山区110 kV线路防雷电过电压影响因素的仿真分析

陈萧霖， 郝捷， 武娜

(1国网江苏省电力公司检修分公司，江苏 南京　210000；2国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原　030001)

0　引　言

统计表明，地处山区的输电线路由于其特殊的地理位置极易发生跳闸或断线事故。本文针对山西某实际线路(全长24.5千米、杆塔70基)进行仿真分析，通过改变线路接地电阻、绝缘水平以及避雷器安装等防雷因素，对山区110 kV线路的防雷设计提供参考。实测表明，该线路6#、7#杆塔跳闸率较高，因此本文以6#、7#及其相邻杆塔作为雷击点进行仿真，部分仿真模型如图1所示[1-2]。

图1　接地电阻对防雷水平的影响仿真模型截图

1　山区输电线路方雷电侵入波的影响因素

1.1　接地电阻对山区输电线路的影响

实测表明，该线路各基杆塔接地电阻值在5 Ω～30 Ω之间，为分析接地电阻对山区输电线路防雷水平的影响，本文考虑最理想情况与最恶劣情况，即将该线路所有杆塔的接地电阻分别设定为5 Ω和30 Ω进行仿真[3-4]。当60 kA雷电流击中6#杆塔时，6#杆塔及相邻4#～9#杆塔接地电阻分别为5 Ω和30 Ω时绝缘子电压波形如图2(a)和图2(b)所示。

从图2可以看出，当6#杆塔遭受雷击时其绝缘子电压急剧升高。但接地电阻为5 Ω时，绝缘子电压并未达到绝缘子串的闪络电压。而接地电阻为30 Ω时，除6#杆塔外，与6#杆塔相邻的多基杆塔的绝缘子电压均达到闪络电压，使绝缘子发生闪络，且未闪络杆塔绝缘子电压也明显升高。

图2　接地电阻分别为30 Ω和5 Ω时绝缘子串两端电压波形图

此外，6#杆塔遭受雷击时，5#和7#杆塔绝缘子电压也会因接地电阻的改变而改变，当杆塔接地电阻分别为5 Ω和30 Ω时，7#杆塔绝缘子电压波形对比如图3所示。可以看出，接地电阻的增大也会造成7#杆塔绝缘子闪络。因此，部分杆塔即使未直接遭受雷击，也会发生绝缘子闪络。

图3　接地电阻分别为5 Ω和30 Ω时5#及7#杆塔绝缘子串两端电压波形图

图4　接地电阻为5 Ω和30 Ω时分别流向5#及7#杆塔电流波形对比图

造成这种现象的原因是当6#杆塔遭受雷击时，杆塔接地电阻为30 Ω时流向5#和7#杆塔的电流要远大于接地电阻为5 Ω时的电流，从而导致绝缘子串两端电压也高，电流波形图如图4所示。这是因为6#杆塔上的绝缘子闪络后，雷电流被引入输电线路并流向相邻杆塔，此时雷电流作用于相邻杆塔绝缘子一端，而杆塔的防雷水平由其绝缘水平决定，即会在相邻杆塔寻一较为薄弱的地方泄放。由于该线路7#杆塔绝缘水平较低，而流到7#杆塔的雷电流大于其耐雷水平，因此7#杆塔绝缘子发生闪络。

接地电阻是反映山区输电线路防雷效果重要因素。因此在各条山区输电线路中各基杆塔接地电阻应越小越好，而非仅降低易击杆塔的接地电阻。

1.2　绝缘水平对防雷系统的影响

架空线路常用的绝缘子包括复合型绝缘子、玻璃绝缘子及瓷质绝缘子。同一条线路的绝缘水平在符合防雷标准的基础上，应作均衡配置。文献[5]中规定不同电压等级线路绝缘子每串最少片数，如表1所示。

表1　不同电压等级的线路绝缘子串片数要求

(1)同条线路绝缘水平高低不齐时对防雷水平的影响

本文仿真的实际线路由于杆塔类型的不同，其绝缘配置也不同。部分线路段绝缘水平较低，导致其成为线路薄弱点。以雷击6#杆塔为例，6#杆塔采用10片FC-100/146型玻璃绝缘子，其单片结构高度为146 mm，单片最小击穿电压为130 kV，冲击耐受电压为125 kV，则10片该型号绝缘子串接在一起后，绝缘子的50%闪络电压为：

与6#杆塔相邻的7#杆塔绝缘子采用FXBW(N)-110/100型复合绝缘子，其绝缘子50%闪络电压为550 kV，因此7#杆塔的绝缘水平明显低于6#杆塔。实际情况中，由于6#杆塔绝缘水平较高，因此6#杆塔耐雷水平较高。使用60 kA雷电流击中6#杆塔，6#和7#杆塔绝缘子电压如图5所示。

图5　7#绝缘较低时6#和7#绝缘子两端电压波形图

图6　提高7#绝缘后6#和7#绝缘子两端电压波形图

图7　提高7#绝缘前后7#塔顶电流波形对比图

由图5可知，雷击6#杆塔时6#杆塔绝缘子并未闪络，但与其相邻的7#杆塔绝缘子发生闪络，此时6#的塔的耐雷水平已不是由其自身的绝缘子闪络情况决定，而是由其相邻的绝缘较低杆塔决定。若同时加强7#杆塔绝缘水平，将其绝缘子改成9～10片FC-100/146型玻璃绝缘子，使用60 kA雷电流击中6#杆塔，6#和7#杆塔绝缘子电压波形如图6所示。此时6#和7#杆塔绝缘子均未闪络，即杆塔上的绝缘水平作无差别配置且满足标准要求时，可有效提高整个系统的防雷水平。

造成这种现象的原因是当7#杆塔绝缘水平较低时，7#杆塔承受雷电流很高，且接地电阻高导致电流不能泄放致其绝缘子发生闪络。图7为提高7#杆塔绝缘前后7#杆塔承受雷电流波形图。此外，若降低7#杆塔的接地电阻，也将会更有效的减少绝缘子闪络的概率，因此，在实际的工程应用中，应做好措施的配合优化，在增强绝缘同时做好降阻的工作。

1.2.2 专家访谈法 根据本课题研究内容，于2018年3月至6月访谈北京大学校选修课的授课教师与北京体育大学体育舞蹈教研室2位副教授（表1），获得上课的内容、学时分配、负荷量等相关信息。

(2)同条线路绝缘配置相同但均较低对防雷水平的影响

山区110 kV线路杆塔绝缘子最少应为7片。若整条线路均挂接7片FC-100/146型玻璃绝缘子，则绝缘子串的50%闪络电压为：

图8　全线采用7片绝缘子雷击后绝缘子两端电压波形图

以雷击6#杆塔为例，使用50 kA雷电流击中6#杆塔，6#杆塔及其相邻5#和7#杆塔的绝缘子电压波形如图8所示。从图8可以看出，仅6#杆塔绝缘子发生了闪络，而5#和7#杆塔绝缘子未闪络。

若全线采用FXBW(N)-110/100型复合绝缘子，其50%闪络电压为550 kV，使用50 kA雷电流击中6#杆塔，6#杆塔及其相邻的5#和7#杆塔上的绝缘子电压波形如图9所示。从图9可以看出三基杆塔绝缘子均发生闪络，即在整条线路绝缘水平较低时，雷击某基杆塔不仅会造成本基杆塔绝缘子闪络，也可能会造成其相邻杆塔的绝缘子闪络。

图9　全线采用复合型绝缘子电压波形图

若全线加强绝缘，每基杆塔配置9片FC-100/146型玻璃绝缘子，则绝缘子串的50%闪络电压为：

使用50 kA雷电流击中6#杆塔，得到5#～7#杆塔绝缘子电压波形如图10所示，此时所有绝缘子均未闪络，线路在遭受雷击后可以安全运行。

图10　全线采用9片绝缘子电压波形图

通过仿真分析可知，保持线路均衡绝缘水平时应加强其整体的绝缘能力，否则当某基杆塔遭受雷击时不仅会造成本基杆塔的绝缘子闪络，还会影响相邻塔，造成事故扩大。由于本节杆塔接地电阻统一设置为30 Ω，因此杆塔防雷水平较差。实际工程应用中，应先降低杆塔接地电阻，再考虑全线绝缘情况，以此避免接地电阻过高使增强绝缘失效的情况发生。

1.3　避雷器对防雷系统的影响

图11　雷击安装线路避雷器的7#杆塔后5#～9#杆塔绝缘串两端电压波形图

图12　增强9#绝缘后4#～10#杆塔绝缘串两端电压波形图

由图11可知，虽然7#杆塔绝缘子未闪络，但相隔甚远的9#杆塔绝缘子却发生了闪络，而距其相对较近的6#和8#均未闪络。这是因为该线路9#杆塔采用复合型绝缘子，绝缘水平相对较低。加装线路避雷器后，7#杆塔承受的雷电流释放到输电线路中并向相邻杆塔线路流动，并在线路中寻找薄弱点释放且渐渐削减。由于9#杆塔绝缘子闪络，7#杆塔加装线路避雷器后的耐雷水平仍未达到75 kA。为提高7#杆塔的耐雷水平至75 kA，可以加强9#杆塔的绝缘水平，使用75 kA雷电流击中7#杆塔，4#～10#杆塔绝缘子电压波形如图12所示。

由图12可知，与7#杆塔相邻的多基杆塔绝缘子均未闪络，包括绝缘水平与9#杆塔相同的10#杆塔，这就表明雷电流已流向终端杆塔得以释放。但在实际情况中，某基杆塔虽然增强了绝缘，但由于其相邻杆塔绝缘水平也较低，未能使雷电流削减至绝缘子闪络的临界值以下，导致耐雷水平无法提高，因此线路的绝缘水平应统一作较高配置，使雷电流削弱至绝缘子闪络的临界值以下。此外，还可采用在9#杆塔加装线路避雷器泄放雷电流。在9#杆塔加装线路避雷器后，使用75 kA雷电流击中7#杆塔，5#～10#杆塔绝缘子电压波形如图13所示。

图13　9#安装线路避雷器后5#～10#杆塔绝缘串两端电压波形图

由图13可知，9#杆塔避雷器动作，其相邻杆塔均未闪络，7#杆塔的耐雷水平也有效的提高到了75 kA以上。

2　结束语

本文通过仿真分析，得出以下结论：

(1)接地电阻过大不仅会造成本基杆塔绝缘子闪络，还会造成相邻杆塔绝缘子闪络。

(2)线路的绝缘水平应保持均衡且需提高其整体绝缘能力，否则当某基杆塔遭受雷击时不仅会使本基杆塔的绝缘子闪络，还会对相邻杆塔产生影响，造成事故扩大。

(3)安装线路避雷器后引入线路的雷电流可通过提高其余杆塔的绝缘或在相邻杆塔加装线路避雷器的将其释放，以此提高线路整体的耐雷水平。

综上所述，山区线路防雷系统不仅要考虑接地电阻、绝缘水平和避雷器等措施的使用，应从整体分析，综合使用上述措施，以此达到防雷效果的最优化。

参考文献：

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