单相安装并联间隙在10 kV多回架空线路中的应用方法

2023-10-30胡嘉宴王延夫

电瓷避雷器 2023年5期

胡嘉宴,杨鑫,汤昕,王延夫

(1．长沙理工大学电气与信息工程学院, 长沙 410114;2.长沙电力职业技术学院,长沙 410131;3. 国网湘潭供电公司,湖南湘潭 411100)

0 引言

我国的电力系统中,10 kV架空配电线路绝缘等级低、分布范围广、雷击跳闸率高,全面提高10 kV架空配电线路的耐雷水平是提高电力系统稳定性的关键[1-4]。

在10 kV架空线路中,主要雷击形式是感应雷过电压,但在特殊地段也会发生雷击杆塔横担和雷电直击线路这两种情况[5-9]。目前,在10 kV架空线路典设中,杆塔一般不做接地处理,且没有架空地线对线路进行保护,虽然在在配电变压器、负荷开关等设备处加装高低压侧避雷器等加强防雷措施,但在特殊地形下的配电线路雷害多发地段,仍会出现绝缘子闪络的情况。对10 kV架空线路一般采取增更换绝缘子型号以及加装MOA等措施以提高配电线路的耐雷水平[10-14]。然而上述方法均存在一定的局限性,如存在增加工程投入资金、增加后期运行维护工作量等问题。

在10 kV架空配电网中安装并联间隙是一种经济有效的防雷保护措施,具有结构简单、维护方便等特点[15-17]。并联间隙放电电压低于绝缘子的闪络电压,故在雷电过电压的作用下,间隙先于绝缘子放电,引导雷电流流入大地,从而保护绝缘子不被击穿,是一种效果投入比极高的疏导式防雷保护措施[18-20]。

目前针对并联间隙在10 kV架空配电线路中的研究集中在并联间隙的结构设计方法、间隙距离确定及保护范围方面[21-23]。然而,大都采用在同一基杆塔上同一回线路的三相同时加装并联间隙。由于并联间隙与绝缘子间存在伏秒特性配合,并联间隙的放电电压低于绝缘子,并联间隙先于绝缘子放电,导致配电线路的耐雷水平降低,严重制约了并联间隙在10 kV架空配电线路中的应用实施。

针对同时三相安装并联间隙存在的问题,文献[24-25]提出了10 kV架空线路中并联间隙的单相同线安装方式。该方式利用10 kV架空配电线路只有发生两相及三相短路才会立即跳闸的保护机制,一相间隙放电,该相导线电位变为地电位,由于相间的耦合效果,其余两相过电压也会下降,从而降低了相间过电压的幅值,使10 kV架空配电线路耐雷水平得到了一定程度的提升。

根据前期研究结果[24-25],并联间隙的单相同线安装方式使单回10 kV架空线路在遭受感应雷、雷击杆塔横担2种过电压下,相比于不加装并联间隙,耐雷水平均有较大提升。以10 kV架空裸导线路的典型配置为例,分别可最大提高84.3%、107.1%。

但上述研究中仅研究单相安装并联间隙在单回10 kV架空配电线路中的应用方法,针对并联间隙在多回线路中的应用方法未涉及。由于单回线路中各相距离较近,一相间隙放电后对其余两相耦合作用较强。而对于10 kV同塔多回线路,线路间的耦合方式更加复杂。针对10 kV同塔多回线路,并联间隙的安装部位、安装数量及间隙放电电压的设置方式多样,组合方式较多,单相安装的并联间隙在同塔多回线路上应用的难度远大于单回线路。

针对上述问题,笔者基于ATP-EMTP软件,建立了双回10 kV架空配电线路雷电过电压模型,研究多回线路并联间隙安装的优化方法。以双回线路为实例,计算得到单相安装并联间隙在架空线路中的应用方法。

1 10 kV架空线路雷电过电压仿真模型

1.1 配电线路模型

考虑到线路参数受高频雷电流影响的电磁暂态过程,10 kV架空配电线路选择体现频率特性的JMarti模型。线路具体参数及架设位置见表1,架空线路全长10.72 km。

表1 线路参数

1.2 杆塔及接地电阻模型

对于小于30 m高度的杆塔,在防雷仿真计算过程中可不考虑其内部的波过程[26],同样可取得良好的计算精度。根据《国网典设》[27],仿真中选择的10 kV架空线路为双回直线形排列方式,从高到低的相序依次为B、A、C相,见图1。由于忽略了杆塔的波过程,杆塔建模采用了集中电感模型,杆塔等值电感取0.84 μH/m。接地电阻用工频线性电阻模拟。

图1 双回杆塔结构图

1.3 绝缘子与并联间隙模型

进行粗略计算时,可用压控开关表示绝缘子及并联间隙的闪络特性,但在高频雷电波的作用下,波的陡度明显影响闪络电压,使用伏秒特性可以更为准确地计算闪络电压,绝缘子及并联间隙的伏秒特性表达式为

(1)

式(1)中:Ub为闪络电压,V;U∞为波头时间足够长时的闪络电压,V;U0为波头时间很短时的闪络电压,V;τ为将伏秒特性拟合为曲线时的时间常数,s;

在ATP中采用MODELS模块和TACS开关来控制绝缘子及并联间隙的闪络,采集绝缘子两端的电压波形。p-15绝缘子两端的过电压波形与p-15绝缘子伏秒特性曲线相交时代表闪络。见图2,上述两条曲线在t时刻相交,即绝缘子在t时刻发生了闪络。

图2 相交法原理图

1.4 直击雷与感应雷模型

直击雷电流模型选用IEC1312-1中提出Heilder模型,其波形与实际雷电流波形更相符,波头时间取2.6 μs,波尾时间取50 μs,通道波阻抗取300 Ω。

感应雷模型采用ATP中MODELS感应雷计算模块搭建而成[28],急剧变化的雷电电磁场是产生线路过电压的根本原因,在10 kV架空线路上产生的过电压为入射电压与散射电压之和,采用Agrawal模型表征磁场与10 kV架空配电线路之间的耦合[8]。图3是10 kV架空配电线路感应雷模块,下端4个电源即观测点处感应雷过电压。

图3 MODELS感应雷计算模块

我国防雷规程建议,当雷电流幅值I≤100 kA,线路与雷击点之间的垂直距离S≥65 m时,按式(2)计算导线上产生的感应雷过电压大小。

(2)

式(2)中,I为雷电流幅值;hc为线路的平均高度,15.2 m。

为验证感应雷模块的正确性,设定雷电流幅值I=23 kA,导线平均高度hc=15.2 m,雷击点与线路的距离S=65 m。通过上述感应雷模型计算得到,绝缘子两端的过电压波形见图4,幅值为135.6 kV。与规程法相比仅偏差0.8%,影响很小,故在此基础上进行下文的感应雷仿真计算。

图4 感应雷作用下绝缘子电压波形

1.5 整体仿真模型及耐雷水平的仿真确定方法

图5为利用ATP-EMTP搭建的多回10 kV架空配电线路雷电过电压的完整模型。在该模型中可方便计算不同配置方式的单相安装并联间隙下各回线路的耐雷水平。

图5 完整仿真模型示意图

衡量线路耐雷水平不应仅针对局部线路杆塔,而是将整条线路作为整体。因为10 kV架空配电线路的中性点采用的是不直接接地方式,只有发生两相及三相短路时,继电保护才会立即动作导致线路跳闸。仿真初始首先设置较小的雷电流,随后逐渐升高雷电流大小,当线路中任一基杆塔出现两相或三相同时闪络,该情况下的雷电流大小作为线路的耐雷水平。

为验证仿真方法的可靠性,利用上文所述搭建的仿真平台,测试单回10 kV架空配电线路在3种雷击形式下的耐雷水平。雷击杆塔和雷击导线的耐雷水平分别为4.7 kA和1.1 kA;当雷击点位于距离线路100 m处时,感应雷耐雷水平为37.2 kA,均在一般实测值范围内,在此基础上进行下文的过电压仿真计算。

2 并联间隙单相安装方式对10 kV多回架空线路耐雷水平的影响

对于10 kV同塔多回线路,线路间的耦合方式更加复杂,同一基塔的多回线路上,并联间隙的安装部位、安装数量及间隙放电电压的设置方式多样,组合方式较多。因此需要对10 kV多回架空线路防雷效果进行系统的研究,采用相关的优化配置方法,制订切实可行的防雷方案,将并联间隙推广用于多回10 kV架空配电线路。

2.1 多回线路并联间隙的配置方法

2.1.1 影响多回线路上单相并联间隙防雷效果的因素

1)并联间隙的安装数量

假设同基杆塔共有N回线路,单相安装的并联间隙安装数量的范围为[1,N]。并联间隙安装数量也是影响并联间隙防雷效果的因素之一,因此计算过程中设计了仅在某几回线路安装单相并联间隙,以及在每回线路均安装单相并联间隙。

2)并联间隙的放电电压

并联间隙的放电电压可在一定范围内变动,放电电压范围记为[U1,U2]。并联间隙的雷电冲击50%放电电压低于绝缘子雷电冲击U50%的0.835倍[30],可得并联间隙的上限放电电压值U2;保证并联间隙在系统最大操作过电压下不击穿[30],可得并联间隙的下限放电电压值U1。该区间内可保证在雷电过电压下并联间隙先于绝缘子放电,而又在工频过电压下并联间隙不击穿。根据试验并通过拟合,可得并联间隙放电电压和间隙距离的关系曲线[24],进而得到放电电压值对应的间隙距离。

前期研究结果表明,由于感应雷、直击雷耐雷水平总体上均随着并联间隙放电电压的减小而增大[24-25]。故对于10 kV多回线路中并联间隙放电电压的设置,在单只并联间隙安装方式中,将间隙最小放电电压U1。在多只并联间隙安装方式中,为构建回路间差异绝缘,增强线路间的耦合效果,将间隙间隙分别固定在最小放电电压U1和最大放电电压U2,仅改变并联间隙的安装位置。

本研究计算以P15针式绝缘子为应用实例,间隙99.9%放电概率的雷电冲击放电电压范围为47.04 kV～116.07 kV[24]。

3)并联间隙的安装相和安装回路

10 kV同塔多回架空线路的单回线路多以垂直方式排列。当并联间隙安装在最高相时,由于间隙最先放电,可更早的对其余线路上的过电压产生耦合效果,限制过电压的发展;但对最下层导线距离大,耦合能力较弱。当并联间隙安装在中间相时,对其余各相导线距离相对较近,耦合能力较强。因而,为比较两种并联间隙安装位置的防雷效果,设计了最高相安装和中间相安装两种方式。

2.1.2 单相安装并联间隙在多回线路上的安装方式

(3)

对于同塔N回线路,在第k种安装方式下,第i回线路的耐雷水平可用Iki表示,所有安装方式下的耐雷水平可用式(4)表示。

(4)

式(4)中的横向量即为第k种安装方式下,每回线路的耐雷水平。

在配电线路的3种雷击形式下,单相安装并联间隙在多回10 kV架空线路中的最优安装方式,本研究设计的多回线路耐雷水平的计算流程见图6。

图6 多回线路耐雷水平的计算流程

依据差异化防雷的理念,可在不同地形地貌下的架空线路,根据线路不同负荷重要性权重,选择不同的并联间隙安装方式。

2.2 10 kV双回线路并联间隙配置方式的计算实例

以双回10 kV架空线路为例,下文在第2节搭建的仿真平台基础上,研究单相安装并联间隙在双回10 kV架空线路中的最优安装方式。

针对10 kV同塔双回架空线路,由式(3)可得,共有12种并联间隙的安装方式。由于感应雷、直击雷耐雷水平总体上均随着并联间隙放电电压的减小而增大,不考虑单独安装放电电压为116.07 kV的间隙。因此典型安装方式共有图7、图8所示的6种安装方式。和代表安装了并联间隙的相线,为未安装并联间隙的相线。

图7 单只安装并联间隙的配置方式

图8 两只安装并联间隙的配置方式

图7的(1)和(2)为单只安装并联间隙的安装方式;图8的(3)和(4)为安装两只等放电电压并联间隙的配置方式,(5)和(6)为安装两只不等放电电压并联间隙的配置方式,构建了回路间差异绝缘的配置方式。

2.2.1 感应雷过电压下并联间隙的配置方式

将并联间隙设置在第一回线路的最高相B相导线,放电电压设置为47.04 kV(方式1),感应雷过电压模型加在6、7号杆塔之间,当雷电流幅值增加至41.1 kA时,第二回线路9、10号杆塔的A、C相绝缘子发生了相间闪络,放电时绝缘子电压波形见图9。即此时第二回线路的耐雷水平为41.1 kA。

图9 安装方式1感应雷时第二回线路绝缘子闪络电压波形

继续加大雷电流幅值,当雷电流幅值增加至43 kA时,第一回线路也发生了闪络,此时5号杆塔B、C相绝缘子两端的电压波形见图10。因为B相安装了间隙,间隙两端的电压波形最先与间隙的伏秒特性曲线相交,间隙放电。随后,C相绝缘子发生闪络,造成B、C相之间发生相间闪络,即此时第一回线路的耐雷水平为43 kA。由于第一回初始闪络相对于第二回各相导线的电压耦合能力较弱,第二回线路的耐雷水平低于第一回线路耐雷水平。

图10 安装方式1感应雷时第一回线路绝缘子闪络电压波形

按照上述同样的方法,得到各安装方式下双回线路感应雷耐雷水平的变化规律。其中,方式0为线路未安装并联间隙时的情况,见图11。

图11 不同安装方式下感应雷耐雷水平变化规律

由图11可知,与未安装并联间隙相比,6种间隙安装方式下的耐雷水平均有很大程度的提高。若仅在第一回线路上加装并联间隙,对双回线路的耐雷水平均有提高,但第二回线路的耐雷水平不及第一回线路。原因是一相间隙放电后,导线经杆塔接地,与大地电位相同,在其余各相导线上产生负耦合电压分量,从而降低了相间过电压的幅值。但第一回线路首先闪络相与另一回线路距离较远,对于另一回各相的电压耦合能力较弱,故第二回线路的耐雷水平略低于第一回线路。

因此,在每回线路上均安装一只并联间隙的防雷效果优于仅安装一只间隙。其中,在最高相安装的效果优于在中间相安装。

2.2.2 雷击杆塔时并联间隙的配置方式

将并联间隙设置在第一回线路的最高相B相导线,放电电压设置为47.04 kV(方式1),直击雷直击6号塔顶,当雷电流幅值增加至24.7 kA时,第二回线路6号杆塔的B、C相绝缘子发生了相间闪络,放电时绝缘子电压波形情况见图12,即此时第二回线路的耐雷水平为24.7 kA。

图12 安装方式1雷击杆塔时第二回线路绝缘子闪络电压波形

当雷电流幅值增加至26.8 kA时,第一回线路6号杆塔的三相绝缘子电压波形见图13。因为B相安装了间隙,间隙两端的电压波形最先与间隙的伏秒特性曲线相交,间隙放电。随后,C相绝缘子发生闪络,B、C相之间发生相间闪络,即此时第一回线路的耐雷水平为26.8 kA。

图13 安装方式1雷击杆塔时第一回线路绝缘子闪络电压波形

按照上述同样的方法,得到各安装方式下双回线路雷击塔顶耐雷水平的变化规律,其中方式0为线路未安装并联间隙,见图14。

图14 不同安装方式下雷击塔顶耐雷水平变化规律

由图14可知,与方式0的未安装并联间隙相比,其余6种间隙安装方式下的耐雷水平均有一定程度的提高。对于雷击双回线路塔顶时,仅在第一回线路的最高相安装一相并联间隙的防雷效果优于其他安装方式。相比于未安装间隙,此时第一回线路的耐雷水平可提升75.2%,第二回线路的耐雷水平可提升62.5%。

2.2.3 雷击导线时并联间隙的配置方式

同样按照方式1的并联间隙安装方法,直击雷直击6号杆塔最上方B相导线,当雷电流幅值增加至22.1 kA时,第二回线路6号杆塔的B、C相绝缘子发生了相间闪络,放电时绝缘子电压波形情况见图15。即此时第二回线路的耐雷水平为22.1 kA。

图15 安装方式1雷击线路时第二回线路绝缘子闪络电压波形

当雷电流幅值增加至23.5 kA时,第一回线路6号杆塔的三相绝缘子电压波形见图16。因为B相安装了间隙,间隙两端的电压波形最先与间隙的伏秒特性曲线相交,间隙放电。随后,C相绝缘子发生闪络,B、C相之间发生相间闪络,即此时第一回线路的耐雷水平为23.5 kA。

图16 安装方式1雷击线路时第一回线路绝缘子闪络电压波形

按照上述同样的方法,得到各安装方式下双回线路雷击导线耐雷水平的变化规律,其中方式0为线路未安装并联间隙,见图17。

图17 不同安装方式下雷击导线耐雷水平变化规律

由图17可知,对于雷击双回线路导线时,在雷击相未安装并联间隙时(方式2、3、5),该回线路耐雷水平由13.9 kA下降为2 kA,这是因为雷击相与安装了并联间隙的一相易发生相间短路,造成耐雷水平降低。仅在第一回线路的最高相安装一相并联间隙的防雷效果优于其他安装方式,此时相比于未安装间隙,第一回线路的耐雷水平可提升69.1%,第二回线路的耐雷水平可提升12.2%。