500kV輸電線路防雷優化配置建議

孫志鵬王　文錢少鋒

（1. 國網杭州供電公司，杭州　310006；2. 國網浙江省電力公司，杭州　310004）

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500kV輸電線路防雷優化配置建議

孫志鵬1王文2錢少鋒1

（1. 國網杭州供電公司，杭州310006；2. 國網浙江省電力公司，杭州310004）

通過仿真計算可以有效模擬輸電線路上的雷電波性能，提出具有參考價值的防雷優化設計。本文針對浙江電網安和5828線500kV輸電線路進行了防雷優化配置研究。首先基于PSCAD軟件組建了此500kV輸電線路雷擊桿塔塔頂的仿真模型。進一步從經濟性與防雷特性上展開避雷器、絕緣子、塔型的優化配置研究。最終針對安和5828典型線路提出具有工程實際意義的防雷優化配置建議。

輸電線路；雷擊；優化配置；仿真

隨著電力事業的不斷發展，雷擊引起的輸電線路跳閘故障日益增多，嚴重影響了日常的生產生活與電網的安全運行［1-2］。浙江地區雷雨天氣較多，是雷害的重點防治區域。近些年來，電網投入了大量資金進行輸電線路的防雷建設，但存在著保護高閾量，偏于保守，過于浪費等情況。通過仿真軟件可以有效模擬輸電線路上的雷電波性能，針對線路具體情況展開分析，提出有效且具有經濟性的防雷建議［3-5］。

根據對以往架空線路的分析可知，大部分雷擊故障主要由雷擊塔頂引起［6］。隨著電壓等級的增長，桿塔高度的增加，雷擊桿塔的概率也不斷提高。國內外對仿真計算中桿塔模型進行了多方面的研究［7-10］，其中多波阻抗模型在高桿塔雙回線路雷擊仿真研究中得到了廣泛的應用。

本文針對浙江電網典型 500kV輸電線路 5828線基于 PSCAD軟件建立了仿真分析模型，分別進行了避雷器、絕緣子、桿塔的優化配置研究，最終針對該典型輸電線路提出了具有實際意義的優化建議。

1　仿真模型的建立

仿真模型的建立主要分為雷電流模型、桿塔模型、輸電線路模型、絕緣子模型等。圖1所示為雷擊桿塔塔頂的500kV雙回輸電線路示意圖，檔距為400m。

圖1　雷擊塔頂示意圖

1.1雷電流的仿真模型

根據多年研究可知，75%～90%的雷電流極性為負。因此本文根據電力標準采用2.6/50μs的負極性雷電流波形。計算公式如下式所示：

式中，I為雷電流；I0為雷電流幅值。仿真圖如圖2所示。

圖2　雷電流仿真圖

圖2上部分為雷電流幅值控制模塊，通過一個控制元件可以簡便調節雷電流的幅值大小。下部分為雷電流仿真圖。經計算得到的控制波形與受控源相配合組成“雷電發生器”，雷電通道波阻抗 Z=300Ω。雷電流波形如圖3所示，延時0.1s。

圖3　雷電流仿真波形

1.2桿塔模型

本文所研究的桿塔為500kV雙回輸電線路中的SZV1與SZV2兩種，其中安和5828線114#與115#桿塔采用SZV1塔型，塔呼高42m，塔高57m。安和5828線110#與112#桿塔采用SZV2塔型，塔呼高51m，塔高66m。

仿真模型選用多波阻抗模型，相比較于集中電感模型與單一波阻抗模型可以更加真實的模擬桿塔的波過程。以SZV1為例仿真計算結果如圖4所示，接地電阻選用15Ω。

圖4　桿塔仿真

1.3輸電線路模型

PSCAD中的Tline元件可以準確模擬雷擊桿塔后輸電線路的暫態特性。Tline元件包含3種基本模型：PI模型、Bergeron模型，Phase模型。本文為了更好的計算雷電參數的暫態特性，選擇 Phase頻率模型。為與SZV1與SZV2雙回架空線路桿塔匹配，選擇包含2根避雷線，6條導線的8線模型。線路檔距為400m，仿真首末兩端設置一條長10km的長線路模擬終端，消除折返射影響。其中選用的導線與避雷線的參數見表1。

表1　線路參數

1.4絕緣子與避雷器模型

輸電線路正常輸電時，絕緣子安裝在桿塔與導線間起到保證兩者間絕緣的作用。雷擊桿塔導致塔頂電位瞬間升高，當加在絕緣子上的電壓差高于其耐受電壓時發生閃絡，引發故障。絕緣子的耐受電壓與絕緣子片數的關系見表2。

表2　絕緣子參數

工程上，一般以絕緣子50%閃絡電壓U50%為標準，當塔頂電位Ut與導線電位Uc間的壓差大于U50%時，則判斷絕緣子發生閃絡。在 PSCAD中用一常斷開關進行模擬，當|Ut?Uc|＞U50%時，開關導通，絕緣子閃絡。判斷仿真如圖5所示。

圖5　絕緣子仿真圖

避雷器可以在雷擊發生時對絕緣子進行保護，本文采用PSCAD中的氧化鋅避雷器元件進行仿真，工作電壓為444kV，其伏安特性見表3。

表3　避雷器參數

如圖6所示，本文建立了浙江電網500kV安和5828線輸電線路的仿真模型，設桿塔由上到下分別為A、B、C三相，雷擊于桿塔塔頂，雷擊時刻為仿真開始后的0.1s。

圖6　雷擊塔頂輸電線路仿真圖

2　仿真結果分析及防雷優化配置建議

日本經過研究分析認為雷電流最大值不超過150kA，我國認為雷電流超過 200kA的概率極低，因此在本文分析中認為只要輸電線路可以耐受幅值為150～200kA雷電流便滿足絕緣要求［11］。

接地電阻設為15Ω，檔距設為400m，桿塔不特別說明下默認為SZV1型，絕緣子片數為26片，桿塔由上到下依次為A、B、C三相。波形圖中藍色為A相電壓，綠色為B相電壓，紅色為C相電壓。下圖7為絕緣子兩端的三相電壓波形。

如圖7（a）所示，不安裝避雷器，當雷電流為?35kA時，絕緣子未發生閃絡，如圖7（b）所示，逐級增大雷電流至?39kA時，絕緣子發生閃絡，閃絡瞬間對應相的絕緣子兩端電壓降為零。

圖7　雷擊三相電壓波形

2.1避雷器的優化配置

從圖7可以看出，雷電流增大至?39kA時，A相首先發生閃絡故障。因此，首先只對 A相安裝444kV避雷器。此時當雷電流增大至?83kA時，B相首先發生閃絡。

分別進一步對B相與C相單獨裝設避雷器進行分析，可以得到，當B相與C相單獨裝設避雷器時，A相電壓依然很高，絕緣子會首先發生閃絡。當 B相單獨裝設避雷器時，A相的閃絡雷電流為?49kA，C相單獨裝設避雷器時，A相的閃絡雷電流為?43kA。

分析得出，當桿塔塔頂發生雷擊時，A相絕緣子電壓高于B相高于C相。單獨對A相安裝避雷器，可以抑制A，B，C三相的電壓，但單獨對B相與C相裝設避雷器只會較小程度的提高A相耐壓。其中B相避雷器抑制作用要大于C相。

因此，為了降低成本，采用盡量少的避雷器，A相首先確定要安裝避雷器。由于單相裝設避雷器無法滿足防雷絕緣要求，進一步對兩相安裝避雷器。A相在最上，距離雷擊點最近，其電壓要高于B、C兩相。因此對AB兩相安裝避雷器與AC兩相安裝避雷器進行研究，當AB相安裝避雷器時，絕緣子閃絡雷電流為?193kA，當AC兩相安裝避雷器時，絕緣子閃絡雷電流為?96kA。更進一步對ABC三相均安裝避雷器，可以得到絕緣子閃絡雷電流為?201kA。總結見表4。

表4　避雷器安裝位置與閃絡雷電流關系

2.2絕緣子的優化配置

絕緣子的閃絡電壓與片數成正比，此時將全部絕緣子增加至30片，只在A相單獨裝設避雷器時，當雷電流增大至?94kA時，B相首先發生閃絡，防雷效果提升了15.66%。當只在AB兩相裝設避雷器時，當雷電流增大至?220kA時，絕緣子發生閃絡，防雷效果提升了14%。總結見表5。

表5　絕緣子片數與耐雷水平關系

由此可以發現當增加絕緣子片數時，防雷效果會得到較明顯的提升。

絕緣子不平衡絕緣有兩種方式，一種為同相兩回線路采用的絕緣子片數不同，使一回線路的絕緣水平高于另一回。當發生雷擊事故時，保證一回線路不發生閃絡，降低事造成的損害。另一種為ABC三相采用的絕緣子片數不同，按照各相承受雷電壓大小的不同裝設不同片數絕緣子，可以降低成本，節省資金。

本文只研究ABC三相間的不平衡絕緣。實驗條件為在AB兩相安裝避雷器，仿真計算各種不平衡絕緣條件下的閃絡雷電流。不平衡絕緣所采用的絕緣子分別為26片與30片。具體結果見表6。

表6　不平衡絕緣與耐雷水平關系

從表6中可以看到，當只在單相采用30片絕緣子時，BC相提升效果不如A相。當在AB相或AC相兩相采用30片絕緣子時，耐雷效果相當于三相均采用30片絕緣子。

2.3塔型的優化配置

桿塔類型的不同會對雷電過電壓產生一定的影響。選用安和5828線114#的SZV1桿塔與110# 的SZV2桿塔，在 AB兩相安裝避雷器，絕緣子采用26片。仿真計算不同雷電流幅值下兩種塔形的雷電過電壓。結果見表7及如圖8所示。

表7　桿塔類型與雷電過電壓關系

由此可知，在相同雷電流下，SZV2要比SZV1承受更高的雷電過電壓。此外，經仿真分析，SZV2塔在此條件下的閃絡雷電流為?181kA，相比較于SZV1塔形的?193kA，明顯降低。

圖8　桿塔類型與雷電過電壓關系

3　結論

本文針對浙江電網安和5828線500kV輸電線路進行了基于 PSCAD的仿真研究。組建了雷擊塔頂的仿真模型。通過對避雷器、絕緣子、桿塔的優化配置研究，提出如下建議。

1）在AB相安裝避雷器基本可以滿足防雷保護要求。ABC三相均安裝避雷器防雷效果提升并不明顯，造成一定的浪費。建議只在AB兩相安裝避雷器。

2）增加絕緣子片數可以明顯提升防雷性能。從經濟性角度出發，采用不平衡絕緣方式可以降低投入，節約成本。建議只在AB或AC兩相采用較高串數絕緣子，另一相絕緣子片數可適當降低。

3）針對安和5828線114#的SZV1桿塔與110# 的 SZV2桿塔進行相同條件下的仿真研究，發現SZV2塔型所受雷電過電壓更高。不考慮其他情況下，優先選用114#的SZV1塔形。

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Optimization Suggestions on Lightning Protection of 500 kV Transmission Line

Sun Zhipeng1Wang Wen2Qian Shaofeng1
（1. State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou310006，2. State Grid Zhejiang Electric Power Corporation，Hangzhou310004）

Simulation calculation can effectively simulate the performance of electric wave on the transmission line. Further more，we can put forward the optimization design on lightning protection. This article research the optimization lightning protection based on the Zhejiang power grid 500kV Anhe-5828 transmission line. Firstly，a lightning tower top simulation model of 500kV transmission line was constructed based on PSCAD. Further we research the optimal configuration of lightning arrester，insulator and tower type from the economy and lightning protection features. Finally，this paper put forward the lightning protection configuration optimization suggestions of Anhe-5828 transmission line，which has a lot of practical significance.

transmission line； lightning strike； configuration optimization； simulation

孫志鵬（1978-），男，浙江杭州人，大學本科，工程師，主要從事電力系統設備管理工作。