500kV输电线路防雷优化配置建议

孙志鹏王　文钱少锋

（1. 国网杭州供电公司，杭州　310006；2. 国网浙江省电力公司，杭州　310004）



500kV输电线路防雷优化配置建议

孙志鹏1王文2钱少锋1

（1. 国网杭州供电公司，杭州310006；2. 国网浙江省电力公司，杭州310004）

通过仿真计算可以有效模拟输电线路上的雷电波性能，提出具有参考价值的防雷优化设计。本文针对浙江电网安和5828线500kV输电线路进行了防雷优化配置研究。首先基于PSCAD软件组建了此500kV输电线路雷击杆塔塔顶的仿真模型。进一步从经济性与防雷特性上展开避雷器、绝缘子、塔型的优化配置研究。最终针对安和5828典型线路提出具有工程实际意义的防雷优化配置建议。

输电线路；雷击；优化配置；仿真

随着电力事业的不断发展，雷击引起的输电线路跳闸故障日益增多，严重影响了日常的生产生活与电网的安全运行［1-2］。浙江地区雷雨天气较多，是雷害的重点防治区域。近些年来，电网投入了大量资金进行输电线路的防雷建设，但存在着保护高阈量，偏于保守，过于浪费等情况。通过仿真软件可以有效模拟输电线路上的雷电波性能，针对线路具体情况展开分析，提出有效且具有经济性的防雷建议［3-5］。

根据对以往架空线路的分析可知，大部分雷击故障主要由雷击塔顶引起［6］。随着电压等级的增长，杆塔高度的增加，雷击杆塔的概率也不断提高。国内外对仿真计算中杆塔模型进行了多方面的研究［7-10］，其中多波阻抗模型在高杆塔双回线路雷击仿真研究中得到了广泛的应用。

本文针对浙江电网典型 500kV输电线路 5828线基于 PSCAD软件建立了仿真分析模型，分别进行了避雷器、绝缘子、杆塔的优化配置研究，最终针对该典型输电线路提出了具有实际意义的优化建议。

1　仿真模型的建立

仿真模型的建立主要分为雷电流模型、杆塔模型、输电线路模型、绝缘子模型等。图1所示为雷击杆塔塔顶的500kV双回输电线路示意图，档距为400m。

图1　雷击塔顶示意图

1.1雷电流的仿真模型

根据多年研究可知，75%～90%的雷电流极性为负。因此本文根据电力标准采用2.6/50μs的负极性雷电流波形。计算公式如下式所示：

式中，I为雷电流；I0为雷电流幅值。仿真图如图2所示。

图2　雷电流仿真图

图2上部分为雷电流幅值控制模块，通过一个控制元件可以简便调节雷电流的幅值大小。下部分为雷电流仿真图。经计算得到的控制波形与受控源相配合组成“雷电发生器”，雷电通道波阻抗 Z=300Ω。雷电流波形如图3所示，延时0.1s。

图3　雷电流仿真波形

1.2杆塔模型

本文所研究的杆塔为500kV双回输电线路中的SZV1与SZV2两种，其中安和5828线114#与115#杆塔采用SZV1塔型，塔呼高42m，塔高57m。安和5828线110#与112#杆塔采用SZV2塔型，塔呼高51m，塔高66m。

仿真模型选用多波阻抗模型，相比较于集中电感模型与单一波阻抗模型可以更加真实的模拟杆塔的波过程。以SZV1为例仿真计算结果如图4所示，接地电阻选用15Ω。

图4　杆塔仿真

1.3输电线路模型

PSCAD中的Tline元件可以准确模拟雷击杆塔后输电线路的暂态特性。Tline元件包含3种基本模型：PI模型、Bergeron模型，Phase模型。本文为了更好的计算雷电参数的暂态特性，选择 Phase频率模型。为与SZV1与SZV2双回架空线路杆塔匹配，选择包含2根避雷线，6条导线的8线模型。线路档距为400m，仿真首末两端设置一条长10km的长线路模拟终端，消除折返射影响。其中选用的导线与避雷线的参数见表1。

表1　线路参数

1.4绝缘子与避雷器模型

输电线路正常输电时，绝缘子安装在杆塔与导线间起到保证两者间绝缘的作用。雷击杆塔导致塔顶电位瞬间升高，当加在绝缘子上的电压差高于其耐受电压时发生闪络，引发故障。绝缘子的耐受电压与绝缘子片数的关系见表2。

表2　绝缘子参数

工程上，一般以绝缘子50%闪络电压U50%为标准，当塔顶电位Ut与导线电位Uc间的压差大于U50%时，则判断绝缘子发生闪络。在 PSCAD中用一常断开关进行模拟，当|Ut−Uc|＞U50%时，开关导通，绝缘子闪络。判断仿真如图5所示。

图5　绝缘子仿真图

避雷器可以在雷击发生时对绝缘子进行保护，本文采用PSCAD中的氧化锌避雷器元件进行仿真，工作电压为444kV，其伏安特性见表3。

表3　避雷器参数

如图6所示，本文建立了浙江电网500kV安和5828线输电线路的仿真模型，设杆塔由上到下分别为A、B、C三相，雷击于杆塔塔顶，雷击时刻为仿真开始后的0.1s。

图6　雷击塔顶输电线路仿真图

2　仿真结果分析及防雷优化配置建议

日本经过研究分析认为雷电流最大值不超过150kA，我国认为雷电流超过 200kA的概率极低，因此在本文分析中认为只要输电线路可以耐受幅值为150～200kA雷电流便满足绝缘要求［11］。

接地电阻设为15Ω，档距设为400m，杆塔不特别说明下默认为SZV1型，绝缘子片数为26片，杆塔由上到下依次为A、B、C三相。波形图中蓝色为A相电压，绿色为B相电压，红色为C相电压。下图7为绝缘子两端的三相电压波形。

如图7（a）所示，不安装避雷器，当雷电流为−35kA时，绝缘子未发生闪络，如图7（b）所示，逐级增大雷电流至−39kA时，绝缘子发生闪络，闪络瞬间对应相的绝缘子两端电压降为零。

图7　雷击三相电压波形

2.1避雷器的优化配置

从图7可以看出，雷电流增大至−39kA时，A相首先发生闪络故障。因此，首先只对 A相安装444kV避雷器。此时当雷电流增大至−83kA时，B相首先发生闪络。

分别进一步对B相与C相单独装设避雷器进行分析，可以得到，当B相与C相单独装设避雷器时，A相电压依然很高，绝缘子会首先发生闪络。当 B相单独装设避雷器时，A相的闪络雷电流为−49kA，C相单独装设避雷器时，A相的闪络雷电流为−43kA。

分析得出，当杆塔塔顶发生雷击时，A相绝缘子电压高于B相高于C相。单独对A相安装避雷器，可以抑制A，B，C三相的电压，但单独对B相与C相装设避雷器只会较小程度的提高A相耐压。其中B相避雷器抑制作用要大于C相。

因此，为了降低成本，采用尽量少的避雷器，A相首先确定要安装避雷器。由于单相装设避雷器无法满足防雷绝缘要求，进一步对两相安装避雷器。A相在最上，距离雷击点最近，其电压要高于B、C两相。因此对AB两相安装避雷器与AC两相安装避雷器进行研究，当AB相安装避雷器时，绝缘子闪络雷电流为−193kA，当AC两相安装避雷器时，绝缘子闪络雷电流为−96kA。更进一步对ABC三相均安装避雷器，可以得到绝缘子闪络雷电流为−201kA。总结见表4。

表4　避雷器安装位置与闪络雷电流关系

2.2绝缘子的优化配置

绝缘子的闪络电压与片数成正比，此时将全部绝缘子增加至30片，只在A相单独装设避雷器时，当雷电流增大至−94kA时，B相首先发生闪络，防雷效果提升了15.66%。当只在AB两相装设避雷器时，当雷电流增大至−220kA时，绝缘子发生闪络，防雷效果提升了14%。总结见表5。

表5　绝缘子片数与耐雷水平关系

由此可以发现当增加绝缘子片数时，防雷效果会得到较明显的提升。

绝缘子不平衡绝缘有两种方式，一种为同相两回线路采用的绝缘子片数不同，使一回线路的绝缘水平高于另一回。当发生雷击事故时，保证一回线路不发生闪络，降低事造成的损害。另一种为ABC三相采用的绝缘子片数不同，按照各相承受雷电压大小的不同装设不同片数绝缘子，可以降低成本，节省资金。

本文只研究ABC三相间的不平衡绝缘。实验条件为在AB两相安装避雷器，仿真计算各种不平衡绝缘条件下的闪络雷电流。不平衡绝缘所采用的绝缘子分别为26片与30片。具体结果见表6。

表6　不平衡绝缘与耐雷水平关系

从表6中可以看到，当只在单相采用30片绝缘子时，BC相提升效果不如A相。当在AB相或AC相两相采用30片绝缘子时，耐雷效果相当于三相均采用30片绝缘子。

2.3塔型的优化配置

杆塔类型的不同会对雷电过电压产生一定的影响。选用安和5828线114#的SZV1杆塔与110# 的SZV2杆塔，在 AB两相安装避雷器，绝缘子采用26片。仿真计算不同雷电流幅值下两种塔形的雷电过电压。结果见表7及如图8所示。

表7　杆塔类型与雷电过电压关系

由此可知，在相同雷电流下，SZV2要比SZV1承受更高的雷电过电压。此外，经仿真分析，SZV2塔在此条件下的闪络雷电流为−181kA，相比较于SZV1塔形的−193kA，明显降低。

图8　杆塔类型与雷电过电压关系

3　结论

本文针对浙江电网安和5828线500kV输电线路进行了基于 PSCAD的仿真研究。组建了雷击塔顶的仿真模型。通过对避雷器、绝缘子、杆塔的优化配置研究，提出如下建议。

1）在AB相安装避雷器基本可以满足防雷保护要求。ABC三相均安装避雷器防雷效果提升并不明显，造成一定的浪费。建议只在AB两相安装避雷器。

2）增加绝缘子片数可以明显提升防雷性能。从经济性角度出发，采用不平衡绝缘方式可以降低投入，节约成本。建议只在AB或AC两相采用较高串数绝缘子，另一相绝缘子片数可适当降低。

3）针对安和5828线114#的SZV1杆塔与110# 的 SZV2杆塔进行相同条件下的仿真研究，发现SZV2塔型所受雷电过电压更高。不考虑其他情况下，优先选用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

孙志鹏（1978-），男，浙江杭州人，大学本科，工程师，主要从事电力系统设备管理工作。