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1、5 0 0 k V 线路型避雷器 雷电反击性能的研究 长春供 电公司检修 试验 工区 王饮钦 电工文摘 技术交流 雷击输电线路是造成跳闸事故的主要原因，因此 ，研究安装避雷器后5 0 0 k V输电线路的耐雷性能具有重要的科学意 亡 程价值。为求解装有避雷器的5 0 0 k V输电线路反击耐雷水平，本文基于杆塔的多波阻抗模型 ，根据求解分布参数线 t 程的B e r g e r o n 特征线法和求解开关电路的补偿法，建立了装有避雷器的输电线路防雷计算模型，并编写了相应的程 量 立的装有避雷器的5 0 0 k V 输电线路防雷计算模型 ，真实地反映雷电流在杆塔上的传播过程，进而确定装有避冒器时
2、 毫 路的反击耐雷水平。通过大量的模拟计算，得出各种因素对安装避雷器时5 0 0 k V输电线路耐冒水平的影响。 可 ：输电线路 避雷器 反击 耐雷水平 雪击是造成线路跳闸停 电事故的主要原因，电力系 牧中由于雷击引起的跳 闸一般占4 0 7 0 l 1 。线 雪器是一种线路防雷装置，它能有效地防止雷电直 电线路所引起的故障和雷 电绕击输电线路所引起的 当输 电线路杆塔遭受雷直击时 ，。 一 部分雷电流从 发传入相邻杆塔 ，一部分雷电流经杆塔塔体入地 。 线路避雷器与被保护的绝缘子串并联 ，当避雷器 埘，大部分雷 电流就经过避雷器泄放到导线 ，然后 戋传播到相邻 的杆塔 。雷 电流在流经避雷线
3、和导线 时 ，由于线间的电磁感应作用，将分别在导线和避雷线 上产生耦合分量。此分量的作用将使导线的电位提高 ， 使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压 ， 绝缘子 串就不会因两端电压差过高而发生闪络 ，线路避 雷器具有很好的钳制电位作用 。 1反击问题以及现有 行标 所存在的问题： 中华人民共和国电力行业标准DL T 6 2 0 - 1 9 9 7 交流 电气装置的过电压和绝缘配合 ( 以下简称 行标 ) 是目前国内线路防雷的设计准则。在雷击杆塔 、 避雷线 、 导线情况下 ， 行标中给出了计算杆塔节点电位 、导线 感应电压等计算公式 ，该公式的优点是物理概念清晰 ，使 用方便，但与实
4、际运行经验严重不符，存在下述缺点： 行标 推荐的计算方法是将杆塔简单视为一等值电 感的方式来计算，损失了其精确性 ，同时无法确定雷击杆 塔时杆塔上各节点的电位随时间变化的过程。 行标 规 定雷击塔顶的感应过电压计算公式，计算出来的感应过电 压远远大于实际的感应过电压。 行标所用计算方法是 前苏联半个世纪以前的研究成果 ，是在电压等级较低 、线 路高度较低的条件下得到的，已落后于时代。该计算尤其 不适合高杆塔。 DGWZ 2 01 4 0 1 ， 51 电工文摘 技术交流 2建模与计算原理 本文应用求解分布参数线路波过程的B e r g e r o n 特征线 法，结合相交法的绝缘闪络判据进行计
5、算。 2 1 B r e g e r o n 等值电路 Be r g e r o n 特征线计算方法是利用线路上波过程的特征 线方程 ，经过一定的转换 ，把分布参数的线段等值为电阻 性网络 ，再运用求解电阻性网络的通用方法计算整个网络 的暂态过程 5 - 6 1 ，单相无损线的波过程计算的等值电路 ， 设一线路两端节点分别 为k 和n，其电压，电流为u ( t ) 、 h n ( t ) 、Un ( t ) 、I n k ( t ) ，如图2 - 1 ( a ) 所示 ： k k u ( B )线路 原型 t ro t ) )卑相无摄线姣=畦程计算辱僵 电路 图2 - 1单相无损线B e r
6、g e r o n 等值电路 如观测者在时刻 ( 传播时间 ，r ： l v ) 时从节点k 出 发 ，在时间t 到达节点n ，则有下式 u K t f ) +z k( f f ) = D+ 卜 ( f ) 】( 2 - 1 ) 上式可改写为： f ( f ) =U ( t ) z + ( f f ) ( 2 - 2 ) j ( r f ) =- U r ) z ( f f )( 2 3 ) 同理可得 ： f h( f ) = ( t ) z + Of ) ( 2 - 4 ) ( f f ) =一 U 一r ) z -i r ) ( 2 - 5 ) 在过电压计算中常不需知道导线上的电流i 和i
7、 k 可用 等效电流源I 和I n 的递推公式 即： 厶 f ) =一 2 U ( t r ) z 一厶( f 一 2 r ) ( 2 6 ) 厶( f f ) =- 2 U K t f ) z 一 f 一2 f ) ( 2 7 ) 其中，、为n 、k 点时刻的电压，即电压的历史记录 值，、也是n 、k 点时刻以前的电流源历史记录值。 2 2杆塔模型 本文采用的杆塔模型如图2 2 所示，每支横担用一条 分布参数线段等值，横担波阻抗分别为z 1 、Z m；每段塔 身波阻抗也用两端并联的分布参数线段等值，分别为z T 1 、 Zr 2 、ZT 3( 等效支撑塔体 的四根主干 )；Z L 1 、z
8、L 2 、Z L 3 ( 等效四根支柱之间的支架 )；Rc h 为杆塔的冲击接地电 阻 。 图2 2杆塔的计算模型 横担波阻抗Z A 由下式计算： Z A k - 6 0 1 n 2 h , ( 七：l ， 2 ) ( 2 9 ) ，m 其中 ( k = l ， 2 ) 为横担高度，为横担的等值半径，可取 为横担与塔柱连接处半径的二分之一。 分布支架的线段长度取为1 5 倍的立柱长度 ，反映电流 波在支架中的传播时延。除波阻抗外，雷电流波在杆塔中 的传播速度是另一个重要参数。由于横担和支架的存在 ， 雷电波沿杆塔纵向的视在传播速度小于光速。可是因为在 杆塔模型中已考虑了横担和支架线段，所以计算
9、中仍取光 速作为雷电波在杆塔中的传播速度。 图2 3杆塔结构标注图 当雷电流经过杆塔时，杆塔本身要消耗一部分能量 ， 为简化问题所见，本文计算假定杆塔为无损分布参数线 段。主干波阻抗z x 如下估算 ： z , - 6o(h I袅 _ 2) (J = l，2 ，3) r , k = = l ， 2 ， 3 ) ( 2 - 1 1 ) =唛 = 4 ) ( 2 - 1 2 ) = =1 , 2 ， 3 ) ( 2 。 1 3 ) R =R 聃1 1 3 2 ( 七 =4 ) ( 2 1 4 ) 式中r e k 为单根立柱的等值半径，R 为立柱间的等值 距离，h k 、r l K 、RT K 、r
10、 B 、r B 、R L B 、RB 意义如图2 3 所示。 支柱间的等值波阻抗Z L K 有下式估算： z =9 Z ( 七=1 , 2 ， 3 ) ( 2 1 5 ) 2 3避雷器的计算模型 本文为模拟避雷器的保护特性 ，将避雷器支路等效为 压控非线性 电阻支路，即压控开关k 与非线性电阻Rz n o 的 串联。如图2 4 所示 ： 3 安装避冒器时5 0 0 k V 线路反击耐雷性能程 序的计算结果与分析 为研究安装避雷器后5 0 0 k V 输电线路反击耐雷性能 ， 本文针对典型5 0 0 k V 线路杆塔，根据前面所述的模型与计 算方法，编写了计算程序。程序用Vi s u a l B
11、 a s i c语言编写， 可以计算遭受雷击时无避雷器 、仅一相安装避雷器、两相 安装避雷器、三相各安装一支避雷器时线路的耐雷水平。 U a b 电工文摘 技术交流 a o一 一 E 一b 非缝性电阻R z n 。 图2 4避臂器的等效模型 3 1验证模型 验证所用算例采用典型的5 0 0 k V线路杆塔结构参数， 档距取4 0 0 m，导线型号为4L G J - 4 0 0 3 5 ，分裂间距为 4 5 0 mm，导线弧垂为1 2 7 4 m，避雷线为G _J 一 7 0 的镀锌钢 绞线 ，弧垂为1 1 5 m。年雷电日4 0 d ，计算步长取， 雷电流 1 0 0 k A，波速取，波头长，
12、 雷击点距I I 号杆塔2 0 m，半峰值时 间 ，杆塔尺寸见图3 5 ，杆塔参数 、导线和避雷线坐标如 表3 1 、表3 2 所示。 裹3 1算例用杆塔档距参数 名称 长度 ( m) 波阻抗或 电阻( Q) 避雷线横担 9 7 1 6 0 导线横担 1 0 1 6 0 主干上段 4 5 1 4 0 主干中段 2 2 7 2 8 0 主干下段 3 6 1 4 0 支架上段 6 7 1 2 6 0 支架中段 3 4 1 2 5 2 0 支架下段 5 4 1 2 6 0 绝缘子 串绝缘强度 采用XP 一 3 0 0 绝缘 子 ( 单 片高 1 9 5 mm)， 其伏秒特性见表3 - 3 ， 表中时
13、的放电电压近似为 5 0 放电电压 。 本文计算采 用的避 雷器参数取 自 曰本三 菱公 司的 5 0 0 k V 有间隙避雷器 ，其主要参数见表3 4 、3 - 5 。 表3 2算倒用导线、避雷线参数 名称 x坐标( m) Y坐标( m) 直径( 删m ) 弧垂( mm) 左避雷线 一9 7 6 3 2 1 1 1 1 5 右避雷线 9 7 6 3 2 1 1 1 1 5 左导线 1 0 5 8 2 2 1 6 1 2 7 4 中导线 0 5 8 2 2 1 6 1 2 7 4 右导线 1 O 5 8 2 2 1 6 1 2 7 4 注：为简单起见，本算例 导线采用单根导线 表3 3 XP
14、一 3 0 0 绝缘子串雷电冲击伏秒特性 片数 Hs 2 3 4 5 7 1 0 1 4 23 v一( k V) 3 7 1 0 6 3 2 9 9 2 3 0 3 2 7 2 8 8 9 5 2 7 0 6 8 2 5 3 3 7 2 4 3 4 0 26 V一( k V) 4 1 6 7 4 3 6 9 4 1 3 3 6 6 7 3 1 8 4 4 2 9 7 4 9 2 8 1 2 2 2 6 8 9 9 口D 口 n只 c n l 圈4 1线路耐雷水平与杆塔冲击接地电阻的关系 著，提高了1 4 0 k A，雷击跳闸率也变得很小。同时 ，从计 算结果中可以看出，避雷器安装位置对线路的耐
15、雷水平也 有影响。所以本文建议在实际工程中，当安装二支避雷器 时将其安装在中相；安装两支避雷器时装在两个边相。 从计算结果可以看出，没有安装避雷器时 ，5 0 0 k V 输 电线路在杆塔冲击接地电阻较大的地区，线路的耐雷水平 都比较低 ，如果杆塔冲击接地电阻大于4 0 ，输电线路的耐 雷水平在9 8 k A以下。 由图4 1 可见 ，安装避雷器后，线路耐雷水平对接地 电阻的变化不再敏感。这是因为R 直接决定了雷击杆塔塔 顶电位的高低 ， 线路避雷器使塔顶电位与导线电位接近 ， 接近的精度与R 无关。当接地电阻值增大时 ，线路耐雷 水平减小的趋势变缓。当接地电阻从1 0 上升到2 0 ，无线路 避雷器时，线路耐雷水平下降了3 1 2 k A，减小了2 0 7 ；三 相各安装一支避雷器时 ，耐雷水平下降了2 7 9 k A，减小了 9 7 ，当接地电阻从2 0 上升 lj 3
