±500 kV直流输电线路避雷器防雷性能研究

李 智，吴 凡，王艺霖

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

近几年，中国架空输电线故障数据统计监测表明，雷电灾害是引起线路跳闸的主要因素之一。伊穆±500 kV直流输电线路横跨内蒙古东部地区，途经平原、丘陵，地形较为复杂，输电走廊占地面积大，所以十分容易遭受雷电事故［1］。本文通过对伊穆±500 kV直流输电线路进行仿真计算，分析影响线路反击耐雷水平和绕击跳闸率的主要原因，并针对伊穆±500 kV直流输电线路主要塔型G52P－39杆塔安装避雷器前后耐雷水平的变化进行分析，考虑避雷器最大吸收能量和放电电流，从而对线路避雷器的防雷性能进行研究。

1 直流输电线路直击雷雷击特性分析

1.1 雷电放电过程模型

雷电放电的物理过程涉及到长间隙放电理论，其物理过程十分复杂。但从实际工程角度，可以将其简化成一个波过程，将雷电通道波阻抗设为一个固定值，雷电沿着该通道向地面传播，并由彼得逊法则建立相应的雷电流等值电路模型［2］，如图1所示，其中i0为雷电流，Z0为雷电通道波阻抗，Z为地面击中物体波阻抗。显然i与Z有关，当Z=Z0时，i=i0;当Z=0时，i=2i0。但无论是Z为零还是等于Z0在实际中都是不可能的。工程中一般将雷击低阻抗物体时流过接地装置的电流称为雷电流。通常实验室用电流源来模拟雷电流。

图1 雷电流源等值电路Fig.1 Lightning current source equivalent circuit

1.2 雷电流极性及波形

依据国内外多年实测统计数据，负极性雷在雷电害中占90%左右。因此目前关于输电线路保护都是根据负极性雷来研究分析的。而且电力系统防雷分析和电气设备的雷电冲击试验要求用可以解析的典型波形对雷电波的波形进行等值建模［3］，所以工程中一般采用雷电波等值模型，主要有半余弦波、标准冲击波、双指数波和等值斜角波等几种。工程上，一般认为与实际雷电流波形最相似的等值模型是标准冲击波模型，其表达式为

1.3 仿真模型建立

1.3.1 杆塔模型

建立多阻抗杆塔模型。建模时，将杆塔分成几个模块来进行模拟，每部分杆塔的波阻抗与其距地面的高度有关［4］。直流输电线路杆塔主体结构如图2所示，ATP－EMTP仿真计算中的多波阻抗模型如图3所示。

图2 直流输电线路杆塔主体结构图Fig.2 DC transmission line tower body structure

图3 多波阻抗模型Fig.3 Multi wave impedance model

杆塔主体部分等效波阻抗计算公式为

1.3.2 绝缘子闪络模型

目前，绝缘子闪络模型一般采用相交法。相交法的原理是:若绝缘子串上的过电压曲线与绝缘子串自身的伏秒特性曲线相交，此时判定发生闪络，并认定相交的那一时刻即为闪络时刻;若两条曲线不相交，则认定为不发生闪络。

1.3.3 ±500 kV直流氧化锌线路避雷器伏安特性曲线

±500 kV直流氧化锌线路避雷器伏安特性曲线如图4所示。

图4 ±500 kV直流氧化锌线路避雷器伏安特性曲线Fig.4 ±500 kV DC line zinc oxide arrester volt ampere characteristic curve

1.3.4 仿真电路图

在ATP中建立仿真模型如图5所示。

图5 伊穆直流±500 kV直流输电线路仿真电路图Fig.5 Gimo DC ±500 kV DC transmission line circuit simulation model

模型说明:

1)线路采用JMarti模型，可精确考虑避雷线、已闪络相导线与其他相导线之间的耦合作用。

2)判断绝缘子闪络采用相交法。

3)线路为双端供电双回线路，故模型中含有4个500 kV直流电源。

4)杆塔接地电阻采用线路实测接地电阻。

2 不加装避雷器的耐雷水平

2.1 不加装避雷器线路反击结果分析

2.1.1 杆塔高度对反击耐雷水平的影响

本文对伊穆±500 kV直流输电线路0008号、504号、0226号、0290号杆塔分别用ATP－EMTP软件进行仿真计算，结果如表1所示。

表1 不同杆塔高度对反击耐雷水平的影响Tab.1 Effect of different height of tower on counterattack lightning withstand level

从表1可以看出，当杆塔的接地电阻相同时，直流输电线路的反击耐雷水平随着杆塔高度增加而减小。主要有两方面原因:首先，随着杆塔高度的增加，杆塔的引雷面积也随之增加;其次，随着杆塔高度的增加，雷电波在杆塔中正向传播时间和和反向传播时间都增加，雷电波削弱作用减小［5］。

2.1.2 杆塔接地电阻对反击耐雷水平的影响

为了分析杆塔接地电阻对反击耐雷水平的影响，对伊穆±500 kV直流输电线路G52P－39型号杆塔用ATP－EMTP软件进行仿真计算，结果如表2所示。

表2 不同杆塔接地电阻对反击耐雷水平的影响Tab.2 Effect of different grounding resistance of tower on counterattack lightning withstand level

从表2可以看出，杆塔接地电阻对直流输电线路的反击耐雷水平有一定的影响，直流输电线路的反击耐雷水平随着杆塔接地电阻增加而减小［6］。

2.2 不加装避雷器线路绕击结果分析

2.2.1 地面倾角对雷电绕击跳闸率的影响

考虑山地、丘陵、平原三种地理情况下应用改进电气几何模型计算部分伊穆±500 kV直流输电线路杆塔的绕击跳闸率，统计得出三种地形情况下雷电绕击跳闸率如表3所示。

表3 不同地面倾斜角对绕击跳闸率的影响Tab.3 Effect of different ground inclination angle on shielding failure rate

由表3不难看出，随着地面倾角的增大，雷电绕击跳闸率也随之显著增加［7］。

2.2.2 线路极性对雷电绕击跳闸率的影响

通过对伊穆±500 kV直流输电线路杆塔进行绕击跳闸率进行计算，可以看出线路正极平均绕击跳闸率要明显高于线路负极性绕击跳闸率，这主要是因为中国雷害中绝大部分为负极性雷，而正极性线路的工频电压对负极性的雷云先导发展有较强的引雷作用［8］。

3 加装避雷器的耐雷水平

3.1 线路避雷器安装方案

选定伊穆±500 kV直流输电线路主要塔型G52P－39型号杆塔进行研究，根据中国架空输电线路运行规范中的要求，对雷击跳闸率不合格的杆塔加装一台避雷器，安装情况如图6所示。其中纵坐标0代表不安装避雷器，1代表安装避雷器。

图6 G52P－39型杆塔安装方案Fig.6 G52P －39 tower installation scheme

塔型G52P－39绝缘子型号为FXBZ－±500/160，导线型号为ACSR－720/50。地线型号分别为GJ－100和 OPGW －100，保护角为10°。

3.2 安装线路避雷器反击耐雷水平分析

G52P－39型杆塔安装避雷器前后反击耐雷水平如表4所示。由表4可知，伊穆±500 kV直流输电线路G52P－39型号杆塔安装避雷器后，其反击耐雷水平均可达到400 kA以上，能可靠保护线路不发生反击跳闸事故。

表4 线路改造前后反击耐雷水平Tab.4 Counterattack lightning withstand level of lines before and after transformation

3.3 安装线路避雷器绕击耐雷水平分析

G52P－39型杆塔安装避雷器前后绕击耐雷水平如表5所示。

表5 G52P－39型杆塔改造前后绕击耐雷水平Tab.5 Counterattack around lightning withstand level of G52P－39 tower before and after transformation

由表5可知，伊穆 ±500 kV直流输电线路G52P－39型号杆塔安装避雷器后，其绕击耐雷水平显著提高，均大于其最大绕击电流，能可靠保证线路不发生绕击跳闸事故。

3.4 避雷器吸收能量和放电电流

雷电流流经避雷器时，避雷器吸收能量为

由上式可得G52P－39杆塔在反击和绕击情况下避雷器最大吸收能量Wm和放电电流Im，结果如表6所示。

表6 避雷器最大吸收能量和放电电流Tab.6 Maximum absorbed energy and discharge current of arrester

根据中国架空输电线路运行规范的设计要求，500 kV直流线路避雷器的最小吸收能量为1898 KJ，要求冲击耐受电流为100 kA。根据表6计算结果，伊穆±500 kV直流输电线路G52P－39型号杆塔安装线路避雷器后，完全能够满足安全可靠运行要求。

4 结论

1)±500 kV直流输电线路反击耐雷水平随着杆塔高度的增加而减小，随着接地电阻的增大而减小。

2)±500 kV直流输电线路绕击率随着地面倾角的增大而增大，导线的极性对雷电先导有明显的吸引作用。

3)±500 kV直流输电线路安装线路避雷器可有效提高线路的耐雷水平，避免发生绕击和反击跳闸事故。

［1］ 刘振亚.特高压直流输电理论［M］.北京:中国电力出版社，2009.LIU Zhenya.Theory of ultra high voltage dc transmission［M］.Beijing:China Electric Power Press，2009.

［2］ 舒印彪.中国直流输电的现状及展望［J］.高电压技术，2004，30(11):1－3.SHU Yinbiao.Present state and prospect of HVDC transmission line in china［J］.High Voltage Engineering，2004，30(11):1 －3.

［3］ 中国电力科学研究院.国家电网公司±500 kV跨区直流输电工程外绝缘故障分析(2004—2007年)［R］.北京:中国电力科学研究院，2008.China Electric Power Research Institute.State Grid ±500kV transregional dc transmission project external insulation fault analysis(2004—2007)［R］.Beijing:China Electric Power Research Institute，2008.

［4］ 鲁志伟，马文婧.新立变电站接地系统安全性能研究［J］.东北电力大学学报，2012，32(6):28 －32.LU Zhiwei，MA Wenjing.Grounding system safety performance of Xinli substation ［J］.Journal of Northeast Dianli University，2012，32(6):28 －32.

［5］ SHELEMY S J，SWATEK D R.Monte Carlo simulation of lightning strikes to the nelson river HVDC transmission lines［C］//International Conference on Power Systems Transients.Rio de Janeiro，Brazil，2001.

［6］ RAKOV V A，RACHIDI F.Overview of recent progress in lightning research and lightning protection［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2009，51(3):428 －442.

［7］ 黄伟超，何俊佳，陆佳政.实际雷电活动分布下的线路雷击跳闸率计算［J］.高电压技术，2008，34(7):1368 －1372.HUANG Weichao， HE Junjia， LU Jiazheng. Calculation of lightning trip－out rate of transmission lines under real lightning stroke distribution ［J］.High Voltage Engineering，2008，34(7):1368－1372.

［8］ 张翠霞，葛栋，殷禹.直流输电系统的防雷保护［J］.高电压技术，2008，34(10):73 －75.ZHANG Cuixia，GE Dong，YIN Yu.Lightning protection of HVDC transmission system ［J］.High Voltage Engineering，2008，34(10):73 －75.