出线侧避雷器对雷电侵入过电压影响研究_冯亮.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：出线侧避雷器对雷电侵入过电压影响研究冯 亮（中国铁建股份有限公司中原区域总部，济南）摘 要：受变电站实际空间的限制，部分避雷器装设在变电站外的第一级杆塔上，在多重雷击下已造成多起事故。为研究该装设方式对站内热备用断路器等设备雷电侵入波过电压的影响，基于行波理论推导了考虑避雷器通过杆塔接地时的雷电侵入波过电压随设备与避雷器间电气距离的变化规律，进一步结合 研究了工程实例中避雷器通过杆塔接地时的设备过电压规律。结果表明杆塔高度、杆塔波阻抗主要影响电气距离大于某一临界距离时的断路器断口过电压，杆塔接地电阻对断口过电压影响可以忽略。工程上可采取缩短电气距离、降低第一级杆塔高度、降低杆塔波阻抗等方式减小断口过电压。关键词：避雷器；接地；雷电侵入波过电压；行波理论；杆塔 （，）：，：；引言受多重雷击、线路热备用等影响，变电站出线侧断路器在分闸状态下已发生多起雷击损坏事故。为降低断路器断口承受雷电侵入波过电压大 小，常 在 架 空 出 线 侧 安 装 避 雷 器 进 行 保护。然而受变电站内空间限制，一些变电站将悬挂式避雷器安装在线路第一级杆塔上。与避雷器直接接地不同，一方面避雷器安装在杆塔上时，雷电流先流经杆塔后进入大地，在大地与避雷器间存在折反射过程；另一方面，避雷器安装在杆塔上时设备与避雷器间的电气距离较大，变电站设备过电压取决于雷电波在避雷器与设备间的波过程。年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）为降低断路器断口过电压，国标规定了避雷器接地电阻的最大值，如对于 的小容量变电站 接地电阻不能大于 。而避雷器经杆塔接地时，避雷器接入点电位首先由杆塔波阻抗决定，因 此 减 小 接 地 电 阻 的 方 法 值 得 进 一 步 讨论。文献表明接地电阻在 内变化时，变电站内设备过电压几乎不变。本研究基于行波理论研究了避雷器通过杆塔接地时，不同避雷器与断路器间电气距离下断路器断口过电压的形成过程，通过 对工程实例的分析验证了理论研究的正确性，进一步分析了减小断口过电压的措施。研究为线路防雷计算等提供重要依据。理论分析考虑多重雷击下，雷击先导致绝缘子闪络建弧，使得断路器跳闸，后续雷击再次击中线路形成雷电侵入波传向断路器的工况。研究断路器断口雷电侵入波过电压的线路结构见图。图 断路器断口过电压等效接线 图 中雷电侵入波 先经输电线路传播到第一级杆塔 点处，杆塔等效支路由非线性电阻、波阻抗 和电阻 组成。其中非线性电阻用来表征受变电站空间限制悬挂在第一级杆塔处的氧化锌避雷器；波阻抗 用来表征杆塔；电阻 用来表征杆塔冲击接地电阻。此后，雷电侵入波 由 点向 点断路器断口处传播，断路器断口等效入口电容很小，可视为开路。由于断路器处于断开状态，图 所示模型中仅考虑断路器断口受雷电侵入波过电压的影响，而不考虑变电站内部其他设备。极限情况分析考虑图 中杆塔高度 与 趋于无穷两种情况。当 时，避雷器通过电阻 接地，设流过避雷器电流为，则避雷器底部 点电压 ；当 时，电流 一直在杆塔上传播，避雷器底部 点电压变为 。以上两种极限情况均可 点电压均可表示为 。以雷电侵入波 ，伏安特性曲线见图 的避雷器为例，分析断路器断口雷电侵入波过电压的形成过程。图 中 为避雷器残压，为避雷器两端电压。当 时，；当 时，随 呈线性上升。设其斜率为（为无穷小量），则有 （）图 避雷器伏安特性 雷电波向 点传播，到达 点后，发生全反射，反射波 向 点传播。反射波从 点传播到 点所需时间为（）式中，雷电波在导线上的传播速度为，、两点间的电气距离为。反射波 到达 点前 点电压 以陡度 上升；到达 点后 以陡度 上升。按 达到避雷器残压 时，是否到达 点可分为 类：）该情况下避雷器到达残压时反射波 还未到达 点。避雷器到达残压前，避雷器支路可视为开路，点电压；避雷器到达残压后，点电压变为 （）受避雷器影响，以 到达 点时刻为 点，点向两侧发出的行波为 （）根据 点电流连续性有（）式中 为线路波阻抗。取斜率 为无穷小量，由上式可得 点电压为 （）而在陡度为 的反射波 到达 点后，点向两侧发出的行波陡度再减小，此时 点电压陡度减小，由式（）可知，点电压开始下降。此后，雷电波继续在、两点间发生折反射，由于 点电压峰值已出现，不再分析后续波过程。上述波过程中、两点电压波形见图。年第 期出线侧避雷器对雷电侵入过电压影响研究（总第 期）图 时、两点电压波形 由图 可知，点电压峰值 在反射波 到达 点时取得，此时 。由式（）可知，电阻 占线路波阻抗 比值越大，越大；电气距离 越大，到达 点时间越长，也越大。）该情况下避雷器到达残压时 点反射波已经到达 点。点到达残压后向两侧发出的行波为 （）设 点到达残压的时间为，同理由电流连续性可得，点电压为 （）我国规程推荐的典型架空输电线路波阻抗 在 ，而杆塔波阻抗约为。因此由式（）可知，点到达残压后 点电压开始下降，点过电压峰值在 时刻取得。此后雷电侵入波将继续进行折反射，由于电压峰值已出现，笔者不再分析。上述波过程中、两点电压波形见图。由图 可知，点过电压峰值，其中 仅由避雷器残压、雷电侵入波陡度、雷电波从 点传播到 点时间 决定，与等效电阻 无关。此时 可表示为 （）图 时、两点电压波形 由上述 、两种情况可知，时为临界工况，此时反射波 到达 点时避雷器两端电压恰好到达残压值。对应的临界电气距离 为（）由式（）可知，临界距离与避雷器残压、波速、雷电波陡度有关，并不唯一。一般情况分析当杆塔高度 为非 的有限值时，需要考虑雷电波在杆塔上的传播与在杆塔、地面处的折反射。图 所示的避雷器支路中，在 时，。在地面处发生反射，其反射系数为 （）由于变电站进线保护段内的接地电阻很小，远小于，因此式（）中 近似为。设雷电波从避雷器底部传播到地面的时间为 ，分别对不同电气距离 下的工况进行研究：对于 的工况，在 时，地面负反射波到达避雷器底部时 点过电压已越过峰值开始下降，对 没有影响；在 时，前地面处的负反射波已到达避雷器端部，使得 点电位下降，避雷器向两侧发出的负反射波模值也增大。式（）中 随时间 上升的斜率下降。对于 的工况，由于 在 时取得，考虑地面负反射波后对避雷器峰值没有影响，只是当负反射波到达避雷器底部时 点电压下降速率更快。因此对于一般情况有，在 时 点过电压峰值 与杆塔波阻抗、接地电阻、杆塔高度 有关，其值介于式（）中 与 之间；在 时 仅与雷电波陡度、电气距离、避雷器残压 有关。实例分析为研究上述规律在实际避雷器、雷电双指数波模型下的通用性，基于 研究典型 输电线路中断路器断口过电压随与避雷器间电气距离的变化规律。模型建立取线路波阻抗，波速 。氧化锌避雷器 型号为 ，使用分段线性化的方式对避雷器伏安特性曲线进行拟合，各电流点对应的电压见表 。年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）表 避雷器伏安特性 电流 电压 杆塔模型使用单波阻抗模型，波阻抗取 。杆塔总高度为 ，其中 相导线悬挂点高度为 ，相导线悬挂点高度为 ，杆塔波速 。国标规定进线保护段接地电阻 在 以内，取最严苛条件 。取雷 电 波 为 标 准 双 指 数 波，波 形 参 数 为 。根据 线路绝缘子 雷电冲击击穿电压 取雷电压幅值 。线路整体结构见图，分别对、两相线路进行研究。结果分析图 分别给出了雷电侵入、两相线路（对应高度分别为 、）时 点电压峰值随电气距离 的变化曲线。由图 可知当电气距离 时，除 很小的区段外，不同杆塔高度下过电压基本相同，与第 章所得规律一致。趋于 时 点过电压峰值对应避雷器残压各不相同，且峰值并不在第一个周期内取得，故与本研究所得规律不符。但此区段内设备过电压峰值较小，并不对设备构成威胁，故不作考虑。电气距离 时，由于杆塔波阻抗 远大于接地电阻，、时的曲线上升速率远大于 时的速率。但当地面负反射波传播到避雷器端部时，点过电压峰值停止上升。此时 时的过电压峰值大于 时的 左右，大于 时的 。图 不同 下过电压随电气距离的变化曲线 考虑减小设备过电压峰值的措施。首先减小设备与避雷器间的电气距离为最有效的措施之一，当 由 减小到 时，过电压峰值减小可达 。然而受变电站空间等限制，该电气距离可能无法缩短。在此情况下考虑到设备过电压峰值 随电气距离 的变化具有饱和特性，只需将设备雷电冲击电压耐受水平提高到饱和值以上即可避免设备损坏。另外，该饱和值与杆塔高度有关，杆塔高度越低，到达饱和值的速率越快，饱和值也越低。因此可通过降低杆塔高度的措施减小设备过电压。由图 可知，该措施最多能减小 的过电压。结合第 章所得规律，由于杆塔波阻抗远大于接地电阻，接地电阻在折反射过程中的作用可以忽略，因此将避雷器悬挂在杆塔上时降低杆塔接地电阻对降低断路器断口过电压没有作用。而由式（）可知，减小杆塔波阻抗可以有效降低过电压。以 相线路为例，图 给出了不同接地电阻 下设备过电压峰值 随电气距离 的变化曲线；图 给出了杆塔波阻抗 在 内变化时，随 的变化曲线。由图 可知，改变接地电阻的值时 变化在 以内；由图 可知，当杆塔波阻抗 在 内变化时，变化在左右。因此可以采取拉线等减小杆塔波阻抗的措施来减小断路器断口过电压。图 不同 下过电压随电气距离的变化曲线 图 不同 下过电压随电气距离的变化曲线 结论）避雷器悬挂在第一级杆塔上来保护断路器断口时，杆塔高度、杆塔波阻抗主要影响电气距离 年第 期出线侧避雷器对雷电侵入过电压影响研究（总第 期）大于某一临界距离时的断路器断口过电压，杆塔接地电阻对断口过电压影响可以忽略。）为降低断路器断口过电压，减小断路器与避雷器间距可使过电压下降 。当二者间距受变电站空间限制不能减小时，采用减小第一级杆塔高度、波阻抗的方式可使断路器断口过电压降低 左右。参考文献：冯瑞发，蔡汉生，廖民传，等 变电站跳通段雷电过电压特性仿真 电力科学与技术学报，（）：，（）：吴华实，何泽宇，陈小月，等 高海拔变电站出线段采用 线路降压运行时的雷电侵入波过电压 电瓷避雷器，（）：，（）：冯瑞发，蔡汉生，廖民传，等 不同工况下断路器过电压仿真及防护措施 南方电网技术，（）：，（）：王振国，李特，王少华，等 浙福特高压交流输电线路避雷器绕击防护性能评估 电瓷避雷器，（）：，（）：陈水明，王威，于化鹏，等 计及工频电压的特高压变电站雷电侵入波过电压分析 高电压技术，（）：，（）：元乙贺，尹相爱，刘大巍，等 考虑工作电压的 同塔双回线路雷击闪络因素研究 电瓷避雷器，（）：，（）：梁玲，肖先勇 考虑波形起始点的特高压变电站雷电入侵过电压分析 四川电力技术，（）：，（）：吴德贯，梁华洋，刘凡栋，等 不同安装位置金属氧化物避雷器试验方法 电瓷避雷器，（）：，（）：陈京晶 一起雷击 线路引起开关设备闪络的故障分析 科技与企业，（）：，（）：张宇飞，罗日成，田迪凯，等 海底电缆 架空线雷击过电压分析 电瓷避雷器，（）：，（）：杨庆，张新东，孙健，等 配电线路感应雷过电压波形特征实测分析 中国电机工程学报，：，：陈斯翔，武利会，李恒真，等 改善杆塔波阻抗对 输电线路雷击过电压的影响 电瓷避雷器，（）：，（）：李恒真，何子兰，陈斯翔，等 基于 的输电杆塔与接地系统的暂态过电压建模分析 电瓷避雷器，（）：，年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期），（）：周利军，黄林，王路伽，等 输电杆塔的多波阻抗建模与雷击暂态响应分析 电力自动化设备，（）：，（）：余敬秋，徐政 特高压杆塔的非均匀传输线模型电力工程技术，（）：，（）：解广润 电力系统过电压 北京：水利电力出版社，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范：北 京：中 国 计 划 出 版社，王振羽，宋明钰，薄岩，等 线路避雷器与避雷线防雷效果量化比较分析 电力科学与技术学报，（）：，（）：吴其，刘晓明，杨田，等 雷电冲击电压下 瞬时绝缘数值分析方法 高电压技术，（）：，（）：刘晓航，高宇，贺天任，等 考虑电晕损耗的 变电站雷电入侵波过电压计算与影响因素分析 电力系统及其自动化学报，（）：，（）：谢雪芳 牵引供电系统