基于ATP的線路避雷器仿真研究

郭嘯龍，李 健，黃欲成，江 舟(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

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基于ATP的線路避雷器仿真研究

郭嘯龍，李 健，黃欲成，江 舟
(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

摘要：加裝線路避雷器是減少線路雷擊跳閘事故，提高供電系統可靠性，進一步降低運行成本的一種有效手段。根據供電線路的實際情況，本文闡述了線路避雷器的基本作用，然后利用電力系統電磁暫態仿真軟件(ATP -EMTP)對安裝線路避雷器后的耐雷水平進行仿真計算，通過仿真計算可有效提高對線路的安全保護，其計算便捷，結果準確。

關鍵詞：線路避雷器；耐雷水平；雷擊跳閘事故。

隨著我國經濟的發展，社會用電需求的不斷提高，對輸電線路供電可靠性要求也越來越高，停電將影響人們的正常生活，造成巨大的經濟損失。防止雷擊跳閘可大大降低輸電線路的故障，進而降低電網中事故的發生頻率。因此，尋求更有效的線路防雷保護措施，一直是世界各國電力工作者關注的課題。

目前，架空送電線路常用的防雷保護措施有：架設避雷線、降低桿塔接地電阻、加強絕緣、采用不平衡絕緣、架設藕合地線等。這些防雷保護措施均有其優缺點：架設避雷線對減少雷電繞擊導線的概率和提高反擊防雷水平有非常重要的作用，但無法完全避免繞擊或側擊；降低桿塔接地電阻對減少雷擊反擊跳閘率有決定性作用，但超過防雷水平的雷電流仍將引起線路跳閘，且高土壤電阻率地區難以降阻；加強絕緣受桿塔尺寸及投資的限制，無法理想地降低雷擊跳閘率,無論采取何種防雷保護措施，也不能完全排除在導線上出現過電壓的可能性，安裝線路避雷器可以使由于雷擊所產生的過電壓超過一定的幅值時動作，給雷電流提供一個低阻抗的通路，使其泄放到大地，從而限制了電壓的升高，保障了線路、設備安全。因此，安裝線路避雷器無論在防止雷直擊導線方面，還是在雷擊塔頂或架空地線時的反擊方面，安裝線路避雷器都非常有效的。

1　線路避雷器防雷原理

電力系統線路避雷器在線路防雷中的應用越來越廣泛，主要是將線路避雷器安裝在輸電線路的易擊段桿塔，以有效地提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率。其防雷的基本原理為：在雷擊桿塔時，一部分雷電流通過避雷線流到相鄰桿塔，另一部分雷電流經桿塔流入大地。當塔頂電位與導線上電位的差值超過絕緣子串50%的放電電壓時，將發生由塔頂至導線的閃絡。如果加裝避雷器，當輸電線路遭受雷擊時，雷電流的分流將發生變化，一部分雷電流從避雷線傳入相鄰桿塔，一部分經塔體入地。當雷電流超過一定值后，避雷器動作加入分流，大部分的雷電流從避雷器流入導線，傳播到相鄰桿塔。雷電流在流經避雷線和導線時，由于導線間的電磁感應作用，將分別在導線和避雷線上產生耦合分量。因為避雷器的分流遠遠大于從避雷線中分流的雷電流，這種分流的耦合作用將使導線電位提高，使導線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡電壓，絕緣子不會發生閃絡，從而達到防止輸電線路雷擊跳閘事故的目的。

當雷電直擊桿塔頂部時，桿塔頂部的地電位雷電過電壓反擊桿塔絕緣，致線路避雷器動作的等值電路見圖1。圖1中，i為總的雷電流(kA)，igt為桿塔的雷電流分流(kA)，ib為桿塔兩側相鄰檔避雷線的雷電流分流(kA)，id為線路避雷器動作后向桿塔兩側相鄰檔導線分流的雷電流(kA)，Lgt為桿塔電感(μH)，Lb為桿塔兩側相鄰檔避雷線的電感并聯值(μH)，Ld為線路避雷器保護相導線桿塔兩側相鄰檔的電感并聯值(μH)，Rch為桿塔沖擊接地電阻(Ω)，虛線框內的Cg、Rv分別為線路避雷器等效晶界層的固有電容(μF)及非線性電阻(Ω)，Rg為等效ZnO晶粒電阻(Ω)。

2　仿真模型建立

2013年4月10日，南方電網220 kV天建線發生三相同跳事故，根據保護錄波圖信息判定為雷電反擊引起的跳閘事故，監測到的雷電流幅值為210.5 kA。本文以此為例，計算天建線加裝線路避雷器后的雷電反擊耐雷水平，驗證線路避雷器在線路防雷的保護作用。

圖1　雷電直擊桿塔頂部時的等值電路

220kV天建線線路全長31.71 km，導線型號為2×LGJX - 400/35，地線型號為GJ -50，絕緣子采用FXBW4 - 220/100型(絕緣子高度146 mm)，13片，桿塔設計接地電阻不大于20Ω(取10Ω)，平均檔距400 m，避雷線和導線弧垂分別取5 m、7 m，桿塔型號為(單回) ZK酒杯型直線塔，呼稱高度23 m，桿塔尺寸見圖2。

圖2　220 kV酒杯型桿塔示意圖

根據實際的線路桿塔參數，在ATP中搭建仿真模型，見圖3。

圖3　ATP仿真模型

2.1雷電流模型

仿真模型中，雷電流的波形選擇為2.6/50 μs，采用雙指數沖擊電源來模擬，雷電流波形雙指數函數表達式(1)：

式中：i為雷電流；I0為峰值電流；k為修正因子；A波頭衰減系數；B為波尾衰減系數。

2.2桿塔模型

桿塔模型采用的是Hara無損線桿塔模型，該模型詳細考慮了桿塔的自身結構，計算的波響應特性與真塔實測近似，更接近于真實桿塔。在實際工程計算中，桿塔波速可取為2.1×108m/s。桿塔沖擊接地電阻一般為7～15Ω，仿真計算時可取為10 Ω。

2.3絕緣子串模型

絕緣子串閃絡模型采用相交法閃絡判據。相交法通過比較絕緣上電壓與伏秒特性曲線的關系來判斷絕緣是否擊穿，考慮了絕緣上雷電過電壓隨時間變化，比規程法更為合理。并且由于其清晰明確的物理概念，較為符合實際情況，便于工程使用，因此目前被廣泛應用于輸電線路防雷計算。描述絕緣子串在標準雷電波下的伏秒特性公式(2)：

式中：L為絕緣子串長度；t為時間。

2.4感應過電壓模型

主放電過程中，絕緣子串兩端的電壓包括如下幾個分量：塔頂電壓、避雷線耦合電壓、導線工作電壓、為感應過電壓?？紤]到感應過電壓會影響絕緣子串兩端電壓，在判斷絕緣子閃絡時，應準確計算這一感應分量，在模型中直接在絕緣子兩端疊加一個直流分量作為感應過電壓，其值為：

式中： Hg為地線平均高度；Im為雷電流幅值。

2.5線路避雷器模型

線路避雷器作為一種過電壓限制器，需要有良好的非線性電阻特性：不動作時呈現高阻抗，泄露電流小，避免長時間的通流導致發熱；一旦在沖擊電壓作用下動作，其電阻減小，導致電壓突變，限制過電壓，并且在沖擊電壓的作用結束后，電阻能迅速增大，減小流過的工頻電流，使系統能繼續正常運行。本文采用的避雷器伏安特性見表1，曲線見圖4。

表1　避雷器伏安特性

圖4　避雷器伏安特性曲線

3　仿真結果

裝設避雷器前后的單相閃絡耐雷水平見表2。從表2可看出，加避雷器后線路的反擊耐雷水平從110 kA提高到145 kA。加裝避雷器后，由于避雷器的鉗電位作用，絕緣子端電壓的大小取決于避雷器的殘壓，此殘壓遠小于未加避雷器的絕緣子端電壓(見圖5、圖6)，因此加避雷器后絕緣子閃絡一般發生在波尾時刻(見圖7)。隨著雷電流幅值的增加，閃絡時刻向波頭移動。

表2　單相閃絡耐雷水平

圖5　雷電流為130 kA、加裝避雷器時絕緣子端電壓波形

圖6　雷電流為130 kA、未加裝避雷器時絕緣子端電壓波形

裝設避雷器前后的多相同時閃絡耐雷水平見表3。從表3可看出，加避雷器后線路的雷電反擊多相同時閃絡耐雷水平得到了顯著提升。

圖7　雷電流為145 kA、加裝避雷器時絕緣子端電壓波形

表3　多相同時閃絡耐雷水平

裝設避雷器前后的線路繞擊耐雷水平見表4。從表4可看出，加避雷器后線路的雷電繞擊耐雷水平得到了顯著提升。

表4　繞擊耐雷水平

4　總結

從以上算例測試可看出，安裝線路避雷器不但可以避免安裝相的反擊，而且雷擊桿塔時塔頂電位升高，避雷器動作，部分雷電流通過安裝避雷器的相導線瀉放，從而在一定程度上降低絕緣子端電壓。隨著避雷器動作，安裝相導線電壓升高，會在相鄰相上感應較高電壓。兩方面因素共同作用使得其他相絕緣子上的電壓降低，耐雷水平得到改善。

參考文獻：

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Simulation Study on Line MOA Based on ATP

GUO Xiao-long, LI Jian, HUANG Yu-cheng, JIANG Zhou
(Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071, China)

Abstract:Installation of line MOA is an effective measure for decreasing trip-out accident due to lighting stroke on overhead line, enhancing reliability of power supply and reducing service cost. The basic functions for line MOA are described and by the alternative transient program electrical-magnetic transient program ( ATP-EMTP) software，the lightning withstand level is being simulate studied after lightning arrester installed. It improves the safety protection effectively, calculates conveniently and gets correctly result．

Key words:line MOA; lightning withstand level; trip-out accident.

中圖分類號：TM862

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2016)01-0072-04

* 收稿日期：2015-10-10

作者簡介：郭嘯龍(1989- )，男，湖北宜昌人，碩士，主要從事輸電線路相關研究與設計工作。