輸電線路繞擊雷電過(guò)電壓暫態(tài)特征仿真研究

趙紫輝

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

0 引 言

國(guó)內(nèi)外超/特高壓輸電線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，隨著超/特高壓輸電線路的桿塔高度、傳輸容量及傳輸距離的不斷提高，雷擊導(dǎo)致輸電線路跳閘事故已經(jīng)成為影響輸電線路安全運(yùn)行的第一因素，其中雷電繞擊占絕大部分[1-3]。因此，探索繞擊雷電過(guò)電壓的特性及其在輸電線路中的傳播規(guī)律，不僅對(duì)現(xiàn)有輸電線路雷電防護(hù)水平的提高有著重要的指導(dǎo)意義，而且對(duì)新建線路的防雷設(shè)計(jì)具有重要的理論參考價(jià)值。

1 建模方法及參數(shù)

輸電線路繞擊雷電過(guò)電壓是指雷電擊中導(dǎo)線產(chǎn)生的過(guò)電壓。根據(jù)繞擊雷電過(guò)電壓的發(fā)生機(jī)理，在考慮沖擊電暈對(duì)雷電過(guò)電壓影響的同時(shí)，基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，對(duì)500 kV超高壓交流輸電線路遭受雷電繞擊的情況進(jìn)行建模仿真。

1.1 雷電流仿真模型

選用一個(gè)受控電流源與Z0=300 Ω的雷電通道波阻抗并聯(lián)的電路來(lái)等效雷電通道[4]。其中，受控電流源波形采用我國(guó)規(guī)程中推薦的2.6/50 μs雙指數(shù)波來(lái)模擬。

1.2 桿塔模型

在目前的輸電線路桿塔仿真研究中，常用的兩種桿塔模型為集中電感模型和波阻抗模型（包括單一波阻抗模型和多波阻抗模型）。本文桿塔模型采用500 kV ZB1酒杯塔多波阻抗模型[5-6]，具體參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 ZB1酒杯塔參數(shù)

1.3 絕緣子閃絡(luò)模型

采用比較法作為仿真研究的絕緣子閃絡(luò)判據(jù)，比較電壓取我國(guó)規(guī)程建議的500 kV線路絕緣子U50%沖擊放電電壓2 138 kA[7]。

1.4 輸電線路模型

架空線路根據(jù)PSCAD模型庫(kù)中的頻率相關(guān)模型建立了七基桿塔的線路模型。線路全線水平架設(shè)雙回避雷線，線路檔距為500 m，導(dǎo)線與避雷線型號(hào)參數(shù)[8]見(jiàn)表1。計(jì)算時(shí)避雷線不做消去處理，以考慮避雷線對(duì)雷電流傳播過(guò)程的影響；輸電導(dǎo)線末端選用5 km的長(zhǎng)線模擬，用以消除雷電流在輸電線路末端的折反射。

表1 輸電線路導(dǎo)線與避雷線參數(shù)

1.5 沖擊電暈仿真模型

由于受線路和大地的集膚效應(yīng)以及沖擊電暈的影響，過(guò)電壓波在輸電線路傳播過(guò)程中將發(fā)生衰減和變形[9-10]，因此仿真中需充分考慮沖擊電暈的影響。相關(guān)研究表明，在進(jìn)行雷電過(guò)電壓產(chǎn)生的沖擊電暈?zāi)M時(shí)，電導(dǎo)可忽略，只用動(dòng)態(tài)電容模擬電暈引起的衰減和變形即可[11]。因此，本文建立了如圖2所示的沖擊電暈?zāi)Ｐ?，將輸電線路一個(gè)檔距分成若干小段，在每一段（100 m）插入如圖2所示的電暈仿真模型來(lái)模擬輸電線路的電暈特性。

圖2 沖擊電暈仿真模型

2 輸電線路繞擊耐雷水平仿真

基于模型仿真得出500 kV輸電線路的繞擊耐雷水平，如表2所示。可見(jiàn)，考慮沖擊電暈后，線路的繞擊耐雷水平有所提高。根據(jù)輸電線路繞擊情況下的耐雷水平，仿真中發(fā)生繞擊故障雷電流幅值取為30 kA，未發(fā)生繞擊故障的雷電流幅值取為15 kA。

3 輸電線路發(fā)生繞擊故障時(shí)雷電過(guò)電壓變化特征

3.1 雷擊點(diǎn)處雷電過(guò)電壓的變化特征

當(dāng)雷電流幅值為30 kA時(shí)，雷電繞擊A相導(dǎo)線，該線路發(fā)生繞擊故障。圖3為考慮沖擊電暈A相導(dǎo)線發(fā)生繞擊故障時(shí)絕緣子兩端的過(guò)電壓波形?？梢钥闯?，當(dāng)發(fā)生繞擊時(shí)，由于雷電流從雷擊點(diǎn)注入A相線路并向線路兩側(cè)傳播，此時(shí)A相線路對(duì)地電壓驟升。當(dāng)絕緣子兩端電壓差超過(guò)絕緣子U50%，該線路發(fā)生閃絡(luò)呈現(xiàn)接地故障形式。非故障相（B、C兩相）過(guò)電壓隨故障相的短時(shí)干擾發(fā)生高頻振蕩，并在持續(xù)一段時(shí)間后恢復(fù)正常。

圖3 繞擊故障時(shí)絕緣子兩端的過(guò)電壓波形

雷擊點(diǎn)處繞擊故障時(shí)，三相導(dǎo)線和塔頂?shù)睦纂娺^(guò)電壓波形如圖4所示。由圖4及表3可以看出：發(fā)生繞擊時(shí)，故障相（A相）過(guò)電壓幅值最大，峰值為非故障相B相電壓的4倍、C相的2倍；A相導(dǎo)線繞擊時(shí)，在塔頂感應(yīng)出的過(guò)電壓幅值較小，僅為故障相過(guò)電壓的44.7%，并且出現(xiàn)波頭雙峰現(xiàn)象。由于考慮了沖擊電暈的影響，過(guò)電壓波形發(fā)生畸變且出現(xiàn)振蕩。

表2 輸電線路耐雷水平及其仿真雷電流取值

圖4 繞擊故障時(shí)三相導(dǎo)線和塔頂?shù)倪^(guò)電壓波形

表3 繞擊故障時(shí)不同位置的過(guò)電壓最大值

3.2 繞擊故障時(shí)距離雷擊點(diǎn)不同距離的雷電過(guò)電壓變化特征

當(dāng)30 kA雷電流繞擊A相導(dǎo)線時(shí)，A相導(dǎo)線上距離雷擊點(diǎn)不同距離的過(guò)電壓變化特征見(jiàn)圖5。從圖5可知，雷擊點(diǎn)處A相導(dǎo)線上過(guò)電壓幅值為2 224 kV，在傳播了0.5 km、1 km、1.5 km后，過(guò)電壓幅值分別為216 kV、60 kV、34 kV?？梢?jiàn)，雷電過(guò)電壓波在輸電線路中傳播衰減非常快，且波頭陡度變緩。從雷擊點(diǎn)處傳播3個(gè)檔距后，過(guò)電壓幅值僅為雷擊點(diǎn)處的1.5%。

圖5 繞擊時(shí)A相導(dǎo)線上距離雷擊點(diǎn)不同距離的過(guò)電壓波

圖6為雷擊A相導(dǎo)線時(shí)第一個(gè)檔距內(nèi)A相導(dǎo)線上過(guò)電壓波形。從圖6可知，雷擊點(diǎn)處過(guò)電壓幅值為2 224 kV，在傳播了0.1 km、0.2 km、0.3 km、0.4 km、0.5 km后，過(guò)電壓幅值分別為1 928 kV、864 kV、680 kV、525 kV、216 kV?？梢?jiàn)，過(guò)電壓波在一個(gè)檔距內(nèi)幅值衰減變化明顯，從雷擊點(diǎn)到檔距末端過(guò)電壓幅值降低了90.3%，且波頭陡度變緩幅度較大。

雷擊A相導(dǎo)線時(shí)，致使A相發(fā)生閃絡(luò)，雷電流沿絕緣子流入避雷線，在避雷線上產(chǎn)生的過(guò)電壓波形如圖7所示。雷擊側(cè)避雷線上過(guò)電壓幅值為995 kV，非雷擊側(cè)避雷線上過(guò)電壓幅值為901 kV。由圖7可知，繞擊時(shí)最初始階段避雷線上存在一個(gè)幅值較小的感應(yīng)過(guò)電壓，在閃絡(luò)發(fā)生并經(jīng)歷了一定的傳播時(shí)間后，避雷線上的過(guò)電壓迅速上升。

圖6 繞擊故障時(shí)雷擊點(diǎn)處第一個(gè)檔距內(nèi)A相過(guò)電壓波形

圖7 繞擊時(shí)避雷線上過(guò)電壓波形

4 輸電線路雷擊導(dǎo)線但未發(fā)生故障時(shí)過(guò)電壓變化特征

4.1 雷擊導(dǎo)線未故障時(shí)過(guò)電壓變化特征

根據(jù)前述線路的繞擊耐雷水平為28.96 kA，當(dāng)15 kA的雷電流擊中A相導(dǎo)線時(shí)，線路不會(huì)發(fā)生繞擊跳閘事故。此時(shí)，線路絕緣子兩端的過(guò)電壓波形見(jiàn)圖8，塔頂和三相導(dǎo)線的過(guò)電壓波形見(jiàn)圖9。從圖8可以看出，A相導(dǎo)線絕緣子兩端電壓波頭較其他兩相陡且幅值大，且波形發(fā)生了畸變。從圖9可以看出，A相導(dǎo)線過(guò)電壓幅值為1 142 kV，B相導(dǎo)線過(guò)電壓幅值為277 kV，C相導(dǎo)線過(guò)電壓幅值為827 kV。由于雷電流幅值較低，因此在塔頂感應(yīng)的電壓幅值也較小，僅為153 kV。

圖8 雷擊導(dǎo)線未故障時(shí)絕緣子兩端的過(guò)電壓波形

圖9 雷擊導(dǎo)線未故障時(shí)塔頂和三相導(dǎo)線的過(guò)電壓波形

15 kA雷電流擊中A相導(dǎo)線距離雷擊點(diǎn)不同距離的過(guò)電壓變化特征見(jiàn)圖10。從圖10可知，雷擊點(diǎn)處A相導(dǎo)線上過(guò)電壓幅值為1 142 kV，在傳播了0.5 km、1 km、1.5 km后，過(guò)電壓幅值分別為95 kV、39 kV、22 kV。從雷擊點(diǎn)處傳播3個(gè)檔距后，過(guò)電壓幅值僅為雷擊點(diǎn)處的2%。

圖10 雷擊導(dǎo)線未故障時(shí)A相導(dǎo)線距離雷擊點(diǎn)不同距離的過(guò)電壓波

圖11為15 kA雷電流擊中A相導(dǎo)線時(shí)第一個(gè)檔距內(nèi)A相導(dǎo)線上過(guò)電壓波形。從圖11可知，雷擊點(diǎn)處過(guò)電壓幅值為1 142 kV，在傳播了0.1 km、0.2 km、0.3 km、0.4 km、0.5 km后，過(guò)電壓幅值分別為1 047 kV、613 kV、579 kV、483 kV、124 kV?？梢?jiàn)，同發(fā)生繞擊故障的情況一樣，過(guò)電壓波在一個(gè)檔距內(nèi)幅值衰減變化明顯。

圖11 雷擊A相導(dǎo)線未故障時(shí)雷擊點(diǎn)處第一個(gè)檔距內(nèi)A相過(guò)電壓波形

因?yàn)?5 kA的雷電流擊中A相導(dǎo)線不會(huì)使其發(fā)生閃絡(luò)，所以雷電流不會(huì)沿絕緣子流入避雷線，此時(shí)在避雷線上產(chǎn)生的過(guò)電壓應(yīng)為各相導(dǎo)線在避雷線上感應(yīng)的電壓，波形如圖12所示?？梢?jiàn)，過(guò)電壓幅值為153 kV，波形出現(xiàn)較大振蕩。

圖12 雷擊A相導(dǎo)線未故障時(shí)避雷線上過(guò)電壓波形

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)500 kV交流輸電線路發(fā)生繞擊故障時(shí)和雷擊導(dǎo)線但未發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓暫態(tài)特征仿真分析發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論。

（1）考慮沖擊電暈后，輸電線路的繞擊耐雷水平有所提高。

（2）在發(fā)生繞擊故障后，故障相絕緣子兩端過(guò)電壓呈現(xiàn)接地故障形式，而非故障相過(guò)電壓隨故障相的短時(shí)干擾發(fā)生高頻振蕩，并在持續(xù)一段時(shí)間后恢復(fù)正常，但雷擊導(dǎo)線未發(fā)生故障時(shí)故障相絕緣子兩端過(guò)電壓要高于非故障且波頭較陡。

（3）由于沖擊電暈和線路的頻變特性的影響，雷擊輸電導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓波在輸電線路中傳播要發(fā)生衰減和變形。過(guò)電壓幅值衰減迅速，從雷擊點(diǎn)處傳播至1.5 km（3個(gè)檔距）的距離后，幅值降到雷擊點(diǎn)處幅值的2%。特別是雷擊點(diǎn)所在的第一個(gè)檔距內(nèi)幅值衰減變化明顯，從雷擊點(diǎn)到該檔距末端過(guò)電壓幅值降低90%。

（4）在發(fā)生繞擊故障時(shí)，避雷線上均會(huì)產(chǎn)生一定的過(guò)電壓。