對避雷器吸收能量的影響，為線路避雷器的安裝防護提供相關參考。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

雷電流波形采用Heidler函數(shù)模型[9]表示，具體表達式如下：

式中：I0為雷電流峰值；τ1和τ2分別為波頭、波尾時間常數(shù)；n為電流陡度因子，取10。雷電流波形取2.6/50 μs[10]，雷電通道等值波阻抗根據(jù)相關規(guī)范[10]選取。

1.2 線路及桿塔模型

在EMTP中，220 kV輸電線路模型，線路全線敷設雙避雷線，線路水平檔距為400 m。相線型號為LGX-400/50，避雷線型號GJX-50[11]。為減小雷電流中高頻成分對線路參數(shù)的影響，相線與避雷線采用Jmarti模型來反映頻率與線路參數(shù)間關系及分布損耗特性。

220 kV桿塔為S1型鐵塔，為了考慮雷電波在桿塔上的傳播過程，同時體現(xiàn)桿塔的不同部位、不同高度處阻抗的變化，采用Hara提出的無損多阻抗桿塔模型。桿塔結構及其無損多波阻抗模型見圖1[12]。

圖1 桿塔結構與無損波阻抗模型Fig.1 Structure of tower and its circuit model

圖1中，ZA對應橫擔波阻抗，Zt對應主支架波阻抗，ZL對應支架波阻抗。橫擔波阻抗ZAk通過下式計算：

式中，hk和rAk為第k個橫擔高度及等效半徑。

主支架波阻抗Ztk通過下式估算：

式中，桿塔各部分的等效半徑rek通過經(jīng)驗公式求取，rek=21/8（rtk1/3rB2/3）1/4（Rtk1/3RB2/3）3/4。hk、rtk、Rtk、RB意義見圖1[12]。仿真中桿塔參數(shù)如下：h1=53.3 m、h2=41.5 m、h3=32.5 m、h4=24 m。

根據(jù)相關測量結果，主支架波阻抗Ztk與支架波阻抗ZLk存在如下關系：

絕緣子串閃絡的常見判斷方法有規(guī)程法、相交法和先導法。規(guī)程法應用于同桿多回線路判斷與實際運行結果差別較大，相交法忽略了絕緣閃絡過程中雷電過電壓波形的影響，因此本文線路絕緣閃絡判斷采用與實驗結果吻合度較高的先導法[13-15]，考慮空氣閃絡的整個物理過程。

閃絡通過流注和先導兩個過程的放電時間之和來判斷，當雷電沖擊電壓能夠保持流注先導及其繼續(xù)發(fā)展且加壓時間等于間隙擊穿時間tc時，間隙被擊穿。

間隙擊穿時間由下式計算：

式中：ts為流注發(fā)展時間；tl為先導發(fā)展時間；E為絕緣子串閃絡之前的最大平均場強；E50%為放電電壓下的均場強。

先導過程在流注發(fā)展過程完畢后開始，先導長度通過時間的函數(shù)表達[16]：

式中：dl/dt為先導發(fā)展速度；U為間隙承受電壓；D為間隙長度；l為先導已發(fā)展的長度；EL0為先導發(fā)展起始場強，推薦取值600 kV/m；k為先導速度發(fā)展系數(shù)，推薦取值1.3。

1.3 接地裝置模型

桿塔接地系統(tǒng)在雷電流作用下的暫態(tài)特性與工頻狀態(tài)存在很大不同。當雷電流幅值較大時，會擊穿接地體周圍土壤導致電離，即產(chǎn)生火花放電效應[17]?；鸹ㄐg接增加了接地體的尺寸，從而降低沖擊接地電阻，但是由于接地體自身電感效應的存在，阻礙了電流高頻成分向遠處的傳播，反而會增大沖擊接地電阻，需要綜合考慮這兩種效應對泄流過程的影響。

仿真中采用4根水平接地棒模擬桿塔接地裝置，水平接地體等效成有損長線，由電感、電容、電導和電阻組成，等效電路模型見圖2[18]。

圖2 水平接地體的有損傳輸模型Fig.2 Loss transmission line circuit model of a horizontal grounding electrode

圖2中，R0、L0、G0、C0分別為單位長度電阻、單位長度電感、單位長度電導和單位長度電容，由下列公式計算確定[18]：

式中：ρc為水平接地棒電阻率；r0為接地棒半徑；l0為分段接地棒長度；h為接地棒埋深；ρs為土壤電阻率；εs為土壤介電常數(shù)。仿真中，接地棒直徑為10 mm，接地棒電阻率為2.5×10-7Ω·m，土壤電阻率為100Ω·m，相對介電常數(shù)取10，埋設深度0.5 m，每根接地棒的長度為10 m。

當土壤因電流沖擊產(chǎn)生電離后，接地棒分段等效半徑ri通過下式求取[19]：

式中：Ji為第i段導體電流密度；Ec為臨界土壤擊穿場強；△Ii為流經(jīng)第i段導體的電流。

臨界土壤擊穿場強與土壤電阻率有關，具體計算如下：

土壤電離對接地棒電感和電阻沒有影響，對電容影響也相對較小，主要考慮其對接地棒電導影響，在EMTP中，利用可變電導來模擬火花效應影響。

將式（14）中的ri代入式（10）計算得到可變電導公式如下[19]：

1.4 避雷器模型

線路三相均安裝帶串聯(lián)間隙線路型金屬氧化物避雷器，避雷器的型號為YH10CX-204/592K，避雷器額定電壓為204 V，直流參考電壓U1mA為296 V，8/20 μs 10 kA雷電流沖擊下殘壓為592 kV。避雷器的暫態(tài)模型對于分析其能量吸收至關重要，EMTP中自帶的避雷器模型無法準確表示帶串聯(lián)間隙避雷器，仿真中采用壓控開關與非線性電阻串聯(lián)模型來模擬，見圖3[20]。

圖3 避雷器模型Fig.3 Equivalent model of the line arrester

當避雷器兩端電壓超過間隙擊穿電壓時，避雷器動作，相當于開關閉合。避雷器串聯(lián)放電間隙長度為1 050 mm，擊穿電壓取其50%雷電沖擊放電電壓1 000 kV。避雷器動作后，兩端電壓與電流符合下式關系：

式中：i為流經(jīng)避雷器的電流；Ur為避雷器兩端電壓。k與α根據(jù)具體參數(shù)擬合而得。

避雷器吸收的能量計算如下：

式中：i（t）為流經(jīng)避雷器的瞬時電流，u（t）為避雷器兩端瞬時電壓。

2 仿真結果分析

2.1 繞擊電流幅值

目前常用的線路雷擊分析模型包括規(guī)程法[10]、電氣幾何模型（EGM）[21]和先導發(fā)展模型（LPM）[22]，EGM理論較為成熟，應用最為廣泛。根據(jù)電氣幾何模型（EGM）相關分析，當雷電流幅值較大時，輸電線路容易發(fā)生反擊；電流幅值較小時，線路容易發(fā)生繞擊。EGM核心是擊距概念，根據(jù)Whitehead等人的研究，避雷線rs、相線擊距rc和對地面擊距rg具體計算公式[21]如下：

圖4給出了應用電氣幾何模型計算線路最大繞擊電流示意圖。

圖4 繞擊電氣幾何模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of electric geometric model of shielding striking

擊距與電流幅值相關，通過求取避雷線和頂相導線的擊距邊界線與頂相導線和大地的擊距邊界線的交點，即可確定頂相導線最大繞擊電流。當雷擊檔距中央時，最大繞擊電流為45kA。

2.2 殘壓與通流

圖5給出了發(fā)生反擊與繞擊情況下頂相避雷器殘壓與通流。反擊電流幅值50 kA，繞擊電流幅值45 kA。由圖5可看出，發(fā)生反擊時，避雷器殘壓與通流波形振蕩不如繞擊時劇烈，持續(xù)時間也較短，但是線路過電壓均得到明顯抑制，未造成絕緣子串閃絡。

2.3 接地裝置尺寸影響

圖6給出了不同接地棒長度情況下，避雷器吸收能量變化。

由圖6可看出，雖然反擊電流與繞擊電流幅值相差不大，但避雷器吸收的能量相差較大，這主要是由于發(fā)生反擊時絕大部分雷電波能量經(jīng)由桿塔泄散入地。反擊時避雷器吸收的能量隨著接地棒長度的增加而降低，繞擊時避雷器吸收的能量隨著接地棒長度的增加而增大。隨著接地棒長度的繼續(xù)增加，避雷器吸收能量變化幅度非常小，這是因為接地棒自身的電感、電容阻礙了雷電流的進一步傳播，降低桿塔接地電阻效果不明顯。

圖5 避雷器殘壓與電流Fig.5 Residual voltages and currents of line arresters

圖6 避雷器吸收能量隨接地棒長度變化Fig.6 Energy absorbed vs length of grounding electrode

2.4 檔距影響

圖7給出了不同線路檔距情況下，避雷器吸收能量變化。從圖7可看出，無論是反擊還是繞擊，避雷器吸收的能量均隨著線路檔距的增大而增加。這主要是因為較長的線路檔距產(chǎn)生的線路電感，從而增大了雷電流的持續(xù)時間，導致吸收能量的增加。

2.5 相位角影響

圖8給出了避雷器吸收能量隨線路工作電壓相位角變化情況，頂相線路工作電壓初始相位角為0°。

從圖8可看出，線路發(fā)生反擊時，避雷器吸收能量隨著工作電壓相位角的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，而發(fā)生繞擊時，吸收能量則呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。發(fā)生反擊時，工作電壓相位角對避雷器能量吸收的影響較繞擊時更為明顯，但是反擊時吸收能量數(shù)值較小，不會超過避雷器能量吸收閾值，因此不會造成避雷器的損壞，而繞擊時避雷器的損壞概率則相對較大。

圖7 避雷器吸收能量隨線路檔距變化Fig.7 Energy absorbed vs span length

圖8 避雷器吸收能量隨電壓相位角變化Fig.8 Energy absorbed vs the phase angle

3 結論

通過在EMTP中建立220 kV輸電線路模型，分析發(fā)生反擊和繞擊情況下避雷器能量吸收情況，得到結論如下：

1）線路發(fā)生反擊時，避雷器殘壓與通流波形振蕩不如繞擊時劇烈。

2）線路發(fā)生反擊時，避雷器吸收的能量隨著接地棒長度的增加而降低，發(fā)生繞擊時，吸收的能量隨著接地棒長度的增加而增大。

3）避雷器吸收的能量隨著線路檔距的增大而增加。

4）線路發(fā)生反擊時，避雷器吸收的能量隨著工作電壓相位角的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，而發(fā)生繞擊時，能量吸收情況則恰恰相反。

參考文獻：

[1]吳廣寧.過電壓防護的理論與技術[M].北京：中國電力出版社，2015.

[2]陸俊杰，徐秀峰，梁聰.基于正態(tài)分布雷電參數(shù)的220 kV線路雷擊跳閘模擬[J].電瓷避雷器，2015（5）：106-110.LU Junjie，XU Xiufeng，LIANG Cong.Simulation of light?ning trip-out of 220 kV transmission lines based on nor?mal distribution of lightning parameters[J].Insulators and Surge Arresters，2015（5）:106-110.

[3]何金良，曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術[M].北京：科學出版社，2007.

[4]張思寒.耦合地線架設方式對220 kV同塔雙回輸電線路反擊防雷效果的研究[J].電瓷避雷器，2016（1）：105-111.ZHANG Saihan.Research on back striking lightning pro?tection effect of different coupling ground wire mounting options for 220 kV double-circuit transmission line[J].In?sulators and Surge Arresters，2016（1）:105-111.

[5]楊海龍.不同配置方式下的同桿雙回輸電線路雷電沖擊特性的研究[J].電瓷避雷器，2016（5）：135-140.YANG Hailong.Research on lightning impulse characteris?tics of double-circuit transmission line on same Tower un?der different configuration modes[J].Insulators and Surge Arresters，2016（5）:135-140.

[6]熊泰昌.電力避雷器[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[7]SHIGENO T.Experience and effectiveness of application of transmission line arresters[C].Transmission and Distri?bution Conference and Exhibition 2002:Asia Pacific.IEEE/PES，2002：636-639.

[8]田洪，王寧，陳天翔，等.線路避雷器提高超高壓大跨越架空線路繞擊耐雷水平的仿真研究[J].高電壓技術，2015，41（1）：64-68.TIAN Hong，WANG Ning，CHEN Tianxiang，et al.Simu?lation research on improvement of lightning shielding level of long spans of EHV overhead lines by installing surge ar?resters[J].High Voltage Engineering，2015，41（1）:64-68.

[9]IEEE guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines：1410—2010[S].

[10]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范：GB/T50064—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[11]李瀚儒.同塔多回架空輸電線路雷電反擊研究[D].廣州：華南理工大學，2014.

[12]張永記，司馬文霞，張志勁.防雷分析中桿塔模型的研究現(xiàn)狀[J].高電壓技術，2006，32（7）：93-97.ZHANG Yongji，SI MA Wenxia，ZHANG Zhijin.Summa?ry of the study of Tower models for lightning protection analysis[J].High Voltage Engineering，2006，32（7）:93-97.

[13]肖萍，周新軍，汪沨，等.基于先導閃絡判據(jù)的變電站侵入波過電壓的研究[J].電瓷避雷器，2013（1）：16-20.XIAO Ping，ZHOU Xinjun，WANG Feng，et al.Study of the lightning invaded overvoltage in substation based on leader flashover criterion[J].Insulators and Surge Arrest?ers，2013（1）:16-20.

[14]ANCAJIMA A，CARRUS A，CINIERI E，et al.Break?down characteristics of air spark-gaps stressed by stan?dard and short-tail lightning impulses:Experimental re?sults and comparison with time to spark over models[J].Journal of Electrostatics，2007，65（5）:282-288.

[15]MOTOYAMA，H.Experimental study and analysis of breakdown characteristics of long air gaps with short tail lightning impulse[J].IEEETrans.on Power Delivery，1996，11（2）:972-979.

[16]Insulation coordination-Part4:Computational guide to in?sulation coordinationand modelling of electrical networks：IEC 60071-4[S].2004.

[17]楊琳，吳廣寧，田曉菲.基于EMTP的水平接地體沖擊時-頻特性分析[J].電工技術學報，2011，26（6）：194-197.YANG Lin，WU Guangning，TIAN Xiaofei.Analysis of impulse characteristic grounding electrode in frequency and time domain based on EMTP[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26（6）:194-197.

[18]張家祥，張桂林.桿塔接地體沖擊對輸電線路雷電反擊分析[J].電瓷避雷器，2016（6）：171-175.ZHANG Jiaxiang，ZHANG Guilin.Analysis of lightning back striking of transmission line considering impulse characteristics of grounding electrodes[J].Insulators and Surge Arresters，2016（6）:171-175.

[19]WANG Zicheng，ZHANG Yadong，GUO Jin，et al.An EMTP comprehensive model of Tower grounding and its simulation analysis[C].2017 2nd Asia Conference on Pow?er and Electrical Engineering（ACPEE 2017），2017:1-7.

[20]張海龍，常樹生，戚為，等.采用線路避雷器提高220 kV線路耐雷水平研究[J].東北電力大學學報，2008，28（6）：6-9.ZHANG Hailong，CHANG Shusheng，QI Wei，et al.Study on adopting ZnO arrester to increase lightning with?stand level of 220 kV transmission line[J].Journal of Northeast China Institute of Electric Power Engineering，2008，28（6）:6-9.

[21]BROWN G W，WHITEHEAD E R.Whitehead,Field and analytical studies of transmission line shielding II[J].IEEE Transactions on Power Apparatus Systems，1969，88（5）:617-626.

[22]DELLERA L，GARBAGNATI E.Lightning stroke simula?tion by means of the leader progression model.II.Expo?sure and shielding failure evaluation of overhead lines with assessment of application graphs[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1990，5（4）:2023-2029.