并行防雷措施在提高线路反击耐雷性能的应用

2015-07-25高广德邹建华杨先杰吴金辉

三峡大学学报(自然科学版) 2015年3期

高广德向文邹建华胡江杨先杰吴金辉

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002；2.宜昌电力勘测设计院，湖北宜昌 443003）

如何消除或降低雷害一直是电网公司希望解决的难题.随着近几年我国电网的急剧发展，许多线路都会经过多雷地区，同时由于线路走廊的紧缺，同塔多回的输电线路渐渐增多，这些因素都导致了杆塔的被击率升高.同时单一的防雷措施已经无法满足线路安全运行的要求，因此有必要采取有效的并行防雷措施来提高线路的耐雷性能.所谓并行防雷措施就是在同一杆塔上采用两种及以上不同的防雷措施来进行防雷.

文献［1］中，110kV输电线路在3种雷击方式下，作者利用规程法、仿真（ATP／EMTP）、电气几何模型（EGM）法计算出了线路的耐雷水平，并分析了哪种雷击方式对线路的威胁最大.文献［2］分析了线路档距、接地电阻对防雷效果的影响，计算了不同模型下不同的防雷效果.文献［3］研究了避雷器的安装方式对输电线路防雷性能的影响.但是文献均未考虑线路采用多种防雷措施后对线路耐雷水平的影响，本文在文献［1－3］的基础上引入了工频相位角对线路耐雷性能的影响；将调整工频相位角，降低杆塔接地电阻，加装氧化锌避雷器、耦合地线等措施组合成的并行防雷措施应用于线路，并利用ATP／EMTP对其进行仿真，对比各种并行措施的耐雷水平［4］.

1 基本参数及模型的建立

输电线路导线型号为2×LGJ－400／35，分裂间距为400mm；避雷线采用GJ－70；绝缘子串采用13片FC70P／146型绝缘子，杆塔为2F4－SZ2－21杆塔.

导线采用Jmarti模型，线路参数的计算中，对于双分裂导线采取等值半径的方法，杆塔采用多波阻抗模型，如图1所示.模型中的相关参数见式（1）～（6）.

图1 杆塔原型及多波阻抗模型

式中，Zt为杆塔主材波阻抗（Ω）.r1、r2、r3、r4、h1、h2、h3、h4如图1所示.

式中，ZA为横担阻抗（Ω）；h为横担对地高度（m）；re为横担的等效半径（m）.

式中，re为横担的等效半径（m）；N为主支柱个数；A为支柱外接圆半径（m）；ds为支柱间的距离（m）；r为单个支柱的半径（m）.

本文采取相交法来判断绝缘子串是否闪络［5－7］.当绝缘子串两端的电压与绝缘子的伏秒特性相交时的雷电流幅值即为线路的耐雷水平.13片绝缘子的伏秒特性表达式见式（7）.将所得绝缘子串的伏秒特性曲线导入ATP／EMTP中的TACS搭建的判断模型［8］，总仿真图如图2所示.

13片FC70P／146型绝缘子的伏秒特性曲线：

图2 仿真模型（部分）

本文采用Heidler模型来模拟雷电流，雷电流波形为2.6／50μs.其模拟表达式为

式中，n为电流陡度因子，τ1为波前时间，即电流从零到达到峰值的时间；τ2为波长时间，即电流从零到达到峰值，又从峰值下降为峰值的37%所经过的时间.IEC（国际电工委员会）于1995年在其文件IEC1312－1中推荐采用此雷电流解析表达式［9］.

本文采用的避雷器为氧化锌避雷器.氧化锌避雷器的伏安特性见表1.

表1 220kV线路型避雷器伏安特性参数

2 影响线路耐雷水平的因素

2.1 避雷器的安装方式对输电线路反击耐雷水平的影响

图3中，曲线1为 A1、B1、C1、A2、B2、C2相均安装避雷器；曲线2为A1、B1、A2、B2相均安装避雷器；曲线3为A1、A2相均安装避雷器；曲线4为C1、C2相均安装避雷器；曲线5为未装避雷器.

从图3可以看出，避雷器的安装位置和安装数量对线路的耐雷水平有较大的影响.即安装位置越靠近塔顶和安装数量越多，线路的耐雷水平越大.同时，随着接地电阻的增大，耐雷水平越低，造成这种现象的原因在于：避雷器具有高通低阻的特性，当雷电击中线路时，避雷器动作，将雷电流导入大地，从而提高线路的耐雷水平.但是当接地电阻增大时，会导致将雷电流导入大地越来越困难，也使得避雷器的防雷性能越来越差，对耐雷水平的提高越来越小.这也是在现实防雷改造中为何首先要尽量降低接地电阻的原因.

图3 避雷器不同安装方式下，耐雷水平与接地电阻间的关系

对比曲线4、5知，安装避雷器可以大幅度提高线路的耐雷水平.在接地电阻较小（10Ω）的情况下，线路安装避雷器后，耐雷水平由没装时的130Ω增大到180Ω，增长率达到38.40%.所有相均安装的线路耐雷水平最高，达到250kA，是未安装避雷器时的1.9倍.接地电阻小（＜20Ω）时，对比曲线2、3，线路的耐雷水平的最大增长率为28%.接地电阻较高（20～40Ω）时，相对于在A1、A2两相安装时，安装4支避雷器（曲线2）的线路耐雷水平增长率分别是13.60%.对比曲线1、4，在电阻（＜20Ω）较小时，增长率为8.60%；在电阻较大（＞30Ω）时，最大增长率为44.00%.

与没有装设避雷器时的耐雷水平相比，安装避雷器后，线路的耐雷水平都有明显的提高.在A1、A2安装避雷器后，线路的耐雷水平都有明显的提高.而在A1、B1、A2、B2安装避雷器，与A1、A2安装避雷器相比，当杆塔接地电阻较大时，线路的耐雷水平提升不明显.而当杆塔接地电阻较小时，防雷效果则有一定的提高.而当在 A1、B1、C1、A2、B2、C2安装避雷器，与A1、B1、A2、B2相均安装避雷器相比，耐雷水平有一定的提高.

2.2 工频相位角对输电线路反击耐雷水平的影响

从图4可以看出，不管接地电阻如何变化，耐雷水平总是在相位角为120°时最大.当接地电阻为10Ω时，线路的耐雷水平最大增长率为22.22%；接地电阻为20Ω时，线路的耐雷水平最大增长率为21.84%；接地电阻为30Ω时，线路的耐雷水平最大增长率为32.05%.在工频相位角为120°时，线路的耐雷水平均达到最大；随着杆塔接地电阻的增加，调整工频相位角对线路防雷性能的提升越为明显.

图4 在不同的接地电阻时，相位角与耐雷水平的关系

2.3 耦合地线对输电线路反击耐雷性能的影响

耦合地线的作用主要体现在对雷电流的分流方面.本节着重研究装设耦合地线与否，线路各部分对雷电流的分流百分比.避雷线安装位置为离地16m处.安装位置的选取方法见文献［4］，通过电流探针测得雷击塔顶时，避雷线、耦合地线、杆塔塔顶的电流值，取电流最大值计算在雷电流中的百分比，结果见表2.

表2 避雷线、耦合地线、杆塔的分流百分比（单位：%）

安装耦合地线对杆塔有明显分流的作用，随着雷电流幅值的增加，耦合地线所分流的百分比依次增加，反击的可能性逐渐降低.另线路的耐雷水平由未装耦合地线时的128kA增长到装后的154kA，增长率约为15.00%.

3 并行防雷措施对线路反击耐雷性能的影响

3.1 安装避雷器、耦合地线

图5中，曲线1为 A1、B1、C1、A2、B2、C2装6支避雷器，一根耦合地线；曲线2为A1、B1、C1、A2、B2、C2装6支避雷器.前面提到随着接地电阻的逐渐变大，避雷器的防雷性能越来越差，从而使得线路的耐雷水平越来越低.但是当线路安装耦合地线后，由于耦合地线有分流和耦合的作用，虽然线路耐雷水平越来越低，但是比没装耦合地线时的耐雷水平要高一点，并且随着接地电阻的增大，这种差距会越来越明显.

图5 避雷器、耦合地线共同作用下，线路耐雷水平与接地电阻间的关系

由图5知：装设避雷器与耦合地线可以显著提高线路的反击耐雷水平.在低接地电阻（≤20Ω）时，最大增长率为4.00%.在高接地电阻（＞20Ω）时，最大增长率为13.60%.

3.2 安装避雷器、调整工频相位角

图6中，曲线1为 A1、B1、C1、A2、B2、C2装避雷器，工频相位角为120°，曲线2为 A1、B1、C1、A2、B2、C2装6支避雷器.

图6 避雷器、调整相位角共同作用下，线路耐雷水平与接地电阻间的关系

从图6可以看出，调整工频相位角后可以提高线路的耐雷水平，而且随着接地电阻的增大，调整工频相位角对线路的耐雷水平的提升越来越明显.即调整工频相位角适合于接地电阻难以降低的地区.在低接地电阻（≤20Ω）时，反击耐雷水平最大增长率为2.00%.在高接地电阻（＞20Ω）时，最大增长率为8.30%.

3.3 避雷器、调整工频相位角、安装耦合地线

图7中，曲线1为A1，A2，B1，B2四相装避雷器，曲线2为在A1，A2相装设避雷器，调整工频相位角为120°，同时在离地高16m处架设一根耦合地线.由图7可以看出，采用并行防雷措施（架设耦合地线、调整相位角、安装避雷器并）后，线路的反击耐雷水平与A1，A2，B1，B2四相装避雷器时的反击耐雷水平相差不大，随着接地电阻的增大，两者会越来越靠近.