榄普一线500 kV线路取消架空地线防雷性能分析

龚奕宇，王 言，范松海，雷云泽（．国网四川电力科学研究院，成都 60000； ．清华大学深圳研究生院，深圳 58055）



榄普一线500 kV线路取消架空地线防雷性能分析

龚奕宇1，王 言2，范松海1，雷云泽2
（1．国网四川电力科学研究院，成都 610000； 2．清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：榄普一线500 kV线路由于地线覆冰严重，多次出现线路跳闸、地线断裂等事故，因此需要将架空地线取消。结合行波法和ATP-EMTP电磁暂态分析，对取消地线前后榄普一线的耐雷强度进行了仿真计算。计算结果表明，取消地线后雷击基本都变为绕击，并且绕击耐雷强度和反击耐雷强度均有所降低，需要采用其他防雷措施进行保护。

关键词：榄普一线；取消地线；耐雷强度；ATP-EMTP

引言

四川省凉山地区平海拔2 000-3 000 m，冬季平均气温-1 ℃，地理环境复杂多变，具有多处特殊的微地形区域。相对于其他地区，微地形区域内较容易形成极端气候条件，对特高压输电线路的正常运行造成了严重威胁。凉山地区有等数条特高压输电线路。以榄普一线为例：榄普一线途径小台湾区域，区域内微气象条件突出，极易发生冰灾。仅在2009年到2012年1月三年内就发生了8起以上严重冰灾事故。架空地线由于不能采取融冰等措施，覆冰情况尤为严重。架空地线严重覆冰后，一方面容易导致地线向覆冰较重的一端滑动，增大地线弧垂，使地线与导线间距减小，引起导线对地线的放电；另一方面，由于地线直径较小，覆冰严重时甚至会发生地线断裂事故。为了提高线路的抗冰性能，某些地区采用了取消架空地线的措施。取消架空地线后，整条线路失去了对雷击的防护，线路的耐雷强度以及相应的雷击跳闸率需要重新计算。

我国现行标准DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定了线路耐雷水平、线路跳闸率等参数的计算方法。然而此标准的计算方法是以一定的简化和假设条件为基础的，计算精度仅适用于220 kV及以下线路，称为规程法。500 kV及以上输电线路由于输电杆塔较高、线路走廊加宽以及运行电压提高，不可忽略雷电波在杆塔内的折返射现象，其耐雷强度无法采用规程法计算，需要结合行波法和EMTP/ATP法进行计算。

1　模型建立

采用行波法计算时，由于高杆塔高度较高，波沿杆塔传播时，不同高度的杆塔部分由于L0和C0都不同，使得沿杆塔分布的波阻抗是变化的。为了精确起见，可以使用多段波阻抗模型来模拟输电线路的杆塔。

榄普一线杆塔主要由酒杯型杆塔构成，对应的ATPEMTP模型如图1所示。

榄普一线各个部分的阻抗值单独计算，接地电阻选择为20 Ω。

图1　多段波阻抗模型来模拟输电线路的杆塔

图2　取消地线后绕击闪络分析

2　仿真结果分析

2.1 取消地线后绕击闪络（见图2）和非闪络分析

以取消地线后的榄普一线为例。发生雷电绕击闪络后，绝缘子A相电压会出现一个尖锐的正向峰值，对应的是绝缘子被击穿的电气过程。尖峰出现后，绝缘子A相电压瞬间变为0，证明绝缘子已经发生了绕击闪络。流过绝缘子的瞬时电流也很大，可达到15 kA以上。而如果没有发生闪络，绝缘子A相电压会先出现一个正向的波动，但是电压波动的峰值较小，变化率较缓。波动之后，由于未发生闪络，绝缘子无电流通过。对于母线电流，发生绕击闪络后，母线A相电流会先出现一个负向峰值，在出现一个正向峰值，负向和正向峰值对应绝缘子击穿前瞬间和击穿后瞬间电路的状态。之后母线电流逐渐平稳，但无法回到雷击前的电流值。这是因为绝缘子被击穿，整个电路的结构发生了变化。未发生闪络时，母线电流会出现一个负向波动，但很快能恢复到雷击前的值。

线路存在架空地线（见图3）的情况下，由于架空地线的分流作用，部分电流会从地线中流出。因此流经绝缘子的电流衰减较快，母线电流也不会出现一个正向峰值。后续结果还可以说明，架空地线的分流作用都大于取消地线的情况。另一方面，由于地线较长，电磁波在其中会产生明显的折返射，因此电流和电压都有较为明显的震荡现象。可以证明，改变输电线路长度时，仿真所得电流和电压的震荡周期也会随之改变。

反击闪络情况下绝缘子两端电压以及流经绝缘子电流的方向均与绕击闪络时相反。这是因为雷电反击塔顶，会引起塔顶电位的抬升，绝缘子靠近杆塔一侧电压较高。而雷电绕击导线时，会引起导线电位抬升，从而导致绝缘子靠近导线一侧电压较高。其余特征与绕击结果类似。

3　榄普一线耐雷强度

采用二分法对榄普一线的耐雷强度进行研究。经过反复尝试，最终得出三条线路在有无架空地线两种情况下的绕击与反击耐雷强度表1所示。

表1中的概率P是指一般地区雷电流超过线路耐雷强度的概率，计算公式为：

如表1所示，榄普一线有无架空地线对应的绕击耐雷强度相差不大，有架空地线时绕击耐雷强度略高。证明了绕击耐雷强度仅和绝缘子强度与线路运行电压有关，而与杆塔结构以及有无架空地线基本无关。在具有架空地线时，榄普一线的反击耐雷强度明显大于无地线时的反击耐雷强度。这是因为塔顶反击电压与架空地线的分流作用以及杆塔结构紧密相关。取消架空地线后，地线分流作用消失，雷电流更容易在塔顶产生高电压。

图3　存在架空地线时绕击闪络分析

表1　三条线路绕击耐雷强度

4　结论和建议

榄普一线取消架空地线后，一方面雷击类型基本上都变为绕击雷，线路整体绕击耐雷强度较低，自然界中雷电流数值超过其耐雷强度的可能性较高；另一方面，即使在杆塔附近出现反击雷，线路整体的耐雷强度也远低于存在架空地线的情况。因此，取消架空地线后榄普

一线抗雷水平明显降低，必须要采取其他有效措施来预防可能发生的雷击跳闸事故。实际工程中，可以加装带纯空气间隙的500 kV线路避雷器。由于取消架空地线后线路整体抗雷性能降低，因此需要对避雷器的通流容量以及结构进行安全校核。

参考文献:

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[4]鲁铁成.电力系统过电压[M].北京:水利水电出版社,2009.

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龚奕宇（1986），男，硕士，工程师，主要从事输变电设备状态监测、状态评价、状态信息高级应用。

王言(1992)，男，硕士研究生，主要从事特高压输电线路仿真计算研究。

雷云泽(1991)，男，硕士研究生，主要从事外绝缘检测方面的研究。

Analysis of Maximum Allowable Lightning Current on Lanpu No.1 Line When Canceling Earth Line

GONG Yi-yu1, WANG Yan2, FAN Song-hai1, LEI Yun-ze2
(1. Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610000; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055)

Abstract：Lanpu No.1 overhead transmission line has occurred many line trip and fracture of earth line by the reason of seriously covering ice of earth line. So it’s a necessity to cancel the earth line. By using the traveling wave method and Electromagnetic Transients Program, this paper calculates the maximum allowable lightning current of Lanpu No.1 line with and without earth line respectively. The result shows that firstly, when canceling the earth line, the lightning always strikes the transmission; secondly, the maximum allowable lightning current decreases whether it’s lightning shielding failure or back flashover. So Lanpu No.1 line needs other protection measure.

Key words：lanpu No.1 line; canceling earth line; maximum allowable lightning current; ATP-EMT

作者简介:

中图分类号：TM863

文献标识码：A

文章编号：1004-7204（2016）01-0036-04