同塔双回输电线路不平衡绝缘防雷特性研究

2016-09-01王栎浩华北电力大学北京102206

电子制作 2016年10期

王栎浩华北电力大学北京 102206

同塔双回输电线路不平衡绝缘防雷特性研究

王栎浩华北电力大学北京 102206

不平衡绝缘方式是同塔双回线路一种特殊的防雷措施，采用ATP研究输电线路雷电反击，选择相交法作为绝缘子串闪络判据，搭建了220kV同塔双回输电线路的雷电反击模型并进行计算，得出了不平衡绝缘方式能有效提高双回线路耐雷水平，降低双回同时跳闸率的结论，同时研究了线路最优的绝缘不平衡度，220kV同塔双回输电线路绝缘不平衡度的选择和线路雷击情况以及绝缘强度有关，一般取15%到25%。

220kV；同塔双回；雷电反击；不平衡绝缘；耐雷水平

0　引言

近年来，由于经济的发展，电力系统不断完善，电网负荷不断增加。为了适应负载容量增大的需要，电网传输能力必须提高，所以同塔双回输电线路以其优异的传输性能而得到大规模建设，特别是大城市等输电走廊紧张的地区。同时，为了保证绝缘，双回线路杆塔高度增加，造成杆塔电感大，感应过电压值较大。雷击情况下，较大的雷电流可能导致双回线路同时跳闸，给电力系统造成非常大的损失。

随着电网杆塔高度增加，发展了多种多样的防雷保护措施，如增设耦合地线，架设避雷线，安装避雷针等。在已有的各种措施中，无法解决双回同跳问题，所以不平衡绝缘方式应运而生，即两回线路的绝缘水平不一致，根据绝缘水平高低分为高绝缘侧和低绝缘侧。雷击杆塔时，低绝缘侧绝缘子先达到击穿电压而发生闪络，从而相当于地线分流雷电流，提高绝缘侧线路耐雷水平。自1999年6月份开始，珠海供电分公司在部分110kV线路上一侧增加了2片绝缘子，形成了不平衡绝缘。总长531743km的7回线路完整运行了3个雷雨季，到2002年底，观察其运行情况，发现保护效果显著。其比例由68%降低到11.18%，因此不平衡绝缘方式下，同塔双回线路同时跳闸率降低。

1　雷电反击计算方法

输电系统中，对线路绝缘保护产生危害的雷电根据是否直接击在线路上，分为直击雷和感应雷。其中直击雷包括反击雷和绕击雷。反击容易造成双回线路同时跳闸，所以不平衡绝缘旨在提高输电线路反击耐雷水平。在研究雷电反击时，第一步是确定反击计算方法，第二步是确定绝缘子串闪络判据。

计算反击跳闸率主要有：行波法、规程法、Monte Carlo法、故障树法、EMTP/ ATP法等。行波法也可以称为贝杰龙法，用各个分布参数线路段来等效杆塔，用集中参数模型来模拟各线路段，得到绝缘子串两端的电压，将此电压曲线和伏秒特性进行比较判断。规程法是根据DL/T 620—1997中的公式，计算反击耐雷水平。 Monte Carlo法依据统计原理。故障树法根据线路发生故障这个结果命题，即雷击线路发生跳闸事故，列出一系列故障分支，这些故障分支代表着发生故障的原因和过程，根据故障分支，得到结果命题。EMTP-ATP法即借助于ATP软件，为了分析雷击跳闸，在软件中搭建输电系统模型，包括线路模型，杆塔模型，雷电流模型，绝缘子串模型等，根据线路实际情况设置模型参数，然后在杆塔上注入雷电流来模拟雷击情况。本文选择ATP法进行计算。

在计算输电线路耐雷水平和跳闸率的过程中，如何判断发生击穿闪络是至关重要的。经过对绝缘子串击穿的研究，将闪络判据根据分析方法的不同分为两类。规程法和相交法只关注发生击穿这个结论，通过比较电压值大小或者电压波形来判断。电压积分法和先导法分析击穿的产生原因和物理过程，更加具体详细，也更加复杂。本文采用相交法判断绝缘子串闪络。

相交法通过比较绝缘子串上过电压曲线与伏秒特性曲线是否相交来判断绝缘是否发生闪络。首先通过实验得到伏秒特性曲线，然后计算绝缘上过电压随时间的变化。

相交法首先要确定伏秒特性曲线。绝缘子伏秒特性通过电压升降法得到，改变电压作用时间，得到一系列击穿电压点，其中所施加电压都是由标准雷电波产生的，击穿电压值之所以受电压所用时间的影响是因为冲击电压较短时存在放电延迟现象。

相交法在输电线路防雷计算中应用最广泛，因为它概念清晰，过程明确，能够较准确的模拟实际情况，在工程设计中应用较方便。并且考虑了击穿电压的时间效应，更加合理。

2　不平衡绝缘的仿真计算

ATP法分析输电线路不平衡绝缘方式的防雷效果，即在ATP软件中搭建输电线路模型，通过设置双回线路不同的绝缘水平，得到不平衡绝缘线路的耐雷水平。本文以一个220kV的同塔双回线路为例进行分析。

2.1输电系统仿真模型

同塔双回输电线路雷电反击模型主要包括雷电流模型，杆塔模型，输电线路模型和绝缘子串闪络模型。

标准雷电冲击波其波头部分可用双指数函数表示：

实测结果表明：波头时间T1在1～4us范围内，平均在2.6us左右，波长时间在40us左右。

ATP中雷电流仿真模型如图1所示：

图1　雷电流模型

考虑到杆塔模型参数获取和复杂程度，本文采用单波阻抗模型，如图2所示。各部分的波阻抗取值100Ω，波速为0.7倍的光速。

图2　杆塔模型

在本文仿真中，使用J.Marti模型来模拟输电线路， J.Marti模型采用三条导线两条地线具有频率特性的架空线模型来模拟线路，直观地用参数表示架空线内径、外径、水平和垂直位置、相角等各种关系。该模型直接计算了导线与地线间的耦合系数，则在绝缘子闪络过程中，我们就无需考虑各导线之间的耦合电压问题，因此提高了计算精度。

本文模型中，两回线路绝缘子均使用型号为LXHP4-70的单联悬垂串，单片爬电比距为455cm。 220kV线路标准取15片，爬电比距为3.1cm/kV，每片长度为120mm。

通过TACS和DEV52#，64#，来模拟绝缘子串，如图3所示。

图3　绝缘子串闪络模型

根据上述各部分模型，得到220kV同塔双回输电线路的不平衡绝缘整体模型。

2.2不平衡绝缘的计算结果

根据搭建的模型，研究不平衡绝缘方式在220kV中的应用效果。杆塔冲击接地电阻设为欧姆10，导线相序为ABC-CAB排列，双回线路绝缘子分别为15和18片时，加载不同的雷电流大小，得到绝缘子串闪络如图4所示。线路单回和双回耐雷水平分别为106kA和160kA。

不平衡绝缘方式的单相到四相耐雷水平均比平衡低绝缘方式高，这是增加了绝缘子片数的缘故。一般而言，输电线路整体的绝缘子片数增加，线路耐雷水平提高；不平衡绝缘方式和平衡高绝缘方式相比，单相，三相，四相耐雷水平均降低，但两相耐雷水平却提高了。这是因为不平衡绝缘方式以牺牲一回线路闪络为代价，提高了另一回线路耐雷水平。不平衡绝缘方式两相闪络均发生在低绝缘侧，平衡绝缘方式两相闪络发生在双回线路中。

为更清楚直观的研究，图6比较了各绝缘方式下线路单回和双回耐雷水平。

图4　不平衡绝缘方式下绝缘子串闪络

图5　各绝缘方式下线路耐雷水平比较

平衡低绝缘方式下，由于其总的绝缘子片数最小，其耐雷水平均低于其他两种绝缘方式。平衡高绝缘，其总的绝缘子片数最多，所以其单回耐雷水平均高于其他两种绝缘方式。但双回耐雷水平低于不平衡绝缘方式。三种方式下，不平衡绝缘的双回耐雷水平最高，达到了160 kA，相比于平衡低绝缘提高了43kA，甚至超过了平衡高绝缘的双回同跳耐雷水平134 kA，效果显著，降低了线路造价和成本，更经济高效。

3　最优绝缘不平衡度的确定

在不平衡绝缘方式下，为了达到显著的双回线路防同跳效果，必须确定两回线路之间适宜的绝缘不平衡度。绝缘不平衡度太小不能有效避免双回线路同时跳闸；太大则塔头间隙过大，同时线路总的雷击跳闸率会增加。线路最佳绝缘不平衡度的确定与电压等级和线路具体情况有关， 220kV线路一般取15片。所以本文在研究绝缘不平衡度的过程中首先取低绝缘侧绝缘子片数为15片不变，高绝缘侧的绝缘子片数由15片上升到20片，线路耐雷水平如图6所示。

图6　不同绝缘不平衡度下耐雷水平

高绝缘侧绝缘子片数增加，绝缘不平衡度增加。单相耐雷水平基本上不改变，维持在106kA。因为单相闪络只发生在低绝缘侧的相中，只与低绝缘侧绝缘水平有关，高绝缘侧的绝缘水平变化对其不产生影响。

对于两相闪络而言，绝缘差距较小时，第二相闪络通常出现在高绝缘侧。因而随着绝缘不平衡度增加，其两相耐雷水平增加。但当其高绝缘侧绝缘子达到18片时，两相闪络的耐雷水平维持在 151kA左右，不再增加。此时线路两侧绝缘水平相差3片，绝缘不平衡度为20%。当绝缘水平差较大时，第二相闪络从高绝缘侧转移到低绝缘侧，导致高绝缘侧绝缘子片数不再影响两相闪络耐雷水平，一直保持在151kA。

三相和四相耐雷水平基本上随着高绝缘侧绝缘子片数的增加一直增加，因为三相和四相闪络发生在两回线路中，其耐雷水平与两回线路的绝缘强度都有关系，任意一回线路绝缘子片数增加都会导致耐雷水平的提高。

在地形平坦，雷暴日较少，土壤电阻率较低的地区，输电线路绝缘子串两端的过电压较小。因而绝缘子片数的选择有所不同，整体运行工况好的地区的线路绝缘子片数可以根据实际情况取较15片稍低。为了研究当低绝缘侧的绝缘子片数改变后，不平衡绝缘方式下绝缘不平衡度的选择是否变化。本文改变低绝缘侧的绝缘子片数，取12片，计算不同绝缘不平衡度下各相耐雷水平的变化情况，如图7所示。

图7　低绝缘侧12片下绝缘不平衡度的研究

改变低绝缘侧绝缘子片数后，单相至四相耐雷水平变化趋势是不变的。单相闪络只发生在一回线路中，所以其耐雷水平和高绝缘侧的绝缘子片数无关，一直保持82kA不变；两相耐雷水平，在两回线路绝缘子片数相差不大时随着绝缘不平衡度增加而升高，当高绝缘侧绝缘子片数达到14片后，其不再增加。因为此时两相闪络都发生在低绝缘侧，和高绝缘侧的绝缘水平无关，此时绝缘不平衡度为16.7%；三相和四相耐雷水平随着高绝缘侧绝缘子片数的增加一直升高，和低绝缘侧绝缘子片数为15片变化相同。所以，当输电线路低绝缘侧的绝缘子片数即线路整体绝缘强度变化时，绝缘不平衡度的选取稍有差别，但差别不大。

综上所述， 220kV同塔双回输电线路绝缘不平衡度的选择和线路雷击情况以及绝缘强度有关，一般取15%到25%，即双回线路两侧绝缘子相差2-3片。