并行防雷措施在提高線路反擊耐雷性能的應用

高廣德 向 文 鄒建華 胡 江 楊先杰 吳金輝

（1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌電力勘測設計院，湖北 宜昌 443003）

如何消除或降低雷害一直是電網公司希望解決的難題.隨著近幾年我國電網的急劇發展，許多線路都會經過多雷地區，同時由于線路走廊的緊缺，同塔多回的輸電線路漸漸增多，這些因素都導致了桿塔的被擊率升高.同時單一的防雷措施已經無法滿足線路安全運行的要求，因此有必要采取有效的并行防雷措施來提高線路的耐雷性能.所謂并行防雷措施就是在同一桿塔上采用兩種及以上不同的防雷措施來進行防雷.

文獻［1］中，110kV輸電線路在3種雷擊方式下，作者利用規程法、仿真（ATP／EMTP）、電氣幾何模型（EGM）法計算出了線路的耐雷水平，并分析了哪種雷擊方式對線路的威脅最大.文獻［2］分析了線路檔距、接地電阻對防雷效果的影響，計算了不同模型下不同的防雷效果.文獻［3］研究了避雷器的安裝方式對輸電線路防雷性能的影響.但是文獻均未考慮線路采用多種防雷措施后對線路耐雷水平的影響，本文在文獻［1－3］的基礎上引入了工頻相位角對線路耐雷性能的影響；將調整工頻相位角，降低桿塔接地電阻，加裝氧化鋅避雷器、耦合地線等措施組合成的并行防雷措施應用于線路，并利用ATP／EMTP對其進行仿真，對比各種并行措施的耐雷水平［4］.

1 基本參數及模型的建立

輸電線路導線型號為2×LGJ－400／35，分裂間距為400mm；避雷線采用GJ－70；絕緣子串采用13片FC70P／146型絕緣子，桿塔為2F4－SZ2－21桿塔.

導線采用Jmarti模型，線路參數的計算中，對于雙分裂導線采取等值半徑的方法，桿塔采用多波阻抗模型，如圖1所示.模型中的相關參數見式（1）～（6）.

圖1 桿塔原型及多波阻抗模型

式中，Zt為桿塔主材波阻抗（Ω）.r1、r2、r3、r4、h1、h2、h3、h4如圖1所示.

式中，ZA為橫擔阻抗（Ω）；h為橫擔對地高度（m）；re為橫擔的等效半徑（m）.

式中，re為橫擔的等效半徑（m）；N為主支柱個數；A為支柱外接圓半徑（m）；ds為支柱間的距離（m）；r為單個支柱的半徑（m）.

本文采取相交法來判斷絕緣子串是否閃絡［5－7］.當絕緣子串兩端的電壓與絕緣子的伏秒特性相交時的雷電流幅值即為線路的耐雷水平.13片絕緣子的伏秒特性表達式見式（7）.將所得絕緣子串的伏秒特性曲線導入ATP／EMTP中的TACS搭建的判斷模型［8］，總仿真圖如圖2所示.

13片FC70P／146型絕緣子的伏秒特性曲線：

圖2 仿真模型（部分）

本文采用Heidler模型來模擬雷電流，雷電流波形為2.6／50μs.其模擬表達式為

式中，n為電流陡度因子，τ1為波前時間，即電流從零到達到峰值的時間；τ2為波長時間，即電流從零到達到峰值，又從峰值下降為峰值的37%所經過的時間.IEC（國際電工委員會）于1995年在其文件IEC1312－1中推薦采用此雷電流解析表達式［9］.

本文采用的避雷器為氧化鋅避雷器.氧化鋅避雷器的伏安特性見表1.

表1 220kV線路型避雷器伏安特性參數

2 影響線路耐雷水平的因素

2.1 避雷器的安裝方式對輸電線路反擊耐雷水平的影響

圖3中，曲線1為 A1、B1、C1、A2、B2、C2相均安裝避雷器；曲線2為A1、B1、A2、B2相均安裝避雷器；曲線3為A1、A2相均安裝避雷器；曲線4為C1、C2相均安裝避雷器；曲線5為未裝避雷器.

從圖3可以看出，避雷器的安裝位置和安裝數量對線路的耐雷水平有較大的影響.即安裝位置越靠近塔頂和安裝數量越多，線路的耐雷水平越大.同時，隨著接地電阻的增大，耐雷水平越低，造成這種現象的原因在于：避雷器具有高通低阻的特性，當雷電擊中線路時，避雷器動作，將雷電流導入大地，從而提高線路的耐雷水平.但是當接地電阻增大時，會導致將雷電流導入大地越來越困難，也使得避雷器的防雷性能越來越差，對耐雷水平的提高越來越小.這也是在現實防雷改造中為何首先要盡量降低接地電阻的原因.

圖3 避雷器不同安裝方式下，耐雷水平與接地電阻間的關系

對比曲線4、5知，安裝避雷器可以大幅度提高線路的耐雷水平.在接地電阻較?。?0Ω）的情況下，線路安裝避雷器后，耐雷水平由沒裝時的130Ω增大到180Ω，增長率達到38.40%.所有相均安裝的線路耐雷水平最高，達到250kA，是未安裝避雷器時的1.9倍.接地電阻?。ǎ?0Ω）時，對比曲線2、3，線路的耐雷水平的最大增長率為28%.接地電阻較高（20～40Ω）時，相對于在A1、A2兩相安裝時，安裝4支避雷器（曲線2）的線路耐雷水平增長率分別是13.60%.對比曲線1、4，在電阻（＜20Ω）較小時，增長率為8.60%；在電阻較大（＞30Ω）時，最大增長率為44.00%.

與沒有裝設避雷器時的耐雷水平相比，安裝避雷器后，線路的耐雷水平都有明顯的提高.在A1、A2安裝避雷器后，線路的耐雷水平都有明顯的提高.而在A1、B1、A2、B2安裝避雷器，與A1、A2安裝避雷器相比，當桿塔接地電阻較大時，線路的耐雷水平提升不明顯.而當桿塔接地電阻較小時，防雷效果則有一定的提高.而當在 A1、B1、C1、A2、B2、C2安裝避雷器，與A1、B1、A2、B2相均安裝避雷器相比，耐雷水平有一定的提高.

2.2 工頻相位角對輸電線路反擊耐雷水平的影響

從圖4可以看出，不管接地電阻如何變化，耐雷水平總是在相位角為120°時最大.當接地電阻為10Ω時，線路的耐雷水平最大增長率為22.22%；接地電阻為20Ω時，線路的耐雷水平最大增長率為21.84%；接地電阻為30Ω時，線路的耐雷水平最大增長率為32.05%.在工頻相位角為120°時，線路的耐雷水平均達到最大；隨著桿塔接地電阻的增加，調整工頻相位角對線路防雷性能的提升越為明顯.

圖4 在不同的接地電阻時，相位角與耐雷水平的關系

2.3 耦合地線對輸電線路反擊耐雷性能的影響

耦合地線的作用主要體現在對雷電流的分流方面.本節著重研究裝設耦合地線與否，線路各部分對雷電流的分流百分比.避雷線安裝位置為離地16m處.安裝位置的選取方法見文獻［4］，通過電流探針測得雷擊塔頂時，避雷線、耦合地線、桿塔塔頂的電流值，取電流最大值計算在雷電流中的百分比，結果見表2.

表2 避雷線、耦合地線、桿塔的分流百分比（單位：%）

安裝耦合地線對桿塔有明顯分流的作用，隨著雷電流幅值的增加，耦合地線所分流的百分比依次增加，反擊的可能性逐漸降低.另線路的耐雷水平由未裝耦合地線時的128kA增長到裝后的154kA，增長率約為15.00%.

3 并行防雷措施對線路反擊耐雷性能的影響

3.1 安裝避雷器、耦合地線

圖5中，曲線1為 A1、B1、C1、A2、B2、C2裝6支避雷器，一根耦合地線；曲線2為A1、B1、C1、A2、B2、C2裝6支避雷器.前面提到隨著接地電阻的逐漸變大，避雷器的防雷性能越來越差，從而使得線路的耐雷水平越來越低.但是當線路安裝耦合地線后，由于耦合地線有分流和耦合的作用，雖然線路耐雷水平越來越低，但是比沒裝耦合地線時的耐雷水平要高一點，并且隨著接地電阻的增大，這種差距會越來越明顯.

圖5 避雷器、耦合地線共同作用下，線路耐雷水平與接地電阻間的關系

由圖5知：裝設避雷器與耦合地線可以顯著提高線路的反擊耐雷水平.在低接地電阻（≤20Ω）時，最大增長率為4.00%.在高接地電阻（＞20Ω）時，最大增長率為13.60%.

3.2 安裝避雷器、調整工頻相位角

圖6中，曲線1為 A1、B1、C1、A2、B2、C2裝避雷器，工頻相位角為120°，曲線2為 A1、B1、C1、A2、B2、C2裝6支避雷器.

圖6 避雷器、調整相位角共同作用下，線路耐雷水平與接地電阻間的關系

從圖6可以看出，調整工頻相位角后可以提高線路的耐雷水平，而且隨著接地電阻的增大，調整工頻相位角對線路的耐雷水平的提升越來越明顯.即調整工頻相位角適合于接地電阻難以降低的地區.在低接地電阻（≤20Ω）時，反擊耐雷水平最大增長率為2.00%.在高接地電阻（＞20Ω）時，最大增長率為8.30%.

3.3 避雷器、調整工頻相位角、安裝耦合地線

圖7中，曲線1為A1，A2，B1，B2四相裝避雷器，曲線2為在A1，A2相裝設避雷器，調整工頻相位角為120°，同時在離地高16m處架設一根耦合地線.由圖7可以看出，采用并行防雷措施（架設耦合地線、調整相位角、安裝避雷器并）后，線路的反擊耐雷水平與A1，A2，B1，B2四相裝避雷器時的反擊耐雷水平相差不大，隨著接地電阻的增大，兩者會越來越靠近.

圖7 避雷器、調整相位角、耦合地線、增加絕緣子片數共同作用下，線路耐雷水平與接地電阻間的關系

線路采用架設耦合地線、調整相位角、安裝避雷器并行防雷措施后，在低接地電阻（≤20Ω）時，耐雷水平的最大增長率為10.71%，高接地電阻（＞20Ω）時，最大增長率為27.78%.

4 結 論

1）安裝避雷器.安裝支數越多，線路的反擊耐雷性能越好；調整相位角，在工頻相位角為120°時，線路的反擊耐雷水平均達到最大，隨著桿塔接地電阻的增加，調整工頻相位角對線路防雷性能的提升越為明顯；安裝耦合地線可以大大降低流經地線、桿塔的電流，且耐雷水平增長率為15.00%.

2）與僅在A1，A2相裝避雷器時的反擊耐雷水平相比，并行防雷措施（A1，A2裝設避雷器與耦合地線）對線路反擊耐雷性能提升更大，最大增長了13.60%.

3）與在A1，A2相裝避雷器后的線路的反擊耐雷水平相比，采用并行防雷措施（A1，A2相裝設避雷器，調整工頻相位角為120°）后，線路的耐雷水平最大增長了8.30%.

4）與在A1，A2相裝避雷器后的線路的反擊耐雷水平相比，采用并行防雷措施（在A1，A2相裝設避雷器，調整工頻相位角為120°，同時在離地高16m處架設一根耦合地線）后，線路的耐雷水平最大增長了27.78%，而且非常接近在 A1，A2，B1，B2四相裝避雷器后的耐雷水平.

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