基于ATP-EMTP线路避雷器安装位置的仿真分析

2017-04-03郝捷郑惠萍陈萧霖张颖武娜

电气自动化 2017年6期

郝捷, 郑惠萍, 陈萧霖, 张颖, 武娜

(1.国网山西省电力公司电力科学研究院,山西太原　030001； 2.国网江苏省电力公司检修分公司,江苏南京　210000)

0　引　言

在架空线路中的易击杆塔上安装线路避雷器能有效提高线路的耐雷水平，但是否有必要在易击杆塔附近的杆塔上都安装线路避雷器却鲜有文献介绍，本文通过仿真分析，对某实际运行的35kV线路仿真研究，探讨易击杆塔线路避雷器的安装位置对其防雷效果的影响[1]。

1　易击杆塔线路避雷器安装位置的研究

1.1　避雷器安装位置对耐雷水平仿真研究

本文采用ATP-EMTP软件进行仿真计算，以某实际35 kV线路建立了其线路的防雷仿真系统，部分仿真模型如图1所示[2-3]。线路全线架设单避雷线，接地电阻和绝缘水平基本一致，其中接地电阻取10 Ω，绝缘水平采取4片XP-70瓷绝缘子配置，线路三相均未加设避雷器。在所建模型中，杆塔之间的档距也均为统一值，为统一标准，本文所研究的上字型杆塔，均设B相与C相位于杆塔同侧，其中C相位于B相上方，而A相位于另外一侧。实际运行经验表明，4#杆塔为线路易遭受雷击的杆塔。首先通过试探法即逐次改变击中未安装避雷器时的各基杆塔计算每基杆塔所对应的耐雷水平，如表1所示。通过在4#杆塔安装单相、两相以及三相避雷器，可仿真计算每一基杆塔在避雷器不同安装方式下的耐雷水平，仿真结果如表2所示。

图1　线路避雷器仿真分析研究模型截图

被击杆塔号2#3#4#5#6#被击杆塔的耐雷水平/kA3131313131

通过表(1)、(2)我们可以发现，易击杆4#杆塔装设不同方式的线路避雷器后，雷击时由于避雷器的分流作用，雷电流通过避雷器进入导线，降低了4#杆塔塔顶电位，减小绝缘子两端所承受的电压，从而使其耐雷水平得到了较大的提高。而4#附近并未装设线路避雷器的杆塔在遭受雷击时，其耐雷水平没有明显变化，依然保持31 kA。在4#杆塔AC相与三相同时安装避雷器时，其耐雷水平提升幅度最大，考虑到线路避雷器的造价较高，本文采用两边(AC)相安装线路避雷器进行仿真[4]。在所选定的4#杆塔相邻杆塔任选一基配合4#杆塔进行安装线路避雷器，此时当各基杆塔分别遭受雷击时，其对应的耐雷水平如表3所示。

表2　4#杆塔A、C两相装设线路避雷器时的耐雷水平

表3　不同杆塔A、C两相装设线路避雷器时的耐雷水平

由表3可知，当3#、4#或4#、5#杆塔A、C两相安装线路避雷器时，由于避雷器的分流作用，安装有线路避雷器的杆塔，其耐雷水平均有所提高，而未安装避雷器的杆塔，其仿真结果依然不变。在4#杆塔已安装线路避雷器的前提下，对3#和5#杆塔中任选一基杆塔加装线路避雷器，均不会对4#杆塔耐雷水平的仿真结果造成影响。这是因为4#杆塔的耐雷水平并非由其自身的绝缘子的闪络情况所决定，雷电流击于4#杆塔时，即使其自身的绝缘子并未闪络，而附近的3#、5#杆塔绝缘子发生闪络，则同样认为4#杆塔不足以承受如此幅值的雷电流。在3#或5#杆塔安装避雷器时，避雷器仅能有效降低自身杆塔绝缘子两端的电压差，对于4#杆塔的另一侧相邻杆塔则不具有保护作用。

当线路中3#、4#和5#杆塔连续安装线路避雷器时，其耐雷水平均有所提高，而未安装避雷器的2#和6#杆塔，其仿真结果依然不变。连续安装避雷器时，易击杆塔4#的耐雷水平提升幅度比两基杆塔安装时要大。造成这种结果的原因是，由于3#和5#杆塔均加装线路避雷器，雷击4#杆塔时，雷电流经4#杆塔的避雷器分流至导线中，沿导线向两端传播，流经3#和5#杆塔时，由于避雷器的分流作用，导线中的雷电流通过3#和5#杆塔上的避雷器分流，随杆塔自身接地装置入地。同时，雷电流通过避雷线传递至相邻杆塔，通过其接地装置泄流入地。这样就大大增加了杆塔的分流能力，减小雷电流对线路的危害。

同样，当线路中2#、4#和6#杆塔间断安装线路避雷器时，安装避雷器的杆塔其耐雷水平均有所提高，而未安装避雷器的3#和5#杆塔，其仿真结果依然不变。而线路当间断安装线路避雷器时，易击杆塔4#的耐雷水平提升幅度并未比两基杆塔安装时要大，依然保持45 kA。

在2#～6#连续五基杆塔安装线路避雷器时，每基杆塔的耐雷水平均有所提高，这是最安全的情况。而其中3#、4#和5#杆塔的耐雷水平均被提升至60 kA。通过对比可知，2#和6#杆塔安装避雷器对4#杆塔的耐雷水平的提升没有影响，而当3#和5#杆塔安装避雷器时，在2#和6#杆塔加装避雷器可以有效提高3#和5#杆塔的耐雷水平。

从上述仿真分析中可以发现，对于35 kV架空线路易击杆塔，安装线路避雷器仅能提高安装杆塔的耐雷水平，若相邻未安装杆塔遭受雷击，线路同样发生接地故障。另一方面，连续安装线路避雷器对于提高易击杆塔的耐雷水平要比间断安装时效果好。而过多的加装避雷器并不能更高幅度的提升易击杆塔的耐雷水平。因此，考虑到经济性因素，在实际应用中，应选择易击杆塔及相邻共三基杆塔连续安装的方式进行加装避雷器。

1.2　线路避雷器对相邻杆塔的保护

安装线路避雷器后对相邻塔的耐雷水平是否有影响，本文以6#塔为例，6#到7#塔档距为311 m，绝缘配置为4片XP-70型瓷绝缘子。利用ATP软件仿真出的6#杆塔的耐雷水平为31 kA。7#塔加装避雷器前后，当雷电流幅值为31 kA的雷电流击于6#杆塔时，6#塔三相绝缘子两端电压波形对比图如图2所示。

图2　加装避雷器前后相邻杆塔绝缘子两端电压波形对比图

由图2可知，无论A、B、C三相，在7#塔加装线路避雷器前后，6#塔每相绝缘子串两端电压波形几近重合，尤其在第一次峰值时数值一致，且相邻杆塔避雷器未动作。而且通过加装避雷器前后仿真发现，在误差1 kA范围内，加装避雷器前后6#杆塔的耐雷水平均为31 kA。这说明相邻杆塔安装线路避雷器后，不会对本基杆塔的耐雷水平带来太大的变化。

事实上，如果设雷电流为一斜角波u，陡度为a，该斜角波u传输到7#塔时，若峰值仍可达到避雷器的动作值，即避雷器发生动作，9#塔绝缘子串的电压为避雷器残压U，此时，在避雷器安装处就产生一负电压波-at向两侧传播，电压波传到6#塔时，6#塔上的电压为U，且:

U=Uc+2aL/V

(1)

式中：V为雷电流传播速度。

当U>U50%时，绝缘子闪络。因此要求：

(2)

即避雷器根据绝缘子片数及避雷器参数的不同有一定的保护范围，而且该保护范围相对于两基杆塔间的档距来说要小很多，所以相邻杆塔一般不在避雷器保护范围内[5-6]。

1.3　避雷器安装位置对雷电冲击过电压仿真研究

为对比分析不同安装位置的线路避雷器对线路中雷电冲击过电压幅值的影响，本文选取峰值为30 kA的同一雷电流击于4#杆塔，通过ATP-EMTP软件仿真分析线路发生雷击时雷电流对导线中雷电冲击过电压的影响。

同样，对4#杆塔、4#和5#杆塔、4#和6#杆塔以及4#、5#和6#杆塔A、C相安装线路避雷器时，导线中因雷击而产生的导线传输过电压进行仿真研究。

(1)A相导线传输过电压

分别对4#杆塔、4#和5#杆塔、4#和6#杆塔以及4#、5#和6#杆塔A、C相安装避雷器，雷击4#杆塔时各基杆塔A相导线传输过电压的波形如图3所示。

图3　避雷器不同安装位置时A相导线过电压波形图

图3中图(a)、(b)、(c)、(d)分别表示4#杆塔、4#和5#杆塔、4#和6#杆塔以及4#、5#和6#杆塔A、C相安装线路避雷器的情况下，雷击4#杆塔时各基杆塔A相导线传输过电压的波形。图3(a)中，4#杆塔安装线路避雷器，雷电流经避雷器流入A相导线，在导线中产生幅值高达300 kV的过电压。雷电流沿A相导线向两侧传播并不断衰减，由于线路模型中各杆塔接地电阻、绝缘水平和杆塔之间的档距均设为一致，因此，关于4#杆塔对称的3#、5#杆塔和2#、6#杆塔以及1#、7#杆塔的传输过电压波形发生重合。由图可知，除受雷击杆塔外，其余杆塔传输过电压衰减幅度均较小。图3(b)中，由于5#杆塔安装有线路避雷器，雷电流经导线传输至5#杆塔时，导线中的雷电流经避雷器进入5#杆塔，通过其自身接地装置泄入大地，因此其相应的5#、6#及7#杆塔处A相导线传输过电压明显减小，而另一侧的1#、2#、3#杆塔导线传输过电压保持不变。图3(c)中，4#和6#杆塔安装避雷器，雷击4#杆塔时，5#杆塔处A相导线传输过电压波形与3#杆塔处A相导线传输过电压波形相重合，而6#杆塔由于安装避雷器，其传输过电压明显降低，相应的7#杆塔也随之降低。图3(d)中，4#、5#和6#杆塔连续安装线路避雷器时，5#、6#和7#杆塔处A相传输过电压明显降低，而1#、2#和3#杆塔处A相传输过电压仍保持原值。

对比图3(b)和图3(d)可以发现，5#杆塔处A相传输过电压并未发生变化，而当6#杆塔安装避雷器时，图3(d)中6#、7#杆塔处A相传输过电压明显低于图3(b)。

(2)C相导线传输过电压

分别对4#杆塔、4#和5#杆塔、4#和6#杆塔以及4#、5#和6#杆塔A、C相安装线路避雷器，雷击4#杆塔时各基杆塔C相导线传输过电压的波形如图4所示。

图5中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示4#杆塔、4#和5#杆塔、4#和6#杆塔以及4#、5#和6#杆塔A、C相安装线路避雷器的情况下，雷击4#杆塔时各基杆塔C相导线传输过电压的波形。其仿真结果与A相导线中传输过电压几乎相同。