雷擊地線(xiàn)檔距中央的反擊性能分析

周志成，馬 勇，陶風(fēng)波，陳少波，魏 旭

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

雷擊是造成輸電線(xiàn)路故障跳閘的主要原因，雷擊主要分為反擊和繞擊，其中反擊主要是強(qiáng)雷雷擊塔頂及其附近地線(xiàn)引起絕緣子串閃絡(luò)造成[1]。近年來(lái)，超高壓輸電線(xiàn)路高桿塔、大檔距、交叉跨越、同塔多回、導(dǎo)線(xiàn)換相等情況普遍出現(xiàn)，雷擊地線(xiàn)檔距中央造成反擊跳閘、地線(xiàn)斷線(xiàn)等事故逐漸增多。

1 雷擊分析理論

1.1 絕緣閃絡(luò)判據(jù)

1.1.1 規(guī)程法

規(guī)程法是比較絕緣子串兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓與絕緣子串或空氣間隙50%放電電壓方法作為判據(jù)，過(guò)電壓超過(guò)絕緣的50%放電電壓即判為閃絡(luò)[2]。國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明規(guī)程法計(jì)算結(jié)果導(dǎo)致線(xiàn)路跳閘率明顯偏高[3]，目前線(xiàn)路防雷計(jì)算中主要采用相交法和先導(dǎo)法。

1.1.2 相交法

相交法是只要絕緣子串上的過(guò)電壓波與伏秒特性曲線(xiàn)相交，即發(fā)生閃絡(luò)，不相交就不閃絡(luò)。伏秒特性滿(mǎn)足：

式（1）中：Us-t為絕緣閃絡(luò)電壓，kV；l為絕緣距離，m；t為從雷擊開(kāi)始到絕緣閃絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間，us。

對(duì)于 50%擊穿電壓，t取 10 us，代入式（1），即：

1.1.3 先導(dǎo)法

由于作用在線(xiàn)路絕緣上的雷電過(guò)電壓并非都是標(biāo)準(zhǔn)波形，其閃烙不完全滿(mǎn)足伏秒特性規(guī)律，故提出利用先導(dǎo)發(fā)展模型法作為絕緣閃絡(luò)的判斷依據(jù)[4]，即當(dāng)線(xiàn)路絕緣上電壓出現(xiàn)的時(shí)間達(dá)到一定的流注發(fā)展時(shí)間Ts值時(shí)，先導(dǎo)開(kāi)始發(fā)展，其速度隨施加的瞬時(shí)電壓與剩余間隙長(zhǎng)度而變，當(dāng)流注占滿(mǎn)整個(gè)間隙長(zhǎng)度d時(shí)，絕緣閃絡(luò)。該方法理論上比較符合放電物理過(guò)程，但先導(dǎo)法的有關(guān)參數(shù)通過(guò)長(zhǎng)空氣間隙放電試驗(yàn)得出，其分散性會(huì)影響計(jì)算準(zhǔn)確性[4]。由長(zhǎng)空氣間隙放電研究得知，間隙擊穿時(shí)間Tb由流注起始時(shí)間Tp、流注發(fā)展時(shí)間 Ts、游離波傳播時(shí)間Ti、先導(dǎo)發(fā)展時(shí)間TL、氣體加熱時(shí)間Tg組成，近似取：

據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出Ts與先導(dǎo)發(fā)展速度v1的經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

式（3，4）中：E 為閃絡(luò)前最大平均場(chǎng)強(qiáng)，kV/m；E50為50%放電電壓下的平均場(chǎng)強(qiáng)，kV/m；E0為先導(dǎo)發(fā)展的閾值場(chǎng)強(qiáng)，kV/m；A，B為由間隙類(lèi)型及電壓極性決定的實(shí)驗(yàn)常數(shù)，分別取 1.25 和 0.95[5，6]；v1為先導(dǎo)發(fā)展速度，V/m；d為間隙長(zhǎng)度，m；V 為瞬時(shí)電壓，kV；x為剩余間隙長(zhǎng)度，m；k1和k2為與絕緣性質(zhì)、電壓極性等有關(guān)，分別取170和1.5×10-3[6]。

1.2 雷擊計(jì)算模型

以220kV典型線(xiàn)路模型為例，受擊線(xiàn)路左右兩邊桿塔分別為ZTS-32.7、全高44.7 m，和FTSS3-27（雙回路）、全高44.5 m，全線(xiàn)架設(shè)2根地線(xiàn)。如圖1所示，因雷電流作用時(shí)間較短，為避免雷電流波折反射對(duì)雷擊點(diǎn)的影響，雷擊檔距兩側(cè)各增加2個(gè)檔距，并在線(xiàn)路終端增加10 km長(zhǎng)線(xiàn)路[7]。架空輸電線(xiàn)路采用頻率相關(guān)模型 （Frequency Dependent（Phase）），相關(guān)參數(shù)如表1所示。輸電線(xiàn)路桿塔采用傳輸線(xiàn)波阻抗（多波阻抗）模型[8-12]，接地電阻為2 Ω。雷電通道采用一個(gè)受控的雷電流源與雷電通道波阻抗并聯(lián)等效，雷電通道波阻抗取400 Ω[4]。

圖1 仿真模型示意圖

表1 線(xiàn)路相關(guān)參數(shù)

2 仿真分析

分別從雷電流幅值I、雷擊點(diǎn)位置s（s為雷擊點(diǎn)與指定一側(cè)桿塔間的距離）和檔距L 3個(gè)因素考慮對(duì)線(xiàn)路反擊耐雷水平的影響[13]。

2.1 檔距中央的反擊耐雷水平分析

當(dāng)線(xiàn)路檔距為420 m和200 m時(shí)，分別模擬雷電流幅值大小為 75 kA，100 kA，125 kA，150 kA 和200 kA，采用先導(dǎo)法計(jì)算雷擊中檔距中央地線(xiàn)的反擊耐雷水平，如圖2所示。其橫坐標(biāo)為雷電流幅值I，縱坐標(biāo)為雷擊點(diǎn)地線(xiàn)與B相導(dǎo)線(xiàn)之間的電壓U，虛線(xiàn)以上幾種情況空氣絕緣發(fā)生閃絡(luò)。由圖2可知，雷電流越大，地線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)間電壓差越大，當(dāng)雷擊點(diǎn)電壓大于間隙擊穿電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)生空氣絕緣閃絡(luò)。

2.2 雷擊點(diǎn)對(duì)反擊耐雷水平的影響

檔距為420 m和200 m時(shí)，雷擊檔距中央地線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)間的電壓U與雷擊點(diǎn)s的關(guān)系如圖3所示。虛線(xiàn)以上幾種情況空氣絕緣發(fā)生閃絡(luò)。

圖2 雷擊檔距中央地線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)間電壓與雷電流大小關(guān)系

從圖3中可以看出，相同雷電流下，雷擊點(diǎn)越靠近桿塔（即s越小），地線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)間的電壓U越小，當(dāng)雷擊點(diǎn)位于檔距正中間附近時(shí)變化時(shí)，電壓U變化不大。同樣條件下，雷擊地線(xiàn)檔距正中央，地線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)的電壓差最大，雷擊點(diǎn)電位較高。因?yàn)槔讚魴n距中央時(shí)，雷電波分別沿線(xiàn)路向兩邊的桿塔傳播，此時(shí)傳播至桿塔的距離最長(zhǎng)，桿塔反射來(lái)的負(fù)雷電波所需時(shí)間較大，雷擊點(diǎn)易形成高電壓。而雷擊點(diǎn)位于桿塔附近時(shí)，桿塔快速反射回來(lái)的負(fù)雷電波會(huì)削弱雷擊點(diǎn)電壓。

圖3 雷擊檔距中央地線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)間的電壓與雷擊點(diǎn)的關(guān)系

2.3 檔距大小對(duì)反擊耐雷水平的影響

雷擊點(diǎn)位于檔距1/2和1/3處時(shí)，線(xiàn)路檔距耐雷水平的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，相交法比先導(dǎo)法得到的耐雷水平大，但規(guī)律相同，即隨著檔距增大，耐雷水平逐漸減小，當(dāng)檔距＞350 m時(shí)，耐雷水平減小速度變慢。雷擊地線(xiàn)檔距中央時(shí)，雷電波沿地線(xiàn)向兩邊傳播，經(jīng)兩側(cè)桿塔反射的時(shí)間隨檔距大小而不同。檔距較小時(shí)，雷電波傳播至兩邊桿塔，產(chǎn)生負(fù)反射波沿地線(xiàn)快速傳播回來(lái)，降低雷擊點(diǎn)過(guò)電壓，避免絕緣閃絡(luò)，提高了耐雷水平；檔距增大時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)反射波傳播至雷擊點(diǎn)的時(shí)間加長(zhǎng)，雷擊點(diǎn)易形成高的過(guò)電壓，地線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)間的電壓超出絕緣水平時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，故重雷害區(qū)域，線(xiàn)路檔距不宜過(guò)大，必要時(shí)應(yīng)采取其他措施提高線(xiàn)路耐雷水平[13，14]。

3 雷擊地線(xiàn)反擊實(shí)例分析

某220kV線(xiàn)路7號(hào)與8號(hào)塔間地線(xiàn)雷擊斷線(xiàn)，斷線(xiàn)點(diǎn)位置距離7號(hào)塔約180 m，在導(dǎo)線(xiàn)180 m處發(fā)現(xiàn)有電弧燒傷痕跡。7號(hào)塔型為ZTS-32.7、全高44.7 m，8號(hào)塔型為 FTSS3-27（雙回路）、全高 44.5 m，檔距420 m。地線(xiàn)為GJ-50鍍鋅鋼絞線(xiàn)（7根單線(xiàn)直徑3.0 mm）。地線(xiàn)為2根水平排列，7號(hào)、8號(hào)塔附近地形平坦，導(dǎo)線(xiàn)交叉換相。

據(jù)雷電定位系統(tǒng)查詢(xún)，該線(xiàn)路落雷雷電流幅值為103.3 kA。利用ATP及PSCAD建立模型仿真，分別用相交法和先導(dǎo)法計(jì)算地線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)之間的閃絡(luò)判據(jù)，如圖5、圖6所示。圖5中地線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)間的電壓波形與伏秒特性曲線(xiàn)剛好相交，圖6中12 us左右時(shí)，先導(dǎo)發(fā)展速度為0，地線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)上的電壓相等，即發(fā)生絕緣閃絡(luò)。2種方法都計(jì)算得出該雷擊造成了導(dǎo)地線(xiàn)發(fā)生閃絡(luò)，相交法以標(biāo)準(zhǔn)雷電波計(jì)算，未考慮雜散參數(shù)影響，對(duì)避雷器伏秒特性需準(zhǔn)確掌握；先導(dǎo)法模擬了雷電先導(dǎo)發(fā)展的物理過(guò)程，但相關(guān)時(shí)間參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)得出，計(jì)算值偏保守。

圖5 相交法判斷地線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)是否發(fā)生閃絡(luò)

圖6 先導(dǎo)法判斷地線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)是否發(fā)生閃絡(luò)

計(jì)算結(jié)果表明該地線(xiàn)與B相導(dǎo)線(xiàn)之間的最大耐受雷電流約為97.3 kA，故線(xiàn)路在雷電流為103.3 kA、雷擊檔距中間180 m處時(shí)，地線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)間會(huì)發(fā)生空氣絕緣閃絡(luò)，其主要原因：（1）7號(hào)與8號(hào)桿塔較高（約45 m），檔距也較大（達(dá) 420 m），雷擊點(diǎn)易形成高電位；（2）雷擊點(diǎn)距離7號(hào)塔180 m處，位于檔距中央附近，雷擊點(diǎn)電壓相對(duì)較高；（3）該檔距進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)三相的交叉換相，略縮小了B相與地線(xiàn)的間距；（4）雷電流幅值高達(dá)103.3 kA，超過(guò)雷擊檔距中央的耐雷水平[15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）雷擊地線(xiàn)檔距中間時(shí)，檔距正中央附近的耐雷水平最低，當(dāng)雷電流較大時(shí)易發(fā)生絕緣閃絡(luò)。雷擊點(diǎn)靠近桿塔時(shí)，桿塔處快速反射回來(lái)的負(fù)雷電波可削弱雷擊點(diǎn)的電壓，故校核線(xiàn)路雷擊地線(xiàn)檔距中央的耐雷水平時(shí)應(yīng)以檔距中心位置為準(zhǔn)。

（2）檔距增大，線(xiàn)路耐雷水平逐漸降低。檔距較小時(shí)，雷電波傳播至兩邊桿塔，產(chǎn)生負(fù)反射波沿地線(xiàn)快速傳播回來(lái)，降低雷擊點(diǎn)過(guò)電壓，避免絕緣閃絡(luò)，故可通過(guò)適當(dāng)減小檔距來(lái)提高線(xiàn)路耐雷水平。

（3）增大檔距中的導(dǎo)地線(xiàn)間距可增大線(xiàn)路的耐雷水平，可改善桿塔塔頭結(jié)構(gòu)來(lái)提高導(dǎo)地線(xiàn)閃絡(luò)電壓，但成本較高。

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