抽水蓄能電站10 kV連續(xù)傾斜架空線感應 電場強度分析及過電壓防護

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(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410001；2.長沙科智防雷工程有限公司，長沙 410003)

0 引言

作為我國城市配電與農村供電線路的主要電壓等級，10～35 kV配電線路采用的中性點不接地或經消弧線圈、高阻接地的方式能在接地故障情況下穩(wěn)定運行一段時間。同時作為配電線路電壓等級，對其安全可靠性要求不高，防雷設計及配置方面研究較少。

但是，10 kV電壓等級在一些其它部門擔任著重要的傳輸任務，如抽水蓄能電站的上下庫架空線，電氣化鐵路的供電線路等。隨著電網的不斷完善，保證10 kV重要線路的安全穩(wěn)定逐漸成為研究的重點；110 kV及以上電壓等級防雷保護應用較為成熟，能夠有效指導10 kV特殊線路防雷配置；同時，10 kV配電線路雷害主要為感應雷，但是特殊的10 kV供電線路往往受到的雷害還包含有直擊雷，為了保證其在雷擊發(fā)生時有效抑制過電壓，必須配置完善的防雷保護裝置，以確保其安全穩(wěn)定運行[1-2]。

1 抽水蓄能電站雷害情況統(tǒng)計與分析

1.1 雷電參數(shù)統(tǒng)計

抽水蓄能電站10 kV架空線一般架設在崎嶇的山坡上，且為了保證傳輸距離相對較短，大多數(shù)桿塔架設在山肩位置。相較于城市10 kV配電線路，抽水蓄能電站10 kV架空線雷害風險等級與山區(qū)架空輸電線路相當，遭受雷擊的概率非常高。根據某抽水蓄能電站歷史數(shù)據統(tǒng)計，其所處區(qū)域平均雷暴日數(shù)在39天以上，最多可達50天，為多雷暴活動區(qū)。夏季雷暴日數(shù)占全年雷暴日數(shù)的60%以上；同時由于抽水蓄能電站的特殊性，上下庫區(qū)落差大，庫區(qū)水面積較大，有充足的水汽，上庫周圍山包疊連，無高大山頭遮擋，當遭遇迎面雷雨時，極易引發(fā)雷擊。根據DL/T-620的統(tǒng)計與當?shù)乩纂姸ㄎ幌到y(tǒng)可知，雷電流波形的幅值大部分集中在7.8～65 kA范圍內[3-4]。

1.2 10 kV架空線配置

由于抽水蓄能電站多處于懸崖溝壑交錯山體，設置電纜溝技術經濟不合理，當前抽水蓄能電站上下庫輸電線多采用架空線模式；在防雷保護配置上，10 kV架空線主要采用單避雷線、首末兩端裝設三相避雷器的防雷保護措施；各級桿塔采用獨立接地網，首末級桿塔接地網未與主地網連接，造成繞擊及反擊事故頻發(fā)。

大多數(shù)上下庫終端監(jiān)測系統(tǒng)采集裝置為了防止各種空間電磁場的影響，早已采用光纖采集傳輸方式，但上下庫架空通訊及信號電纜由于終端轉換設備兼容性原因，多數(shù)還是沿用了銅芯信號電纜的傳輸方式；這就造成了上庫設備和交換機房在雷暴天氣極易感應出火花，造成設備主板損壞，對閉路監(jiān)控與信號系統(tǒng)造成嚴重影響。

2 架空線結構模型建立與配置研究

2.1 架空線及桿塔分布參數(shù)模型建立

針對近距離架空線路，考慮到其長度與雷電過電壓波長接近，當采用集中參數(shù)架空線模型時計算誤差較大，采用分布式參數(shù)的架空導線模型進行仿真計算；本文采用ATP-EMTP仿真軟件中的LCC分布式參數(shù)架空線模型進行仿真分析[5]。

圖1 分布參數(shù)模型Fig.1 Distribution parameter model

對于架空線桿塔，采用多波阻抗模型，考慮到桿塔處于高土壤電阻率區(qū)域，查閱相關規(guī)程，桿塔沖擊接地電阻約為15 Ω。

2.2 架空線感應雷過電壓

對于低壓配電線路，統(tǒng)計數(shù)據表明，由感應雷過電壓引起的雷電故障占到總故障次數(shù)的90%以上[6]；對于抽水蓄能電站上下庫架空線來說，感應雷的危害同樣非常嚴重；由于其架設方式一般是沿著山脊傾斜架設，現(xiàn)有感應過電壓的計算公式一般只針對水平線路進行計算；同時當雷電沿山谷放電時，位于山脊處架空導線的感應過電壓計算高度數(shù)值可以達到幾百米，遠超常規(guī)過電壓計算公式中的高度限值。

針對架空線沿著山體架設，為連續(xù)傾斜型輸電線路，且輸電距離很短，假設其為一斜率恒定的直線，在原有感應雷過電壓公式基礎上，根據積分變換，可以簡化得到斜坡線路感應雷過電壓計算公式為

(1)

式中Ug為架空線感應過電壓，kV；k為感應過電壓系數(shù)，一般取25 Ω；I為雷電流幅值，kA；θ為架空線傾角；h為架空線平均高度，m；s為雷電點距線路的距離，m[7]。

抽水蓄能電站上下庫平均落差300～600 m，取平均高度400 m，采用積分變換公式進行感應雷的計算。以距離導線65 m，考慮不同傾角計算感應雷過電壓(kV)，數(shù)據結果如下表1

表1 感應雷過電壓Table 1 Induced lightning overvoltage kV

對比文獻[2]中水平配電線路，發(fā)現(xiàn)當大跨度的架空線在山脊跨越時，由于距離地面距離很高，所受到的感應雷過電壓幅值遠超絕緣子耐壓水平，極易造成絕緣子擊穿；因此需要對含有跨越山脊的架空線進行絕緣子的更替，普通針式絕緣子無法適用于這種特殊的輸電環(huán)境，需要采用具有較高耐壓水平的復合懸式絕緣子[8]。

3 仿真分析與改進措施研究

3.1 架空線桿塔空間感應電場強度研究

3.1.1 無避雷針保護模型

針對抽水蓄能電站山坡架空線結構，以10級桿塔結構為仿真分析模型，設定桿塔高度落差500 m不變，建立傾角分別為30°、45°與60°桿塔模型，采用有限元對整個抽水蓄能電站架空線進行空間感應電場強度仿真，分析最大感應電場強度及最容易遭受雷擊位置。

由于土壤結構大多為巖層結構，取相對介電常數(shù)為10，電導率0.005 s/m。雷云電位取為500 kV，距離地面1 000 m，位于傾斜架空線正上方。

仿真分析架空線桿塔傾角分別為30°、45°與60°時各級桿塔空間感應電場強度，以60°傾角為例，其所處的空間感應電場強度分布如圖2所示。

圖2 60°傾角下感應電場強度分布Fig.2 Induced electric field intensity distribution at 60° inclination

并對不同傾角下各級桿塔最大感應電場強度數(shù)據進行統(tǒng)計分析，數(shù)據結果如圖3分布

圖3 不同傾角下桿塔最大感應電場強度Fig.3 Maximum induced electric field strength of tower under different inclination angle

對坡底首級桿塔編號0，坡頂末級桿塔編號10，通過仿真分析可知，當傾角為30°時，各級桿塔感應電場強度隨高度增加而緩慢變大；當傾角為45°時，從第5級桿塔開始，變化速率不斷增大，第10級桿塔感應電場強度約為第9級的2倍；當傾角達到60°時，其變化率較45°時更加明顯，第10級桿塔感應電場強度超過第9級的三倍，其遭受雷擊的概率最大。

3.1.2 有避雷針保護模型

由于第10級桿塔的感應電場強度突變明顯，同時，在抽水蓄能電站中，末級桿塔附近一般裝設有廠用降壓變壓器，因此需要在末級桿塔附近裝設獨立避雷針保護。

對裝設獨立避雷針后的桿塔空間感應電場強度進行仿真，當傾角為60°時，空間感應電場強度分布如圖4所示。

圖4 有避雷針時60°傾角下感應電場強度分布Fig.4 Induced electric field intensity distribution at 60° angle of lightning rod

不同傾角下各級桿塔最大感應電場強度數(shù)據統(tǒng)計分析如圖5。

圖5 不同傾角下桿塔最大感應電場強度Fig.5 Maximum induced electric field strength of tower under different inclination angle

與未裝設獨立避雷針相比，桿塔傾角為30°、45°時，由于獨立避雷針的保護作用，9、10級桿塔的空間感應電場強度下降明顯；當桿塔傾角達到60°時，9、10級桿塔空間感應電場強度較未裝設避雷針時雖有降低，但桿塔整體還處于不斷升高的趨勢；因此，獨立避雷針的保護效果將隨著架空線桿塔傾角的增大而達到一個飽和值，當其傾角超過某一值時，避雷針的保護效果將不在增大。

3.2 直擊雷過電壓影響級防護研究

3.2.1 雷繞擊輸電線影響及防護效果研究

通過上一節(jié)仿真分析，當末級桿塔裝設獨立避雷針后，9、10級桿塔將受到不同程度的保護，因此以第8級桿塔作為雷擊點，根據現(xiàn)有防雷保護配置方案及架空線相序排布，仿真分析雷電繞擊A相時線路過電壓情況，第10級桿塔過電壓分布如圖6所示

圖6 繞擊過電壓Fig.6 Wound over voltage

僅采用首末兩級裝設避雷器時，由于分布參數(shù)的疊加作用，在放電初期，過電壓在避雷器放電閥值附近震蕩劇烈，易造成避雷器壽命縮短；

采用全線裝設避雷器對于低電壓等級線路技術經濟不合理，依據傾斜架空線桿塔空間感應電場強度數(shù)據，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在對第2級、第8、9級桿塔增設避雷器后，仿真結果如圖7,其過電壓防護效果與全線裝設避雷器時效果接近，能夠有效降低過電壓幅值，抑制波形震蕩，技術經濟合理。

圖7 改進后效果Fig.7 Improved effect

3.2.2 雷擊避雷線影響及防護效果研究

由于抽水蓄能電站地處電阻率很高的巖層土質區(qū)域，桿塔接地電阻較大，當雷電直擊避雷線時，塔頂電位可以達到500 kV以上，極易造成絕緣子擊穿，引發(fā)絕緣閃絡過電壓。當同樣采用對第2級、第8、9級桿塔增設避雷器后，仿真分析第8級桿塔發(fā)生絕緣閃絡后，架空線過電壓情況如圖8所示。

圖8 反擊過電壓Fig.8 Counterattack over voltage

可以發(fā)現(xiàn)過電壓幅值降低的速率很快，同時震蕩幅值小，對避雷器性能影響小，過電壓保護效果明顯。

4 結論

對抽水蓄能電站10 kV連續(xù)傾斜架空線雷電過電壓進行了充分研究，得到以下結論。

1)對于具有傾角的架空線，由于桿塔一般架設在山肩位置，當雷電沿山谷落下時，感應雷過電壓幅值隨著架空線傾角增大而增大，相較于平原地區(qū)高出很多；因此需要對架空線絕緣子耐壓水平進行提高，建議使用具有較高絕緣水平的復合懸式絕緣子。

2)運用有限元法仿真分析了不同傾角下架空線桿塔空間感應電場強度，對比各級桿塔數(shù)據，發(fā)現(xiàn)隨著傾角增大，第9、10級桿塔感應電場強度增加明顯，需要設置獨立避雷針進行保護。

3)依據有限元分析結論，有效定位雷電最易擊中桿塔，運用ATP-EMTP仿真分析雷擊第8級桿塔時過電壓波形，提出依據桿塔空間感應電場強度數(shù)據對第2級、第8、9級桿塔增設避雷器，發(fā)現(xiàn)其防雷保護效果與全線裝設避雷器接近，技術經濟合理。