±1 100 kV特高壓直流線路無間隙線路避雷器雷電防護適用性研究

顧建偉,余輝,陳維江,黃勝鑫,何天宇,邊凱,時衛東

(1.中國電力科學研究院有限公司,北京 100192;2.水電水利規劃設計總院,北京,100120;3.國家電網公司,北京 100031;4.電力規劃設計總院,北京 100120)

0 引言

近年來,我國特高壓直流輸電技術持續發展,已經建成20多項特高壓工程,其中特高壓直流工程額定電壓等級已達1 100 kV[1-3]。線路額定工作電壓等級的提高,對線路絕緣強度的要求逐漸提高,已經建成的昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流線路,該線路途徑我國六省,沿線地形復雜,對線路絕緣水平的要求高[4]。特高壓線路的外絕緣一般依靠導線與塔頭之間的空氣間隙保證,塔頭尺寸通常由極間距控制[5]。為節約塔材投資和線路走廊寬度,我國±1 100 kV昌吉-古泉特高壓直流輸電線路采用大截面導線,實現了極間距縮小的目標。在此條件下,操作過電壓下要求的導線對塔身最小空氣間隙可能成為塔頭尺寸的控制因素。目前,特高壓直流工程設計中均采用故障極線路中點接地在健全極產生的最高過操作電壓作為全線統一的操作過電壓進行絕緣配合[6-7],為了減小導線對塔身操作間隙的要求,昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路擬在線路中部裝設幾組無間隙線路避雷器,深度抑制線路中部的過電壓水平。值得注意的是,裝設無間隙線路避雷器后,不但能夠深入抑制線路的操作過電壓,同時還可對線路的雷電過電壓進行防護,需要深入研究無間隙線路避雷器的雷電保護范圍,綜合評價其防雷效果和優化配置方法。

昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流線路的線路避雷器采用懸掛方式安裝在輸電線路直線塔和耐張塔上,與絕緣子并聯[8]。綜合考慮線路抑制過電壓水平和經濟技術指標,中國電力科學研究院建議在線路中部裝設4組避雷器[6],可滿足抑制要求。但昌吉-古泉特高壓直流線路工作電壓等級高,直線塔或耐張塔高度往往在80 m以上,導線和地線懸掛高度高,線路經過高原、丘陵等地區,地形條件復雜,途經地區雷電活動頻繁,極易發生雷擊閃絡。對于特高壓直流線路,繞擊閃絡的問題突出[9-11],發生雷電繞擊時,雷電過電壓沿導線傳播,雷電過電壓與線路工作電壓相互疊加,絕緣子更易發生閃絡。目前用以抑制操作過電壓的線路避雷器,對雷電過電壓抑制方面的研究少有報道。

已有研究針對的輸電線路工作電壓等級較低,多為交流線路,工作電壓影響小。研究方法主要結合EMTP-ATP電磁暫態程序和電氣幾何模型(Electrical Geometry Model,EGM),計算反、繞擊情況下導線電磁暫態過電壓水平和線路雷擊閃絡率,以及避雷器保護范圍[12-19]。例如10 kV配電線路避雷器保護范圍研究發現[20],避雷器僅可保護300 m 范圍內的線路,僅安裝一組避雷器無法對臨近線路起到雷擊防護。王振國等人利用ATPDraw軟件分析了浙福特高壓線路避雷器的防護性能[21],分析發現配置有避雷器的線路繞擊耐雷水平達到80 kA以上,他們未涉及避雷器保護范圍方面的研究。陳忠明等人建立了220 kV線路雷擊電磁暫態計算模型[22],計算了避雷器的保護范圍以及繞擊電位轉移特性,基于計算結果,他們建議對于雷電流繞擊頻發的線路,應采取多個桿塔加裝避雷器的方式。陳繼東等人利用EMTP分析了本塔安裝一組500 kV線路型避雷器繞擊臨界桿塔的閃絡情況,結果顯示,避雷器只對加裝級的桿塔起到了防護作用,臨近桿塔依舊閃絡[23]。肖國斌等人也獲得了與上述結論相似的結果[24]。在避雷器安裝方式方面,劉策等人分析了兩種避雷器接線形式[25],提出端子間接線方式是限制相地電壓、極間過電壓的有效形式。盡管國內外研究學者在避雷器抑制過電壓效果和保護范圍等方面開展了大量研究,但現階段研究的線路,其工程電壓等級較低,昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流線路工作電壓等級高,繞擊閃絡率在雷擊故障中占比逐漸增加[26-30],±1 100 kV特高壓直流線路安裝的無間隙線路避雷器對雷電防護效果方面的研究較少。

為研究±1 100 kV特高壓直流線路無間隙避雷器兼顧雷電防護效果,并提出優化配置原則,本研究基于EMTP-ATP,建立雷電過電壓形成和傳播過程的仿真模型,計算分析導線雷擊瞬態過電壓特性及避雷器抑制效果,結合EGM方法,綜合分析線路避雷器對繞、反擊的保護范圍。本研究不僅可以評估線路避雷器兼顧雷電防護效果,而且可以為±1 100 kV特高壓直流輸電線路線路避雷器的優化配置提供理論依據。

1 雷電過電壓電磁瞬態仿真模型

基于EMTP-ATP仿真軟件,本研究建立了雷擊導線后瞬態過電壓傳播計算模型,模型分別包括桿塔、線路、絕緣子、線路避雷器和雷電通道的等效模型,現將對其進行逐一介紹。

1)輸電線路導線與桿塔模型

昌吉-古泉±1 100 kV輸電線路的導、地線參數見表1。本研究采用LCC的JMarti模型。為消除雷電波在桿塔的折反射過程,需合理設置模型的桿塔數目,文中在雷擊級的桿塔兩側各設置6個檔距的線路。仿真線路段的終端,各加入30 km的線路,以保證在所研究時間范圍內不會有反射波影響雷擊處的電位。

表1 導線和地線參數

由于±1 100 kV特高壓線路桿塔高度往往超過80 m,因此本研究采用多波阻抗模型進行桿塔建模[18]。

2)絕緣子模型

采用壓控開關模型模擬絕緣子,其動作電壓為絕緣子的U50%放電電壓。

3)線路避雷器模型

昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路采用的無間隙線路避雷器型號為YH20WDL1-1308/2200[6]。本研究采用指數擬合,擬合函數如式(1)所示,模擬避雷器的伏安特性。

i=ps(u/Uref)q

(1)

式中,ps為常數,其值與避雷器的材料、尺寸相關,kA;Uref為避雷器參考電壓,kV;q為與避雷器材料有關的系數。

4)雷電通道模型

本研究采用Heilder模型模擬雷電通道,波形參數為2.6/50 μs,波阻抗依據其與雷電流幅值相互關系確定。

5)工作電壓源模型

線路正常運行時,絕緣子兩端為工作電壓,雷擊時,工作電壓幅值已經與雷電過電壓相差不大,會對絕緣子的閃絡特性產生影響,因此不可忽視工作電壓。模型中將工作電壓設置為幅值±1 100 kV的直流電壓源,分別接入正極和負極導線。

線路的計算模型見圖1,為研究避雷器保護范圍,模型采用12級桿塔。為研究繞擊同一檔距的不同位置,將圖1中的繞擊檔距均分為10等份,見圖2。

圖1 EMTP-ATP仿真模型

圖2 檔距等分示意圖

2 線路耐雷性能評價方法

本研究采用耐雷水平(反擊、繞擊)和繞、反擊閃絡率表征線路的雷擊耐雷性能。繞、反擊耐雷性能越高,絕緣子越不易發生閃絡?；贓MTP-ATP模型計算耐雷水平,按照國家標準推薦方法計算反擊閃絡率[31],采用EGM計算方法計算繞擊閃絡率[26,32]。

3 計算結果與分析

為研究無間隙線路避雷器兼顧雷電防護的效果,本節分別介紹無間隙線路避雷器對雷電過電壓波形的影響、安裝無間隙線路避雷器的保護范圍,以及無間隙線路避雷器對±1 100 kV昌吉-古泉特高壓直流輸電線路的雷擊閃絡率的影響,并基于計算結果提出安裝無間隙線路避雷器的優化配置原則。

3.1 雷擊瞬態過電壓波形特性分析

為分析無間隙線路避雷器對雷擊瞬態過電壓波形的影響,需要考慮雷擊輸電線路的不同位置,示意圖詳見圖3,將輸電線路等效為無限長導線,考慮對稱性可僅分析避雷器加裝級桿塔單側不同雷擊點位置的影響,即避雷器加裝于第N級桿塔。輸電線路雷擊可分為反擊(雷擊桿塔塔頂或避雷線)和繞擊(雷擊導線)。對反擊可分析雷擊N至N+2級桿塔,甚至更遠多級桿塔;對繞擊可分析雷擊檔距A和B,甚至雷擊更遠級檔距。

圖3 輸電線路不同雷擊位置示意圖

1)反擊過電壓波形抑制分析

經計算,線路反擊耐雷水平為217 kA,表2和圖4所示為300 kA雷電流下雷擊第N級桿塔時線路和絕緣子過電壓波形。

圖4 300 kA雷擊第N級桿塔的過電壓波形

表2 300 kA雷擊第N級桿塔導線和絕緣子過電壓

分析可見,雷擊第N級桿塔塔頂,第N級極I(正極)處絕緣子發生閃絡。這是由于雷電過電壓通過桿塔入地,正極側絕緣子兩端過電壓為正工作電壓疊加正向雷電過電壓,而對于負極側絕緣子兩端過電壓為二者之差,因此極I(正極)絕緣子先發生閃絡。第N級桿塔加裝避雷器后,避雷器動作使得雷電過電壓經避雷器入地,絕緣子兩端過電壓幅值顯著降低。而對于負極性側絕緣子,加裝線路避雷器后過電壓幅值衰減并不大。對于線路上過電壓波形,加裝避雷器后由于避雷器動作,雷電過電壓波尾振蕩減緩,約25 μs后導線過電壓可恢復到工作電壓附近。對于未加裝線路避雷器時的導線雷電過電壓波形,閃絡后的60 μs內過電壓尚未降低到正常工作電壓水平。

表3和圖5所示為300 kA雷電流雷擊第N+1級桿塔塔頂時導線、絕緣子雷電過電壓幅值和過電壓波形。圖中可見,未加裝線路避雷器時,雷擊第N+1級桿塔使得第N+1級桿塔正極側絕緣子閃絡,第N級和第N+2級關于第N+1級對稱分布,其導線和絕緣子兩端過電壓水平相差不多。第N級桿塔加裝線路避雷器后,雷擊第N+1級桿塔塔頂依舊帶來第N+1級正極側絕緣子閃絡。

圖5 300 kA雷擊第N+1級桿塔的過電壓波形

表3 300 kA雷擊第N+1級桿塔導線和絕緣子過電壓

綜上所述,雷電流幅值較大(大于反擊耐雷水平),加裝線路避雷器能保護加裝級桿塔絕緣子不發生閃絡,且導線上的雷電過電壓可以在更短時間內恢復至正常工作電壓水平。當雷擊非加裝線路避雷器的桿塔時,非加裝避雷器的桿塔絕緣子兩端過電壓超過絕緣子閃絡電壓,絕緣子閃絡。但避雷器降低了加裝級桿塔導線的雷電過電壓幅值。無論加裝線路避雷器與否,雷擊非加裝級桿塔后導線雷電過電壓波形差異不大。

2) 繞擊過電壓抑制波形分析

計算結果顯示,雷擊極I(正極)的繞擊耐雷水平為52 kA,雷擊極II(負極)的繞擊耐雷水平為36 kA。對于繞擊,需要分別分析雷擊極I(正極)導線、雷擊極II(負極)導線兩種情況。

75 kA雷電流幅值雷電繞擊極I(正極)導線不同位置時,過電壓波形見圖6。分析可見,對于雷擊檔距A的1號位置,避雷器動作使得過電壓經避雷器入地,正極側導線絕緣子兩端過電壓從正1 100 kV降低,但未超過絕緣子閃絡電壓不會發生閃絡,對線路絕緣子起到保護作用,此時第N級至第N+1級桿塔正極性導線絕緣子過電壓均不高,未發生絕緣閃絡。但當雷擊點處于檔距A的5號位置時,盡管避雷器動作保護住了第N級桿塔的絕緣子,第N+1級桿塔正極側絕緣子兩側過電壓已經超過其閃絡電壓,N+1級桿塔正極側絕緣子發生絕緣閃絡,負極側絕緣子不會閃絡。此時加裝線路避雷器僅對第N級桿塔導線過電壓幅值略有降低。當雷擊點位于檔距B的中央時,該現象更為顯著,第N+1級桿塔正極側絕緣子兩端電壓超過其閃絡電壓,發生繞擊閃絡,而第N級桿塔由于加裝了線路避雷器,其過電壓得到抑制,但并未對相鄰桿塔起到保護作用。

圖6 75 kA雷擊正極導線檔距不同位置過電壓波形

75 kA雷電流幅值雷電繞擊極II(負極)導線典型位置處的雷電過電壓波形見圖7。雷擊A.1位置時,由于避雷器的動作使得導線過電壓得到抑制,負極側絕緣子受到避雷器保護而不會發生閃絡,從波形上,線路避雷器使得負極導線波形波尾變緩。當雷擊點逐漸遠離第N級桿塔,避雷器抑制作用逐漸降低,雷擊點為A.5時,第N+1級桿塔負極側絕緣子兩端電壓超過其閃絡電壓,發生了閃絡,正極側絕緣子未閃絡。此時線路避雷器并未對第N+1級桿塔過電壓起到抑制作用。該現象當雷擊點位于相鄰檔距時更為顯著。

圖7 75 kA雷擊負極導線檔距不同位置過電壓波形

綜上所述,雷電流幅值較大(大于繞擊耐雷水平)情況下,加裝避雷器的桿塔,無論雷電繞擊極I(正極)或極II(負極)導線,線路和絕緣子兩端的雷電過電壓幅值得到了顯著降低,不會發生閃絡,且相鄰桿塔的絕緣子兩端過電壓不超過其閃絡電壓,未發生閃絡。對于未加裝避雷器的桿塔,當雷電繞擊點遠離線路避雷器時,無論雷電繞擊極I(正極)或極II(負極)導線,線路和絕緣子兩端的雷電過電壓幅值均會升高,未加裝線路避雷器的桿塔遭受雷擊對應極性導線側的絕緣子發生閃絡,且該現象隨雷擊點距線路避雷器距離的增加而愈加顯著。

3.2 避雷器對雷電過電壓的保護范圍

基于前述章節避雷器對雷電過電壓波形的抑制效果,本研究定義避雷器的保護范圍是桿塔數,結合耐雷水平,分析避雷器的保護范圍。

1)雷電反擊時避雷器的保護范圍

加裝避雷器后反擊耐雷水平計算結果如表4所示。加裝避雷器后,對于雷電流較低(低于耐雷水平)的情況,線路不會發生雷擊閃絡,因此保護范圍為整條線路。對于雷電流較高(高于耐雷水平)的情況,雷擊加裝避雷器的桿塔不會發生閃絡,但雷擊附近未加裝避雷器的桿塔會發生絕緣子閃絡。因此避雷器的保護范圍受雷電流的幅值的影響顯著。

表4 加裝避雷器后雷擊不同桿塔的反擊耐雷水平

進一步分析表4可見,當第N級桿塔加裝線路避雷器,雷電直擊附近第N+1級和第N+2級桿塔,輸電線路的反擊耐雷水平依舊為217 kA,即避雷器未能起到有效保護,僅能保護加裝避雷器的桿塔。

2)雷電繞擊時避雷器的保護范圍

根據前文所述計算結果,當雷擊點距離避雷器加裝級桿塔較近時,線路避雷器可對導線雷電過電壓有較好的抑制作用;而隨雷擊點遠離加裝級桿塔,避雷器對導線雷電過電壓的抑制效果逐漸減弱,這表明線路避雷器對導線繞擊存在保護范圍。圖8所示為桿塔加裝避雷器后,線路的繞擊耐雷水平。圖中橫軸原點為加裝線路避雷器的桿塔所在的位置,黑線表示雷電繞擊極I(正極)導線,紅線表示雷電繞擊極II(負極)導線。分析可見線路避雷器對導線繞擊耐雷水平的影響具有距離性,基本可保護加裝避雷器級桿塔附近約200 m～250 m范圍,±1 100 kV特高壓直流輸電線路檔距一般在500 m,相鄰桿塔之間的距離大于避雷器有效保護距離,因此加裝避雷器后,臨近未加裝避雷器的桿塔繞擊耐雷水平未見改變,這也表明,雷電繞擊下,避雷器的保護范圍為一級桿塔,即僅可保護加裝避雷器的桿塔。

圖8 加裝避雷器后繞擊耐雷水平

綜上所述,加裝線路避雷器,對雷電繞、反擊僅可保護加裝級桿塔,對臨近未加裝級桿塔無法起到保護作用,即避雷器的保護范圍僅為1級桿塔。

3.3 雷擊閃絡率

基于昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路的參數,計算了線路未加裝避雷器時的反擊閃絡率,計算結果見表5?？紤]沿線地形、雷電環境因素,本研究計算可得,昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路的反擊閃絡率是0.038 次/100 km·年。

表5 反擊閃絡率

由于繞擊閃絡率受到地形的影響,本研究計算了昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流線路沿線不同地形(地面傾角)下的繞擊閃絡率,結果見表6。對于地形陡峭(地面傾角一般大于15°)的線路桿塔,降低地線保護角的方法可以有效降低繞擊閃絡率。

表6 繞擊閃絡率

圖9所示為不同地面傾角下,最大繞擊雷電流和加裝避雷器后線路耐雷水平的相互關系,可見對于正極導線而言,加裝避雷器后,地面傾角大于15°時,最大繞擊雷電流大于耐雷水平,出現繞擊閃絡。同樣的對于負極導線,加裝避雷器后,地面傾角大于20°時,最大繞擊雷電流大于耐雷水平,出現繞擊閃絡。

圖9 加裝線路避雷器繞擊耐雷水平和不同地面傾角下最大繞擊雷電流相互關系

進一步的,假設線路避雷器可不受限制安裝于線路任何位置,以分析線路避雷器對輸電線路雷擊閃絡率的影響,分別計算了避雷器加裝次數對反、繞擊閃絡率的影響。表7為加裝避雷器后反擊閃絡率的計算結果。分析計算結果可知,加裝線路避雷器后可顯著降低反擊閃絡率,全線加裝避雷器下可將線路反擊閃絡率降低為理論值0。隨著避雷器加裝數量的降低,線路反擊閃絡率逐漸增加。

表7 加裝線路避雷器反擊閃絡率

由于輸電線路在地面傾角大于15°情況下繞擊現象更為突出,分析了不同地形下加裝避雷器的繞擊閃絡率,如表8所示。值得注意的是,昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流線路沿線地形環境復雜,本研究計算中考慮了平原、丘陵、山地和高山大川?？梢娂友b線路避雷器能夠有效降低線路的繞擊閃絡率,且繞擊閃絡率隨避雷器加裝數目的降低而增加。

表8 不同地形下加裝避雷器的繞擊閃絡率

3.4 無間隙線路避雷器的優化配置原則

由于昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路僅加裝4組無間隙線路避雷器,因此并不能實現全線任意安裝,但加裝線路避雷器,確實有效降低了線路的繞/反擊閃絡率。由于加裝線路避雷器僅可保護加裝級桿塔絕緣子不發生雷擊閃絡,筆者認為,若要兼顧雷電防護作用,無間隙線路避雷器在滿足操作過電壓抑制要求的同時,考慮將無間隙線路避雷器適當調整至輸電線路雷電易擊段上,即可將線路避雷器的加裝級適當安裝于地面傾角大于15°的中高雷區、桿塔接地電阻較大的桿塔上,結合降低地線保護角的方法,起到最優的雷擊防護作用。

4 結論

±1 100 kV特高壓直流輸電線路應用無間隙線路避雷器不僅可以抑制操作過電壓,也可兼顧雷電防護。本研究計算分析了無間隙線路避雷器導線雷擊瞬態過電壓特性及其抑制效果,獲取的主要結論如下:

1)無論雷電繞、反擊,無間隙線路避雷器對雷電過電壓幅值和波形均存在抑制作用。無間隙線路避雷器提高了加裝級桿塔的繞、反擊耐雷水平,但無間隙線路避雷器的保護范圍僅為一級加裝了避雷器的桿塔,無法對未加裝避雷器的桿塔起到保護。

2)昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路反擊閃絡率為0.038 次/100 km·年,全線-8°地線保護角下繞擊閃絡率為0.143 次/100 km·年。加裝線路避雷器后,輸電線路的反/繞擊閃絡率顯著降低,隨避雷器安裝數目的降低,閃絡率增加。

3)提出了無間隙線路避雷器的優化配置原則。昌吉-古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路無間隙線路避雷器,在滿足操作過電壓抑制要求的前提下,可考慮安裝于輸電線路雷電易擊段上,即適當調整至位于地面傾角大于15°的中高雷區、接地電阻較大的桿塔上。