王櫟浩 華北電力大學(xué) 北京 102206

同塔雙回輸電線路不平衡絕緣防雷特性研究

王櫟浩 華北電力大學(xué) 北京 102206

不平衡絕緣方式是同塔雙回線路一種特殊的防雷措施，采用ATP研究輸電線路雷電反擊，選擇相交法作為絕緣子串閃絡(luò)判據(jù)，搭建了220kV同塔雙回輸電線路的雷電反擊模型并進(jìn)行計算，得出了不平衡絕緣方式能有效提高雙回線路耐雷水平，降低雙回同時跳閘率的結(jié)論，同時研究了線路最優(yōu)的絕緣不平衡度，220kV同塔雙回輸電線路絕緣不平衡度的選擇和線路雷擊情況以及絕緣強(qiáng)度有關(guān)，一般取15%到25%。

220kV；同塔雙回；雷電反擊；不平衡絕緣；耐雷水平

0　引言

近年來，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)不斷完善，電網(wǎng)負(fù)荷不斷增加。為了適應(yīng)負(fù)載容量增大的需要，電網(wǎng)傳輸能力必須提高，所以同塔雙回輸電線路以其優(yōu)異的傳輸性能而得到大規(guī)模建設(shè)，特別是大城市等輸電走廊緊張的地區(qū)。同時，為了保證絕緣，雙回線路桿塔高度增加，造成桿塔電感大，感應(yīng)過電壓值較大。雷擊情況下，較大的雷電流可能導(dǎo)致雙回線路同時跳閘，給電力系統(tǒng)造成非常大的損失。

隨著電網(wǎng)桿塔高度增加，發(fā)展了多種多樣的防雷保護(hù)措施，如增設(shè)耦合地線，架設(shè)避雷線，安裝避雷針等。在已有的各種措施中，無法解決雙回同跳問題，所以不平衡絕緣方式應(yīng)運而生，即兩回線路的絕緣水平不一致，根據(jù)絕緣水平高低分為高絕緣側(cè)和低絕緣側(cè)。雷擊桿塔時，低絕緣側(cè)絕緣子先達(dá)到擊穿電壓而發(fā)生閃絡(luò)，從而相當(dāng)于地線分流雷電流，提高絕緣側(cè)線路耐雷水平。自1999年6月份開始，珠海供電分公司在部分110kV線路上一側(cè)增加了2片絕緣子，形成了不平衡絕緣?？傞L531743km的7回線路完整運行了3個雷雨季，到2002年底，觀察其運行情況，發(fā)現(xiàn)保護(hù)效果顯著。其比例由68%降低到11.18%，因此不平衡絕緣方式下，同塔雙回線路同時跳閘率降低。

1　雷電反擊計算方法

輸電系統(tǒng)中，對線路絕緣保護(hù)產(chǎn)生危害的雷電根據(jù)是否直接擊在線路上，分為直擊雷和感應(yīng)雷。其中直擊雷包括反擊雷和繞擊雷。反擊容易造成雙回線路同時跳閘，所以不平衡絕緣旨在提高輸電線路反擊耐雷水平。在研究雷電反擊時，第一步是確定反擊計算方法，第二步是確定絕緣子串閃絡(luò)判據(jù)。

計算反擊跳閘率主要有：行波法、規(guī)程法、Monte Carlo法、故障樹法、EMTP/ ATP法等。行波法也可以稱為貝杰龍法，用各個分布參數(shù)線路段來等效桿塔，用集中參數(shù)模型來模擬各線路段，得到絕緣子串兩端的電壓，將此電壓曲線和伏秒特性進(jìn)行比較判斷。規(guī)程法是根據(jù)DL/T 620—1997中的公式，計算反擊耐雷水平。 Monte Carlo法依據(jù)統(tǒng)計原理。故障樹法根據(jù)線路發(fā)生故障這個結(jié)果命題，即雷擊線路發(fā)生跳閘事故，列出一系列故障分支，這些故障分支代表著發(fā)生故障的原因和過程，根據(jù)故障分支，得到結(jié)果命題。EMTP-ATP法即借助于ATP軟件，為了分析雷擊跳閘，在軟件中搭建輸電系統(tǒng)模型，包括線路模型，桿塔模型，雷電流模型，絕緣子串模型等，根據(jù)線路實際情況設(shè)置模型參數(shù)，然后在桿塔上注入雷電流來模擬雷擊情況。本文選擇ATP法進(jìn)行計算。

在計算輸電線路耐雷水平和跳閘率的過程中，如何判斷發(fā)生擊穿閃絡(luò)是至關(guān)重要的。經(jīng)過對絕緣子串擊穿的研究，將閃絡(luò)判據(jù)根據(jù)分析方法的不同分為兩類。規(guī)程法和相交法只關(guān)注發(fā)生擊穿這個結(jié)論，通過比較電壓值大小或者電壓波形來判斷。電壓積分法和先導(dǎo)法分析擊穿的產(chǎn)生原因和物理過程，更加具體詳細(xì)，也更加復(fù)雜。本文采用相交法判斷絕緣子串閃絡(luò)。

相交法通過比較絕緣子串上過電壓曲線與伏秒特性曲線是否相交來判斷絕緣是否發(fā)生閃絡(luò)。首先通過實驗得到伏秒特性曲線，然后計算絕緣上過電壓隨時間的變化。

相交法首先要確定伏秒特性曲線。絕緣子伏秒特性通過電壓升降法得到，改變電壓作用時間，得到一系列擊穿電壓點，其中所施加電壓都是由標(biāo)準(zhǔn)雷電波產(chǎn)生的，擊穿電壓值之所以受電壓所用時間的影響是因為沖擊電壓較短時存在放電延遲現(xiàn)象。

相交法在輸電線路防雷計算中應(yīng)用最廣泛，因為它概念清晰，過程明確，能夠較準(zhǔn)確的模擬實際情況，在工程設(shè)計中應(yīng)用較方便。并且考慮了擊穿電壓的時間效應(yīng)，更加合理。

2　不平衡絕緣的仿真計算

ATP法分析輸電線路不平衡絕緣方式的防雷效果，即在ATP軟件中搭建輸電線路模型，通過設(shè)置雙回線路不同的絕緣水平，得到不平衡絕緣線路的耐雷水平。本文以一個220kV的同塔雙回線路為例進(jìn)行分析。

2.1輸電系統(tǒng)仿真模型

同塔雙回輸電線路雷電反擊模型主要包括雷電流模型，桿塔模型，輸電線路模型和絕緣子串閃絡(luò)模型。

標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波其波頭部分可用雙指數(shù)函數(shù)表示：

實測結(jié)果表明：波頭時間T1在1～4us范圍內(nèi)，平均在2.6us左右，波長時間在40us左右。

ATP中雷電流仿真模型如圖1所示：

圖1　雷電流模型

考慮到桿塔模型參數(shù)獲取和復(fù)雜程度，本文采用單波阻抗模型，如圖2所示。各部分的波阻抗取值100Ω，波速為0.7倍的光速。

圖2　桿塔模型

在本文仿真中，使用J.Marti模型來模擬輸電線路， J.Marti模型采用三條導(dǎo)線兩條地線具有頻率特性的架空線模型來模擬線路，直觀地用參數(shù)表示架空線內(nèi)徑、外徑、水平和垂直位置、相角等各種關(guān)系。該模型直接計算了導(dǎo)線與地線間的耦合系數(shù)，則在絕緣子閃絡(luò)過程中，我們就無需考慮各導(dǎo)線之間的耦合電壓問題，因此提高了計算精度。

本文模型中，兩回線路絕緣子均使用型號為LXHP4-70的單聯(lián)懸垂串，單片爬電比距為455cm。 220kV線路標(biāo)準(zhǔn)取15片，爬電比距為3.1cm/kV，每片長度為120mm。

通過TACS和DEV52#，64#，來模擬絕緣子串，如圖3所示。

圖3　絕緣子串閃絡(luò)模型

根據(jù)上述各部分模型，得到220kV同塔雙回輸電線路的不平衡絕緣整體模型。

2.2不平衡絕緣的計算結(jié)果

根據(jù)搭建的模型，研究不平衡絕緣方式在220kV中的應(yīng)用效果。桿塔沖擊接地電阻設(shè)為歐姆10，導(dǎo)線相序為ABC-CAB排列，雙回線路絕緣子分別為15和18片時，加載不同的雷電流大小，得到絕緣子串閃絡(luò)如圖4所示。線路單回和雙回耐雷水平分別為106kA和160kA。

不平衡絕緣方式的單相到四相耐雷水平均比平衡低絕緣方式高，這是增加了絕緣子片數(shù)的緣故。一般而言，輸電線路整體的絕緣子片數(shù)增加，線路耐雷水平提高；不平衡絕緣方式和平衡高絕緣方式相比，單相，三相，四相耐雷水平均降低，但兩相耐雷水平卻提高了。這是因為不平衡絕緣方式以犧牲一回線路閃絡(luò)為代價，提高了另一回線路耐雷水平。不平衡絕緣方式兩相閃絡(luò)均發(fā)生在低絕緣側(cè)，平衡絕緣方式兩相閃絡(luò)發(fā)生在雙回線路中。

為更清楚直觀的研究，圖6比較了各絕緣方式下線路單回和雙回耐雷水平。

圖4　不平衡絕緣方式下絕緣子串閃絡(luò)

圖5　各絕緣方式下線路耐雷水平比較

平衡低絕緣方式下，由于其總的絕緣子片數(shù)最小，其耐雷水平均低于其他兩種絕緣方式。平衡高絕緣，其總的絕緣子片數(shù)最多，所以其單回耐雷水平均高于其他兩種絕緣方式。但雙回耐雷水平低于不平衡絕緣方式。三種方式下，不平衡絕緣的雙回耐雷水平最高，達(dá)到了160 kA，相比于平衡低絕緣提高了43kA，甚至超過了平衡高絕緣的雙回同跳耐雷水平134 kA，效果顯著，降低了線路造價和成本，更經(jīng)濟(jì)高效。

3　最優(yōu)絕緣不平衡度的確定

在不平衡絕緣方式下，為了達(dá)到顯著的雙回線路防同跳效果，必須確定兩回線路之間適宜的絕緣不平衡度。絕緣不平衡度太小不能有效避免雙回線路同時跳閘；太大則塔頭間隙過大，同時線路總的雷擊跳閘率會增加。線路最佳絕緣不平衡度的確定與電壓等級和線路具體情況有關(guān)， 220kV線路一般取15片。所以本文在研究絕緣不平衡度的過程中首先取低絕緣側(cè)絕緣子片數(shù)為15片不變，高絕緣側(cè)的絕緣子片數(shù)由15片上升到20片，線路耐雷水平如圖6所示。

圖6　不同絕緣不平衡度下耐雷水平

高絕緣側(cè)絕緣子片數(shù)增加，絕緣不平衡度增加。單相耐雷水平基本上不改變，維持在106kA。因為單相閃絡(luò)只發(fā)生在低絕緣側(cè)的相中，只與低絕緣側(cè)絕緣水平有關(guān)，高絕緣側(cè)的絕緣水平變化對其不產(chǎn)生影響。

對于兩相閃絡(luò)而言，絕緣差距較小時，第二相閃絡(luò)通常出現(xiàn)在高絕緣側(cè)。因而隨著絕緣不平衡度增加，其兩相耐雷水平增加。但當(dāng)其高絕緣側(cè)絕緣子達(dá)到18片時，兩相閃絡(luò)的耐雷水平維持在 151kA左右，不再增加。此時線路兩側(cè)絕緣水平相差3片，絕緣不平衡度為20%。當(dāng)絕緣水平差較大時，第二相閃絡(luò)從高絕緣側(cè)轉(zhuǎn)移到低絕緣側(cè)，導(dǎo)致高絕緣側(cè)絕緣子片數(shù)不再影響兩相閃絡(luò)耐雷水平，一直保持在151kA。

三相和四相耐雷水平基本上隨著高絕緣側(cè)絕緣子片數(shù)的增加一直增加，因為三相和四相閃絡(luò)發(fā)生在兩回線路中，其耐雷水平與兩回線路的絕緣強(qiáng)度都有關(guān)系，任意一回線路絕緣子片數(shù)增加都會導(dǎo)致耐雷水平的提高。

在地形平坦，雷暴日較少，土壤電阻率較低的地區(qū)，輸電線路絕緣子串兩端的過電壓較小。因而絕緣子片數(shù)的選擇有所不同，整體運行工況好的地區(qū)的線路絕緣子片數(shù)可以根據(jù)實際情況取較15片稍低。為了研究當(dāng)?shù)徒^緣側(cè)的絕緣子片數(shù)改變后，不平衡絕緣方式下絕緣不平衡度的選擇是否變化。本文改變低絕緣側(cè)的絕緣子片數(shù)，取12片，計算不同絕緣不平衡度下各相耐雷水平的變化情況，如圖7所示。

圖7　低絕緣側(cè)12片下絕緣不平衡度的研究

改變低絕緣側(cè)絕緣子片數(shù)后，單相至四相耐雷水平變化趨勢是不變的。單相閃絡(luò)只發(fā)生在一回線路中，所以其耐雷水平和高絕緣側(cè)的絕緣子片數(shù)無關(guān)，一直保持82kA不變；兩相耐雷水平，在兩回線路絕緣子片數(shù)相差不大時隨著絕緣不平衡度增加而升高，當(dāng)高絕緣側(cè)絕緣子片數(shù)達(dá)到14片后，其不再增加。因為此時兩相閃絡(luò)都發(fā)生在低絕緣側(cè)，和高絕緣側(cè)的絕緣水平無關(guān)，此時絕緣不平衡度為16.7%；三相和四相耐雷水平隨著高絕緣側(cè)絕緣子片數(shù)的增加一直升高，和低絕緣側(cè)絕緣子片數(shù)為15片變化相同。所以，當(dāng)輸電線路低絕緣側(cè)的絕緣子片數(shù)即線路整體絕緣強(qiáng)度變化時，絕緣不平衡度的選取稍有差別，但差別不大。

綜上所述， 220kV同塔雙回輸電線路絕緣不平衡度的選擇和線路雷擊情況以及絕緣強(qiáng)度有關(guān)，一般取15%到25%，即雙回線路兩側(cè)絕緣子相差2-3片。

4　結(jié)論

本文通過在ATP中搭建220kV同塔雙回輸電線路不平衡絕緣方式下的雷電反擊模型，對不平衡絕緣的相關(guān)問題進(jìn)行了理論和仿真研究，得出以下結(jié)論：

（1）不平衡絕緣方式通過設(shè)計適當(dāng)?shù)慕^緣不平衡度，可將第二相閃絡(luò)從高絕緣側(cè)轉(zhuǎn)移到低絕緣側(cè)，從而鎖定兩相故障在一回線路中，提高雙回線路耐雷水平，有效避免兩相閃絡(luò)造成的雙回同時跳閘事故。

（2）不平衡絕緣方式下，其耐雷水平不僅高于低絕緣方式，且較高絕緣方式也有所提高，所以采用不平衡絕緣能降低雙回同跳率，同時節(jié)約了絕緣子片數(shù)，降低線路造價，更經(jīng)濟(jì)高效。

（3）雙回線路絕緣不平衡度的選擇需要適中，太小難以起到避免雙回線路同跳的作用，太大則塔頭間隙過大，同時線路雷擊跳閘率提高。 220kV同塔雙回輸電線路絕緣不平衡度的選擇和線路雷擊情況以及絕緣強(qiáng)度有關(guān)，一般取15%到25%，即雙回線路兩側(cè)絕緣子相差2-3片。

［1］ 魯鐵成. 電力系統(tǒng)過電壓［M］. 中國水利水電出版社，2009.

［2］ 張志勁. 500kV 同桿雙回輸電線路耐雷性能研究［D］. 重慶，重慶大學(xué)， 2002.

［3］ 沈志恒， 鄧旭， 周浩， 等. 不平衡絕緣在 220kV 和 110kV 同塔雙回線路中的應(yīng)用［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2013， 37（3）： 765-772.

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