基于EMTP的35_kV线...设避雷线提高耐雷水平的研究_陈雅芳.pdf

2023 1期基于 的 线路架设避雷线提高耐雷水平的研究陈雅芳（广州中光电气科技有限公司，广东 广州 ）摘要：基于经济的原因，我国 架空线路通常不安装避雷线，而 单回输电线路途经高山多雷地带，极易遭受雷击，威胁电气设备安全运行，引起跳闸事故。基于 架空线路雷电活动特征及线路参数，在 电磁暂态仿真软件中建立 线路耐雷水平计算模型。输电线路采用 模型，杆塔采用集中参数模型，雷电流采用 模型，通过 模块建立杆塔的冲击接地电阻模型和相交法闪络判据绝缘子模型。基于二分法原理，改变雷电流幅值，对 架空线路有无避雷线的情况分别进行仿真计算，并改变接地电阻的大小，计算直击雷耐雷水平，得出安装避雷线的同时降低杆塔接地电阻能有效提高 架空线路的耐雷水平。关键词：仿真；耐雷水平；架空线路；避雷线中图分类号：（，）：，：；基金项目：南方电网公司科技项目“架空输电线路雷电防护评估系统及智 能监 测装置 研 发”（编号 （）收稿日期：作者简介：陈雅芳（），硕士，从事电力系统过电压和电网防灾减灾方面的研究工作。引言相比输电线路，及以下电压等级的配电网线路在建设时更重视经济性。我国目前的 架空线路一般未普遍安装避雷线，仅在变电站的进出线段架设 的避雷线。近年来，雷电灾害已成为造成电网故障的重要因素，严重威胁电网安全稳定运行。根据运行数据，雷电导致了美国 以上、欧洲 及我国沿海地区一半以上电网事故。单回输电线路通常用于对偏远山区供电，受环境地形影响极易遭受雷击。随着智能电网和新能源的不断推进与应用，雷电事故带来的危害严重性也因电网复杂程度的增加而增加。当雷击放电时，强大的雷电流流过被击物，同时在邻近线路上感应出高电压，易导致线路发生跳闸事故，对电力系统安全运行极为不利。高压与绝缘技术电工技术中国电工网目前，输电线路的防雷措施主要包括安装避雷针、加装负角保护器、避开雷区布设线路、降低杆塔接地电阻等，均为被动式的防雷工作，实际运行效果不够理想。架空线路雷电分析主要包括两个方面：一方面统计分析历年线路运行数据，获取雷电参数，包括地闪密度、雷电流等；另一方面应用了数学分析方法，在获取的线路数据基础上进行建模和计算，即模拟分析工作。针对这两方面工作，国内外的学者开展了大量研究。在模拟分析方面，规程法、电气几何模型、先导发展模型、行波法、程序、蒙特卡洛法等都是常见的防雷计算模型。国内学者广泛应用 进行电力系统过电压问题的分析计算。文献 利用 仿真研究线路耐雷性能，证明工频电压在 及以上等级线路防雷计算中的重要性，计算结果和规程法基本一致；文献 在 中搭建线路模型，对比分析绕击和反击耐雷水平；文献 利用 程序的 语言，综合考虑间隙过电压大小与闪络过程，实现了基于先导法的绝缘闪络判据，对配电线路进行了防雷计算；文献 使用 开展某变电站的雷击事故仿真研究，分析站内主变及其他电气设备过电压的变化情况，总结引起事故的原因；文献 分析了杆塔高度、冲击接地电阻及线路绝缘水平等因素对雷击跳闸率的影响。目前，架空线路的重视程度不及高压输电线路，线路普遍未加装避雷线，然而由于其杆塔高度高于 配网线路，因此遭受直击雷风险也较高。本文在 中建立 架空线路仿真模型，人为设置雷击故障，使用电流、电压探针观测雷击过电压，由此对实际运行中线路雷击跳闸故障的原理进行本质认识，完成线路耐雷水平的计算。为了说明避雷线的作用原理和效果，对 架空线路有无避雷线的情况分别进行仿真试验，并探究杆塔接地电阻与线路耐雷水平的影响。计算模型 输电线路模型在 中，可通过 模块实现输电线路的 、及 模型。本文采用 线路模型，在软件中输入导线的空间位置、直流电阻、长度、线径等参数，经软件编译生成计算模型。本次仿真选择的导线型号为 ，地线型号为 ，具体参数见表。表架空导线参数导线型号根数 直径计算截面铝钢铝钢外径直流电阻不大于（）（钢）（钢）杆塔模型输电线路杆塔一般可等效为集中参数阻抗或分布参数长线。图为几种常见的杆塔集中参数模型，本文建立的杆塔模型为导线上字型排列的多波阻抗模型。由于本文研究的 输电线路杆塔不超过，因此上述建模方法可保证计算准确性。（a）导线上字型排列（b）导线水平排列（c）双回导线排列TL1CL2L3RchBTL1CL2RchBTL1CL2L3RchBACBAAL4图 1 常见杆塔集中参数模型的等值电路图 接地电阻模型杆塔冲击接地电阻表征了杆塔冲击接地特性。雷电冲击下，由于局部火花放电导致的火花效应和雷电流等效频率高导致的电感效应，杆塔接地电阻随雷电流变化。以式（）和式（）为基础，通过 中的 模块建立以雷电流为自变量的杆塔冲击接地电阻模型：（）（）式中，为工频接地电阻值；为通过接地电阻的电流；为土壤电离化的最小电流；为土壤电离场强（一般为 ）；为土壤电阻率。雷电流模型本模型的雷电流采用电流源并联波阻抗来模拟，电流源采用 模型。电流陡度因子为 时的雷电流解析表达式为：（）（）（）式中，为峰值电流；为峰值电流修正因子；，为波头时间常数；为电流陡度因子；为波尾时间常数。绝缘子闪络判据我国电力行业中，绝缘子闪络判据一般采用规程法，该方法没有考虑绝缘子两端电压随时间的变化；线路防雷计算中广泛应用相交法，即比较绝缘子串的过电压曲线和伏秒特性曲线。如图所示，本文采用 语言编程，以可编程开关模拟相交法。电工技术高压与绝缘技术2023 1期图 2 绝缘子闪络判据模块MODFLRSH仿真计算 仿真计算线路耐雷水平的原理在 中对线路、杆塔、接地电阻等进行建模，并设置线路参数。如图所示，根据需要多次改变 模型中变量 的值，即 的值，来调整雷 电 流 幅 值，进 行 仿 真 计 算，直 至 求 得 线 路 耐 雷水平。图 3 Heidler 雷电流模型电流/kA0-10-20-30-40-50时间/s020406080100120雷电流幅值设置以二分法查找为原理。首先根据线路参数，为雷电流幅值选择一个合适区间，然后用该区间中点进行试计算，根据试验结果判断下一步操作，若发生闪络，则减小雷电流幅值，否则增大雷电流幅值。反复试验并观察绝缘子串两侧波形，找出刚好使绝缘子串发生两相闪络的雷电流幅值，即为线路耐雷水平。耐雷水平仿真计算结果本文雷电流波形 取 ，考 虑 雷 电 流 为 负 极性，杆塔工频接地电阻值设为，对每座杆塔的计算结果进行统计，从而得到线路耐雷水平。线路为中性点不接地线路，耐雷水平按照两相闪络进行计算。图为绝缘子伏秒特性曲线，图显示了无避雷线情况下雷直击杆塔时，线路绝缘子两端电压波形，结果显示 相发生闪络。图 4 绝缘子伏秒特性曲线电压/kV时间/s14001200100080060040020000123456图 5 绝缘子闪络时的两端电压波形(B 相闪络)电压/kV时间/s30025020015010050005101520C 相A 相B 相图为不架设避雷线时的部分仿真模型图。在该模型基础上，对雷直击杆塔和直击导线的故障分别进行仿真计算，结果见表。图 6 不架设避雷线时的仿真模型图(部分)表 仿真计算结果计算类别杆塔杆塔杆塔雷击杆塔杆塔计算结果 线路耐雷水平 雷击导线杆塔计算结果 线路耐雷水平 为了说明架设避雷线对线路耐雷水平的影响，对 架空线路架设一条避雷线的条件进行仿真。图为部分仿真模型图，该 架空线路安装有一条避雷线。在该模型基础上，对雷直击杆塔和直击导线的故障分别进行仿真计算，结果见表。图 7 架设避雷线的仿真模型图(部分)比较表和表可知，安装避雷线有利于提高线路的耐雷水平，雷击杆塔耐雷水平从 提升至 ，提升了 ；雷击导线耐雷水平从 提高压与绝缘技术电工技术中国电工网升到 ，提升了 。对于雷击杆塔，也就是反击耐雷水平提升效果显著，这是由于线路发生雷击时，高处的避雷线和避雷针局部电场高，能产生上行先导引导雷电通 过，先 于 其 保 护 范 围 内 的 电 气 设 备 和 建 筑 物 受雷击。表仿真计算结果计算类别杆塔杆塔杆塔雷击杆塔杆塔计算结果 线路耐雷水平 雷击导线杆塔计算结果 线路耐雷水平 接地电阻对耐雷水平的影响杆塔冲击接地电阻表征了杆塔冲击接地特性，在火花效应和电感效应共同影响下，对线路耐雷水平产生影响。本节将杆塔接地电阻由 节的 改变为、，并仿真计算无避雷线情况下线路的耐雷水平，结果见表。表杆塔接地电阻对耐雷水平的影响杆塔接地电阻 雷击杆塔耐雷水平 雷击导线耐雷水平 表结果证明，流过接地阻抗的雷电流会在雷击部位产生对地高电位，接地电阻越大，产生的对地电位就越高，导致线路耐雷水平降低。接地电阻由 增加至，雷击杆塔和雷击导线的耐雷水平分别降低 和 ；接地电阻越大，耐雷水平的降低速率越慢。结语本文使用 ，选择 模型架空线路模型、多波阻抗杆塔模型、冲击接地电阻模型、雷电流模型及相交法闪络判据的绝缘子模型，建立 架空线路仿真模型，并基于二分法原理，通过设置雷击故障，改变雷电流幅值并计算耐雷水平，得出以下结论。（）对 架空线路有无避雷线的耐雷水平分别进行仿真计算，利用电流、电压探针观测雷击过电压测量值，了解雷击故障及避雷线防护机理。结果表明，安装避雷线有利于提高线路的耐雷水平。（）改变接地电阻，探究接地电阻对耐雷水平的影响。接地电阻由 增加至，雷击杆塔和雷击导线的耐雷水 平 分 别 降 低 和 ；接 地 电 阻 越大，耐雷水平的降低速率越慢。参考文献 康善斌，许凌霄，康刚 架空配电线路加装避雷线的研究与应用 电工技术，（）：王录亮，韩来君，黄松 海南强雷区典型配电线路差异化防雷措施研究 电气技术，（）：范亚洲，苏超 输电线路及 配电系统防雷技术应用电工技术，（）：杜林，陈寰，陈少卿，等 架空输电线路雷电绕击与反击的识别 高电压技术，（）：赵淳，雷梦飞，王剑，等雷电流幅值累积概率分布曲线拟合方法高电压技术，（）：邓红雷，夏桥，周晨，等基于监测雷电流的输电线路雷击实时风险评估电瓷避雷器，（）：赵伟，童杭伟，史海锋基于杆塔的雷击跳闸风险评估高压电器，（）：冯瑞发，蔡汉生，廖民传，等基于改进跳闸率计算方法的输电线路雷击风险评估及防雷配置研究电瓷避雷器，（）：杨秋霞，朱立波基于 的输电线路反击耐雷性能计算与仿真电气开关，（）：陈冬，刘建华，贾晨曦基于 的耐雷水平研究电瓷避雷器，（）：，桂前进，江千军，刘辉，等基于 的 配电线路雷电感应跳闸率计算电瓷避雷器，（）：李景丽，栗超超，冯鹏基于 的某变电站雷击事故仿真研究郑州大学学报（工学版），（）：肖安南，张蔚翔，焦玉平，等 基于 仿真软件的输电线路雷击跳闸率多因素对比分析研究 电瓷避雷器，（）：（上接第 页）证设备安全稳定运行。参考文献 安滨 设备故障检测及实例分析电工电气，（）：王一，黄超，顾水平，等 一种 故障快速定位方法 浙江电力，（）：刘杰，毛海波，姜涛，等 密度继电器监测 气室压力的误差分析 浙江电力，（）：戴宇，雷雨芽，张迅，等 密度继电器误报气压低告警信号原因分析贵州电力技术，（）：张治国，柳建平密度继电器指针波动原因分析及处理方法电气应用，（）：压力式六氟化硫气体密度控制器 继电保护和电网安全自动装置校验规程电工技术高压与绝缘技术