500 kV线路避雷器保护失效分析及改进措施研究

刘守豹，侯玉成，盛明珺，方 圆，童 理，韦昌伟

(大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引 言

雷击是输电线路跳闸的主要原因[1-4]，线路避雷器是进行架空输电线路防雷治理的重要设备，由于其工作原理清楚、防雷效果可查、运行维护简单、可靠性较高，在线路防雷工作中被广泛采用[5-8]。

当雷击输电线路时，被保护绝缘子串和线路避雷器同时承受过电压，理想情况下二者承受电压相同，但线路避雷器动作电压低于绝缘子串击穿电压，因此线路避雷器起到保护绝缘子串的作用[9-10]。但实际运行中，由于避雷器安装方式不同，会出现雷击下线路避雷器未动作而绝缘子串闪络的故障。500 kV线路避雷器由于长度较大，安装方式与低电压等级线路避雷器不同，存在安装不当导致保护失效的问题。

下面针对某已安装线路避雷器的500 kV杆塔发生的雷击跳闸故障，采用ATP-EMTP建立电磁暂态仿真分析模型，对雷电反击情况下杆塔电位分布情况进行计算，得出导致绝缘子闪络而避雷器未动作的原因，提出避免500 kV避雷器保护失效的改进措施。

1 线路跳闸情况

某500 kV线路在雷雨天气中发生跳闸，重合闸成功，两侧行波测距均显示故障点位于该线路52号杆塔处，跳闸相位为A相(右相)，如图1所示。通过查询雷电定位系统显示故障时刻该杆塔附近出现幅值为176 kA的雷电流，杆塔接地电阻为12 Ω，因此确认此次跳闸为大幅值雷电流反击导致。

图1 故障杆塔全貌

从图1可知，故障杆塔左右两相均安装有线路避雷器，由此可知线路避雷器在此次雷击故障中并没有发挥其防雷功效，出现了线路避雷器对线路雷击防护失效的问题。

为了对此次500 kV线路避雷器保护失效进行研究，将各电压等级线路避雷器安装方式进行展示，见图2。

从图2可知，在电压等级较低时，线路避雷器一般采用与绝缘子串并联安装的方式，见图2(a)—图2(b)，即避雷器的零电位点与绝缘子串的零电位点处于同一水平位置。随着电压等级升高，线路避雷器长度增加，安装方式也随之变化，避雷器的零电位点转移至绝缘子串零电位点的下方，见图2(c)—图2(f)。

图2 不同电压等级线路避雷器安装方式

对于工频电压而言，导体上传播路径十几米甚至几十米的差异不会造成明显的电压差异，而雷电行波的波头时间是微秒级，零电位点较小的空间差异将造成巨大的电位差异。因此，对于500 kV及以上电压等级线路避雷器，均存在因安装原因导致的避雷器保护失效问题。

2 仿真模型介绍

以500 kV某线路52号杆塔为分析对象，在ATP-EMTP中建立对应的杆塔多段波阻抗模型[11]，如图3所示。为方便观测雷电波传播过程中在杆塔内各部位的电压波形，从上至下设置6个电压观测点，将杆塔塔身进一步细分为长度相同的三段，其中将避雷器零电位点设置于观测点4。

图3 杆塔及其波阻抗模型

典型的500 kV线路避雷器安装方式(也是52号杆塔线路避雷器安装方式)如图4所示，线路避雷器类型为YH20CX1-396/1050，其中避雷器的接地点为计数器安装点。

图4 典型500 kV线路避雷器安装方式

建立仿真模型如图5所示，其中雷电流由双指数波模拟，波形为1.2/50 μs，绝缘子串干弧距离为4.3 m，线路避雷器复合支撑件干弧距离为1.5 m，对应的伏秒特性曲线根据参考文献[12-13]中的公式进行模拟，其中避雷器伏秒特性曲线为复合支撑件干弧距离伏秒特性曲线与线路避雷器直流1 mA参考电压(561 kV)相加[14-15]，线路避雷器和绝缘子串的伏秒特性曲线如图6所示。

图5 避雷器安装方式有效性验证模型

图6 绝缘子串及线路避雷器伏秒特性曲线

根据参考文献[16-17]避雷器要有效保护绝缘子串，其冲击放电电压必须低于绝缘子冲击放电电压的85%。由图7所示线路避雷器与绝缘子串的伏秒特性曲线之比，可知在冲击电压作用下，线路避雷动作电压最大也只有绝缘子串的65%，且当波头越陡时该型号的500 kV线路避雷器对绝缘子串的保护性能越好，即雷电波达到最大值的上升时间越短则一定是避雷器-复合支撑件先击穿(避雷器动作)。

图7 线路避雷器伏秒特性曲线与绝缘子串伏秒特性曲线之比

3 避雷器防护有效性分析

在10 kA雷电流绕击杆塔A相导线时，绝缘子串和线路避雷器两端的电压波形如图8所示。

从图8可知，绕击情况下线路避雷器和绝缘子串承受的电压波形几乎没有差别，由于线路避雷器动作电压低于绝缘子串冲击放电电压，所以线路避雷器将能够有效防止绝缘子串绕击闪络。

图8 绕击情况下线路避雷器和绝缘子串承受的电压波形

采用100 kA雷电波反击塔头(观测点1)，得到各个观测点电压波形如图9所示。

从图9可知：1)过电压达到峰值的时间为0.3 μs，而雷电流达到峰值的时间为1.2 μs，雷电波从杆塔塔顶入地的传播时间为0.14 μs，因此在接地电阻较小的情况下雷电反击导致的过电压最大幅值不是出现在雷电流的峰值；2)观测点过电压起始值从上至下依次过零，是雷电波在杆塔内部传播的体现；3)各观测点电位从上至下依次递减，反映了地电位对杆塔电位的钳制作用。

图9 反击雷电作用下各观测点电压波形

在典型的500 kV线路避雷器安装方式下，绝缘子串两端电压实际上是导线和观测点2之间的电位差，线路避雷器两端电压实际上是导线和观测点4之间的电位差，波形如图10所示。其中线路避雷器和绝缘子串承受过电压峰值的比值为0.54，即线路避雷器承受的最大电压只有绝缘子串承受最大电压的54%。对应图10中峰值出现时刻，线路避雷器雷击放电电压约为绝缘子串雷击放电电压的55%(见图7)。因此，线路如果采用典型安装方式，反击雷电流作用下线路避雷器动作概率和绝缘子串击穿概率大致相同，线路避雷器将不能有效保护绝缘子串。

图10 反击情况下线路避雷器和绝缘子串承受的电压波形

4 改进的500 kV线路避雷器安装方式

从第3章的分析可知，导致线路避雷器在雷电反击情况下保护失效的原因是避雷器参考电位点(计数器安装位置)与绝缘子串参考电位点(杆塔横担)不同，为了保证反击情况下线路避雷器对绝缘子串保护的有效性，提出了改进的避雷器安装方式，如图11所示。

图11 改进的500 kV线路避雷器安装方案

图11中计数器至避雷器的铜绞线长度为16 m，100 kA雷电流反击情况下线路避雷器和绝缘子串两端电压波形如图12所示，从图中可知改进安装方式后反击条件下线路避雷器两端承受电压将与绝缘子两端电压基本相等，在大幅值雷电流反击时线路避雷器一定能有效保护绝缘子串。

图12 改进安装方式后反击情况下线路避雷器和绝缘子串两端电压波形

5 结 论

1)对于500 kV及以上电压等级线路避雷器，由于其长度较大，避雷器零电位点位于绝缘子串零电位点下方，容易造成大幅值雷电流反击下的绝缘子串承受电压低于线路避雷器承受电压，出现避雷器保护失效问题。

2)对于已经安装的线路避雷器，可以采用将钢丝拉绳更换为绝缘子，将零电位点上移至与被保护绝缘子串悬挂点同等水平高度的位置，使得反击雷电流作用下线路避雷器承受电压与绝缘子串基本相同。

3)所提方案是对500 kV线路避雷器防雷保护有效性的研究，对更高电压等级线路避雷器，由于其安装方式与500 kV线路避雷器类似，也可以采用与所提方案类似的方式对其进行改造。