±1 100 kV特高压直流线路无间隙线路避雷器雷电防护适用性研究

顾建伟,余辉,陈维江,黄胜鑫,何天宇,边凯,时卫东

(1.中国电力科学研究院有限公司,北京 100192;2.水电水利规划设计总院,北京,100120;3.国家电网公司,北京 100031;4.电力规划设计总院,北京 100120)

0 引言

近年来,我国特高压直流输电技术持续发展,已经建成20多项特高压工程,其中特高压直流工程额定电压等级已达1 100 kV[1-3]。线路额定工作电压等级的提高,对线路绝缘强度的要求逐渐提高,已经建成的昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流线路,该线路途径我国六省,沿线地形复杂,对线路绝缘水平的要求高[4]。特高压线路的外绝缘一般依靠导线与塔头之间的空气间隙保证,塔头尺寸通常由极间距控制[5]。为节约塔材投资和线路走廊宽度,我国±1 100 kV昌吉-古泉特高压直流输电线路采用大截面导线,实现了极间距缩小的目标。在此条件下,操作过电压下要求的导线对塔身最小空气间隙可能成为塔头尺寸的控制因素。目前,特高压直流工程设计中均采用故障极线路中点接地在健全极产生的最高过操作电压作为全线统一的操作过电压进行绝缘配合[6-7],为了减小导线对塔身操作间隙的要求,昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路拟在线路中部装设几组无间隙线路避雷器,深度抑制线路中部的过电压水平。值得注意的是,装设无间隙线路避雷器后,不但能够深入抑制线路的操作过电压,同时还可对线路的雷电过电压进行防护,需要深入研究无间隙线路避雷器的雷电保护范围,综合评价其防雷效果和优化配置方法。

昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流线路的线路避雷器采用悬挂方式安装在输电线路直线塔和耐张塔上,与绝缘子并联[8]。综合考虑线路抑制过电压水平和经济技术指标,中国电力科学研究院建议在线路中部装设4组避雷器[6],可满足抑制要求。但昌吉-古泉特高压直流线路工作电压等级高,直线塔或耐张塔高度往往在80 m以上,导线和地线悬挂高度高,线路经过高原、丘陵等地区,地形条件复杂,途经地区雷电活动频繁,极易发生雷击闪络。对于特高压直流线路,绕击闪络的问题突出[9-11],发生雷电绕击时,雷电过电压沿导线传播,雷电过电压与线路工作电压相互叠加,绝缘子更易发生闪络。目前用以抑制操作过电压的线路避雷器,对雷电过电压抑制方面的研究少有报道。

已有研究针对的输电线路工作电压等级较低,多为交流线路,工作电压影响小。研究方法主要结合EMTP-ATP电磁暂态程序和电气几何模型(Electrical Geometry Model,EGM),计算反、绕击情况下导线电磁暂态过电压水平和线路雷击闪络率,以及避雷器保护范围[12-19]。例如10 kV配电线路避雷器保护范围研究发现[20],避雷器仅可保护300 m 范围内的线路,仅安装一组避雷器无法对临近线路起到雷击防护。王振国等人利用ATPDraw软件分析了浙福特高压线路避雷器的防护性能[21],分析发现配置有避雷器的线路绕击耐雷水平达到80 kA以上,他们未涉及避雷器保护范围方面的研究。陈忠明等人建立了220 kV线路雷击电磁暂态计算模型[22],计算了避雷器的保护范围以及绕击电位转移特性,基于计算结果,他们建议对于雷电流绕击频发的线路,应采取多个杆塔加装避雷器的方式。陈继东等人利用EMTP分析了本塔安装一组500 kV线路型避雷器绕击临界杆塔的闪络情况,结果显示,避雷器只对加装级的杆塔起到了防护作用,临近杆塔依旧闪络[23]。肖国斌等人也获得了与上述结论相似的结果[24]。在避雷器安装方式方面,刘策等人分析了两种避雷器接线形式[25],提出端子间接线方式是限制相地电压、极间过电压的有效形式。尽管国内外研究学者在避雷器抑制过电压效果和保护范围等方面开展了大量研究,但现阶段研究的线路,其工程电压等级较低,昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流线路工作电压等级高,绕击闪络率在雷击故障中占比逐渐增加[26-30],±1 100 kV特高压直流线路安装的无间隙线路避雷器对雷电防护效果方面的研究较少。

为研究±1 100 kV特高压直流线路无间隙避雷器兼顾雷电防护效果,并提出优化配置原则,本研究基于EMTP-ATP,建立雷电过电压形成和传播过程的仿真模型,计算分析导线雷击瞬态过电压特性及避雷器抑制效果,结合EGM方法,综合分析线路避雷器对绕、反击的保护范围。本研究不仅可以评估线路避雷器兼顾雷电防护效果,而且可以为±1 100 kV特高压直流输电线路线路避雷器的优化配置提供理论依据。

1 雷电过电压电磁瞬态仿真模型

基于EMTP-ATP仿真软件,本研究建立了雷击导线后瞬态过电压传播计算模型,模型分别包括杆塔、线路、绝缘子、线路避雷器和雷电通道的等效模型,现将对其进行逐一介绍。

1)输电线路导线与杆塔模型

昌吉-古泉±1 100 kV输电线路的导、地线参数见表1。本研究采用LCC的JMarti模型。为消除雷电波在杆塔的折反射过程,需合理设置模型的杆塔数目,文中在雷击级的杆塔两侧各设置6个档距的线路。仿真线路段的终端,各加入30 km的线路,以保证在所研究时间范围内不会有反射波影响雷击处的电位。

表1 导线和地线参数

由于±1 100 kV特高压线路杆塔高度往往超过80 m,因此本研究采用多波阻抗模型进行杆塔建模[18]。

2)绝缘子模型

采用压控开关模型模拟绝缘子,其动作电压为绝缘子的U50%放电电压。

3)线路避雷器模型

昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路采用的无间隙线路避雷器型号为YH20WDL1-1308/2200[6]。本研究采用指数拟合,拟合函数如式(1)所示,模拟避雷器的伏安特性。

i=ps(u/Uref)q

(1)

式中,ps为常数,其值与避雷器的材料、尺寸相关,kA;Uref为避雷器参考电压,kV;q为与避雷器材料有关的系数。

4)雷电通道模型

本研究采用Heilder模型模拟雷电通道,波形参数为2.6/50 μs,波阻抗依据其与雷电流幅值相互关系确定。

5)工作电压源模型

线路正常运行时,绝缘子两端为工作电压,雷击时,工作电压幅值已经与雷电过电压相差不大,会对绝缘子的闪络特性产生影响,因此不可忽视工作电压。模型中将工作电压设置为幅值±1 100 kV的直流电压源,分别接入正极和负极导线。

线路的计算模型见图1,为研究避雷器保护范围,模型采用12级杆塔。为研究绕击同一档距的不同位置,将图1中的绕击档距均分为10等份,见图2。

图1 EMTP-ATP仿真模型

图2 档距等分示意图

2 线路耐雷性能评价方法

本研究采用耐雷水平(反击、绕击)和绕、反击闪络率表征线路的雷击耐雷性能。绕、反击耐雷性能越高,绝缘子越不易发生闪络。基于EMTP-ATP模型计算耐雷水平,按照国家标准推荐方法计算反击闪络率[31],采用EGM计算方法计算绕击闪络率[26,32]。

3 计算结果与分析

为研究无间隙线路避雷器兼顾雷电防护的效果,本节分别介绍无间隙线路避雷器对雷电过电压波形的影响、安装无间隙线路避雷器的保护范围,以及无间隙线路避雷器对±1 100 kV昌吉-古泉特高压直流输电线路的雷击闪络率的影响,并基于计算结果提出安装无间隙线路避雷器的优化配置原则。

3.1 雷击瞬态过电压波形特性分析

为分析无间隙线路避雷器对雷击瞬态过电压波形的影响,需要考虑雷击输电线路的不同位置,示意图详见图3,将输电线路等效为无限长导线,考虑对称性可仅分析避雷器加装级杆塔单侧不同雷击点位置的影响,即避雷器加装于第N级杆塔。输电线路雷击可分为反击(雷击杆塔塔顶或避雷线)和绕击(雷击导线)。对反击可分析雷击N至N+2级杆塔,甚至更远多级杆塔;对绕击可分析雷击档距A和B,甚至雷击更远级档距。

图3 输电线路不同雷击位置示意图

1)反击过电压波形抑制分析

经计算,线路反击耐雷水平为217 kA,表2和图4所示为300 kA雷电流下雷击第N级杆塔时线路和绝缘子过电压波形。

图4 300 kA雷击第N级杆塔的过电压波形

表2 300 kA雷击第N级杆塔导线和绝缘子过电压

分析可见,雷击第N级杆塔塔顶,第N级极I(正极)处绝缘子发生闪络。这是由于雷电过电压通过杆塔入地,正极侧绝缘子两端过电压为正工作电压叠加正向雷电过电压,而对于负极侧绝缘子两端过电压为二者之差,因此极I(正极)绝缘子先发生闪络。第N级杆塔加装避雷器后,避雷器动作使得雷电过电压经避雷器入地,绝缘子两端过电压幅值显著降低。而对于负极性侧绝缘子,加装线路避雷器后过电压幅值衰减并不大。对于线路上过电压波形,加装避雷器后由于避雷器动作,雷电过电压波尾振荡减缓,约25 μs后导线过电压可恢复到工作电压附近。对于未加装线路避雷器时的导线雷电过电压波形,闪络后的60 μs内过电压尚未降低到正常工作电压水平。

表3和图5所示为300 kA雷电流雷击第N+1级杆塔塔顶时导线、绝缘子雷电过电压幅值和过电压波形。图中可见,未加装线路避雷器时,雷击第N+1级杆塔使得第N+1级杆塔正极侧绝缘子闪络,第N级和第N+2级关于第N+1级对称分布,其导线和绝缘子两端过电压水平相差不多。第N级杆塔加装线路避雷器后,雷击第N+1级杆塔塔顶依旧带来第N+1级正极侧绝缘子闪络。

图5 300 kA雷击第N+1级杆塔的过电压波形

表3 300 kA雷击第N+1级杆塔导线和绝缘子过电压

综上所述,雷电流幅值较大(大于反击耐雷水平),加装线路避雷器能保护加装级杆塔绝缘子不发生闪络,且导线上的雷电过电压可以在更短时间内恢复至正常工作电压水平。当雷击非加装线路避雷器的杆塔时,非加装避雷器的杆塔绝缘子两端过电压超过绝缘子闪络电压,绝缘子闪络。但避雷器降低了加装级杆塔导线的雷电过电压幅值。无论加装线路避雷器与否,雷击非加装级杆塔后导线雷电过电压波形差异不大。

2) 绕击过电压抑制波形分析

计算结果显示,雷击极I(正极)的绕击耐雷水平为52 kA,雷击极II(负极)的绕击耐雷水平为36 kA。对于绕击,需要分别分析雷击极I(正极)导线、雷击极II(负极)导线两种情况。

75 kA雷电流幅值雷电绕击极I(正极)导线不同位置时,过电压波形见图6。分析可见,对于雷击档距A的1号位置,避雷器动作使得过电压经避雷器入地,正极侧导线绝缘子两端过电压从正1 100 kV降低,但未超过绝缘子闪络电压不会发生闪络,对线路绝缘子起到保护作用,此时第N级至第N+1级杆塔正极性导线绝缘子过电压均不高,未发生绝缘闪络。但当雷击点处于档距A的5号位置时,尽管避雷器动作保护住了第N级杆塔的绝缘子,第N+1级杆塔正极侧绝缘子两侧过电压已经超过其闪络电压,N+1级杆塔正极侧绝缘子发生绝缘闪络,负极侧绝缘子不会闪络。此时加装线路避雷器仅对第N级杆塔导线过电压幅值略有降低。当雷击点位于档距B的中央时,该现象更为显著,第N+1级杆塔正极侧绝缘子两端电压超过其闪络电压,发生绕击闪络,而第N级杆塔由于加装了线路避雷器,其过电压得到抑制,但并未对相邻杆塔起到保护作用。

图6 75 kA雷击正极导线档距不同位置过电压波形

75 kA雷电流幅值雷电绕击极II(负极)导线典型位置处的雷电过电压波形见图7。雷击A.1位置时,由于避雷器的动作使得导线过电压得到抑制,负极侧绝缘子受到避雷器保护而不会发生闪络,从波形上,线路避雷器使得负极导线波形波尾变缓。当雷击点逐渐远离第N级杆塔,避雷器抑制作用逐渐降低,雷击点为A.5时,第N+1级杆塔负极侧绝缘子两端电压超过其闪络电压,发生了闪络,正极侧绝缘子未闪络。此时线路避雷器并未对第N+1级杆塔过电压起到抑制作用。该现象当雷击点位于相邻档距时更为显著。

图7 75 kA雷击负极导线档距不同位置过电压波形

综上所述,雷电流幅值较大(大于绕击耐雷水平)情况下,加装避雷器的杆塔,无论雷电绕击极I(正极)或极II(负极)导线,线路和绝缘子两端的雷电过电压幅值得到了显著降低,不会发生闪络,且相邻杆塔的绝缘子两端过电压不超过其闪络电压,未发生闪络。对于未加装避雷器的杆塔,当雷电绕击点远离线路避雷器时,无论雷电绕击极I(正极)或极II(负极)导线,线路和绝缘子两端的雷电过电压幅值均会升高,未加装线路避雷器的杆塔遭受雷击对应极性导线侧的绝缘子发生闪络,且该现象随雷击点距线路避雷器距离的增加而愈加显著。

3.2 避雷器对雷电过电压的保护范围

基于前述章节避雷器对雷电过电压波形的抑制效果,本研究定义避雷器的保护范围是杆塔数,结合耐雷水平,分析避雷器的保护范围。

1)雷电反击时避雷器的保护范围

加装避雷器后反击耐雷水平计算结果如表4所示。加装避雷器后,对于雷电流较低(低于耐雷水平)的情况,线路不会发生雷击闪络,因此保护范围为整条线路。对于雷电流较高(高于耐雷水平)的情况,雷击加装避雷器的杆塔不会发生闪络,但雷击附近未加装避雷器的杆塔会发生绝缘子闪络。因此避雷器的保护范围受雷电流的幅值的影响显著。

表4 加装避雷器后雷击不同杆塔的反击耐雷水平

进一步分析表4可见,当第N级杆塔加装线路避雷器,雷电直击附近第N+1级和第N+2级杆塔,输电线路的反击耐雷水平依旧为217 kA,即避雷器未能起到有效保护,仅能保护加装避雷器的杆塔。

2)雷电绕击时避雷器的保护范围

根据前文所述计算结果,当雷击点距离避雷器加装级杆塔较近时,线路避雷器可对导线雷电过电压有较好的抑制作用;而随雷击点远离加装级杆塔,避雷器对导线雷电过电压的抑制效果逐渐减弱,这表明线路避雷器对导线绕击存在保护范围。图8所示为杆塔加装避雷器后,线路的绕击耐雷水平。图中横轴原点为加装线路避雷器的杆塔所在的位置,黑线表示雷电绕击极I(正极)导线,红线表示雷电绕击极II(负极)导线。分析可见线路避雷器对导线绕击耐雷水平的影响具有距离性,基本可保护加装避雷器级杆塔附近约200 m～250 m范围,±1 100 kV特高压直流输电线路档距一般在500 m,相邻杆塔之间的距离大于避雷器有效保护距离,因此加装避雷器后,临近未加装避雷器的杆塔绕击耐雷水平未见改变,这也表明,雷电绕击下,避雷器的保护范围为一级杆塔,即仅可保护加装避雷器的杆塔。

图8 加装避雷器后绕击耐雷水平

综上所述,加装线路避雷器,对雷电绕、反击仅可保护加装级杆塔,对临近未加装级杆塔无法起到保护作用,即避雷器的保护范围仅为1级杆塔。

3.3 雷击闪络率

基于昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路的参数,计算了线路未加装避雷器时的反击闪络率,计算结果见表5。考虑沿线地形、雷电环境因素,本研究计算可得,昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路的反击闪络率是0.038 次/100 km·年。

表5 反击闪络率

由于绕击闪络率受到地形的影响,本研究计算了昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流线路沿线不同地形(地面倾角)下的绕击闪络率,结果见表6。对于地形陡峭(地面倾角一般大于15°)的线路杆塔,降低地线保护角的方法可以有效降低绕击闪络率。

表6 绕击闪络率

图9所示为不同地面倾角下,最大绕击雷电流和加装避雷器后线路耐雷水平的相互关系,可见对于正极导线而言,加装避雷器后,地面倾角大于15°时,最大绕击雷电流大于耐雷水平,出现绕击闪络。同样的对于负极导线,加装避雷器后,地面倾角大于20°时,最大绕击雷电流大于耐雷水平,出现绕击闪络。

图9 加装线路避雷器绕击耐雷水平和不同地面倾角下最大绕击雷电流相互关系

进一步的,假设线路避雷器可不受限制安装于线路任何位置,以分析线路避雷器对输电线路雷击闪络率的影响,分别计算了避雷器加装次数对反、绕击闪络率的影响。表7为加装避雷器后反击闪络率的计算结果。分析计算结果可知,加装线路避雷器后可显著降低反击闪络率,全线加装避雷器下可将线路反击闪络率降低为理论值0。随着避雷器加装数量的降低,线路反击闪络率逐渐增加。

表7 加装线路避雷器反击闪络率

由于输电线路在地面倾角大于15°情况下绕击现象更为突出,分析了不同地形下加装避雷器的绕击闪络率,如表8所示。值得注意的是,昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流线路沿线地形环境复杂,本研究计算中考虑了平原、丘陵、山地和高山大川。可见加装线路避雷器能够有效降低线路的绕击闪络率,且绕击闪络率随避雷器加装数目的降低而增加。

表8 不同地形下加装避雷器的绕击闪络率

3.4 无间隙线路避雷器的优化配置原则

由于昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路仅加装4组无间隙线路避雷器,因此并不能实现全线任意安装,但加装线路避雷器,确实有效降低了线路的绕/反击闪络率。由于加装线路避雷器仅可保护加装级杆塔绝缘子不发生雷击闪络,笔者认为,若要兼顾雷电防护作用,无间隙线路避雷器在满足操作过电压抑制要求的同时,考虑将无间隙线路避雷器适当调整至输电线路雷电易击段上,即可将线路避雷器的加装级适当安装于地面倾角大于15°的中高雷区、杆塔接地电阻较大的杆塔上,结合降低地线保护角的方法,起到最优的雷击防护作用。

4 结论

±1 100 kV特高压直流输电线路应用无间隙线路避雷器不仅可以抑制操作过电压,也可兼顾雷电防护。本研究计算分析了无间隙线路避雷器导线雷击瞬态过电压特性及其抑制效果,获取的主要结论如下:

1)无论雷电绕、反击,无间隙线路避雷器对雷电过电压幅值和波形均存在抑制作用。无间隙线路避雷器提高了加装级杆塔的绕、反击耐雷水平,但无间隙线路避雷器的保护范围仅为一级加装了避雷器的杆塔,无法对未加装避雷器的杆塔起到保护。

2)昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路反击闪络率为0.038 次/100 km·年,全线-8°地线保护角下绕击闪络率为0.143 次/100 km·年。加装线路避雷器后,输电线路的反/绕击闪络率显著降低,随避雷器安装数目的降低,闪络率增加。

3)提出了无间隙线路避雷器的优化配置原则。昌吉-古泉±1 100 kV特高压直流输电线路无间隙线路避雷器,在满足操作过电压抑制要求的前提下,可考虑安装于输电线路雷电易击段上,即适当调整至位于地面倾角大于15°的中高雷区、接地电阻较大的杆塔上。