山區110 kV線路防雷電過電壓影響因素的仿真分析

陳蕭霖， 郝捷， 武娜

(1國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京　210000；2國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原　030001)

0　引　言

統計表明，地處山區的輸電線路由于其特殊的地理位置極易發生跳閘或斷線事故。本文針對山西某實際線路(全長24.5千米、桿塔70基)進行仿真分析，通過改變線路接地電阻、絕緣水平以及避雷器安裝等防雷因素，對山區110 kV線路的防雷設計提供參考。實測表明，該線路6#、7#桿塔跳閘率較高，因此本文以6#、7#及其相鄰桿塔作為雷擊點進行仿真，部分仿真模型如圖1所示[1-2]。

圖1　接地電阻對防雷水平的影響仿真模型截圖

1　山區輸電線路方雷電侵入波的影響因素

1.1　接地電阻對山區輸電線路的影響

實測表明，該線路各基桿塔接地電阻值在5 Ω～30 Ω之間，為分析接地電阻對山區輸電線路防雷水平的影響，本文考慮最理想情況與最惡劣情況，即將該線路所有桿塔的接地電阻分別設定為5 Ω和30 Ω進行仿真[3-4]。當60 kA雷電流擊中6#桿塔時，6#桿塔及相鄰4#～9#桿塔接地電阻分別為5 Ω和30 Ω時絕緣子電壓波形如圖2(a)和圖2(b)所示。

從圖2可以看出，當6#桿塔遭受雷擊時其絕緣子電壓急劇升高。但接地電阻為5 Ω時，絕緣子電壓并未達到絕緣子串的閃絡電壓。而接地電阻為30 Ω時，除6#桿塔外，與6#桿塔相鄰的多基桿塔的絕緣子電壓均達到閃絡電壓，使絕緣子發生閃絡，且未閃絡桿塔絕緣子電壓也明顯升高。

圖2　接地電阻分別為30 Ω和5 Ω時絕緣子串兩端電壓波形圖

此外，6#桿塔遭受雷擊時，5#和7#桿塔絕緣子電壓也會因接地電阻的改變而改變，當桿塔接地電阻分別為5 Ω和30 Ω時，7#桿塔絕緣子電壓波形對比如圖3所示?？梢钥闯?，接地電阻的增大也會造成7#桿塔絕緣子閃絡。因此，部分桿塔即使未直接遭受雷擊，也會發生絕緣子閃絡。

圖3　接地電阻分別為5 Ω和30 Ω時5#及7#桿塔絕緣子串兩端電壓波形圖

圖4　接地電阻為5 Ω和30 Ω時分別流向5#及7#桿塔電流波形對比圖

造成這種現象的原因是當6#桿塔遭受雷擊時，桿塔接地電阻為30 Ω時流向5#和7#桿塔的電流要遠大于接地電阻為5 Ω時的電流，從而導致絕緣子串兩端電壓也高，電流波形圖如圖4所示。這是因為6#桿塔上的絕緣子閃絡后，雷電流被引入輸電線路并流向相鄰桿塔，此時雷電流作用于相鄰桿塔絕緣子一端，而桿塔的防雷水平由其絕緣水平決定，即會在相鄰桿塔尋一較為薄弱的地方泄放。由于該線路7#桿塔絕緣水平較低，而流到7#桿塔的雷電流大于其耐雷水平，因此7#桿塔絕緣子發生閃絡。

接地電阻是反映山區輸電線路防雷效果重要因素。因此在各條山區輸電線路中各基桿塔接地電阻應越小越好，而非僅降低易擊桿塔的接地電阻。

1.2　絕緣水平對防雷系統的影響

架空線路常用的絕緣子包括復合型絕緣子、玻璃絕緣子及瓷質絕緣子。同一條線路的絕緣水平在符合防雷標準的基礎上，應作均衡配置。文獻[5]中規定不同電壓等級線路絕緣子每串最少片數，如表1所示。

表1　不同電壓等級的線路絕緣子串片數要求

(1)同條線路絕緣水平高低不齊時對防雷水平的影響

本文仿真的實際線路由于桿塔類型的不同，其絕緣配置也不同。部分線路段絕緣水平較低，導致其成為線路薄弱點。以雷擊6#桿塔為例，6#桿塔采用10片FC-100/146型玻璃絕緣子，其單片結構高度為146 mm，單片最小擊穿電壓為130 kV，沖擊耐受電壓為125 kV，則10片該型號絕緣子串接在一起后，絕緣子的50%閃絡電壓為：

與6#桿塔相鄰的7#桿塔絕緣子采用FXBW(N)-110/100型復合絕緣子，其絕緣子50%閃絡電壓為550 kV，因此7#桿塔的絕緣水平明顯低于6#桿塔。實際情況中，由于6#桿塔絕緣水平較高，因此6#桿塔耐雷水平較高。使用60 kA雷電流擊中6#桿塔，6#和7#桿塔絕緣子電壓如圖5所示。

圖5　7#絕緣較低時6#和7#絕緣子兩端電壓波形圖

圖6　提高7#絕緣后6#和7#絕緣子兩端電壓波形圖

圖7　提高7#絕緣前后7#塔頂電流波形對比圖

由圖5可知，雷擊6#桿塔時6#桿塔絕緣子并未閃絡，但與其相鄰的7#桿塔絕緣子發生閃絡，此時6#的塔的耐雷水平已不是由其自身的絕緣子閃絡情況決定，而是由其相鄰的絕緣較低桿塔決定。若同時加強7#桿塔絕緣水平，將其絕緣子改成9～10片FC-100/146型玻璃絕緣子，使用60 kA雷電流擊中6#桿塔，6#和7#桿塔絕緣子電壓波形如圖6所示。此時6#和7#桿塔絕緣子均未閃絡，即桿塔上的絕緣水平作無差別配置且滿足標準要求時，可有效提高整個系統的防雷水平。

造成這種現象的原因是當7#桿塔絕緣水平較低時，7#桿塔承受雷電流很高，且接地電阻高導致電流不能泄放致其絕緣子發生閃絡。圖7為提高7#桿塔絕緣前后7#桿塔承受雷電流波形圖。此外，若降低7#桿塔的接地電阻，也將會更有效的減少絕緣子閃絡的概率，因此，在實際的工程應用中，應做好措施的配合優化，在增強絕緣同時做好降阻的工作。

1.2.2 專家訪談法 根據本課題研究內容，于2018年3月至6月訪談北京大學校選修課的授課教師與北京體育大學體育舞蹈教研室2位副教授（表1），獲得上課的內容、學時分配、負荷量等相關信息。

(2)同條線路絕緣配置相同但均較低對防雷水平的影響

山區110 kV線路桿塔絕緣子最少應為7片。若整條線路均掛接7片FC-100/146型玻璃絕緣子，則絕緣子串的50%閃絡電壓為：

圖8　全線采用7片絕緣子雷擊后絕緣子兩端電壓波形圖

以雷擊6#桿塔為例，使用50 kA雷電流擊中6#桿塔，6#桿塔及其相鄰5#和7#桿塔的絕緣子電壓波形如圖8所示。從圖8可以看出，僅6#桿塔絕緣子發生了閃絡，而5#和7#桿塔絕緣子未閃絡。

若全線采用FXBW(N)-110/100型復合絕緣子，其50%閃絡電壓為550 kV，使用50 kA雷電流擊中6#桿塔，6#桿塔及其相鄰的5#和7#桿塔上的絕緣子電壓波形如圖9所示。從圖9可以看出三基桿塔絕緣子均發生閃絡，即在整條線路絕緣水平較低時，雷擊某基桿塔不僅會造成本基桿塔絕緣子閃絡，也可能會造成其相鄰桿塔的絕緣子閃絡。

圖9　全線采用復合型絕緣子電壓波形圖

若全線加強絕緣，每基桿塔配置9片FC-100/146型玻璃絕緣子，則絕緣子串的50%閃絡電壓為：

使用50 kA雷電流擊中6#桿塔，得到5#～7#桿塔絕緣子電壓波形如圖10所示，此時所有絕緣子均未閃絡，線路在遭受雷擊后可以安全運行。

圖10　全線采用9片絕緣子電壓波形圖

通過仿真分析可知，保持線路均衡絕緣水平時應加強其整體的絕緣能力，否則當某基桿塔遭受雷擊時不僅會造成本基桿塔的絕緣子閃絡，還會影響相鄰塔，造成事故擴大。由于本節桿塔接地電阻統一設置為30 Ω，因此桿塔防雷水平較差。實際工程應用中，應先降低桿塔接地電阻，再考慮全線絕緣情況，以此避免接地電阻過高使增強絕緣失效的情況發生。

1.3　避雷器對防雷系統的影響

圖11　雷擊安裝線路避雷器的7#桿塔后5#～9#桿塔絕緣串兩端電壓波形圖

圖12　增強9#絕緣后4#～10#桿塔絕緣串兩端電壓波形圖

由圖11可知，雖然7#桿塔絕緣子未閃絡，但相隔甚遠的9#桿塔絕緣子卻發生了閃絡，而距其相對較近的6#和8#均未閃絡。這是因為該線路9#桿塔采用復合型絕緣子，絕緣水平相對較低。加裝線路避雷器后，7#桿塔承受的雷電流釋放到輸電線路中并向相鄰桿塔線路流動，并在線路中尋找薄弱點釋放且漸漸削減。由于9#桿塔絕緣子閃絡，7#桿塔加裝線路避雷器后的耐雷水平仍未達到75 kA。為提高7#桿塔的耐雷水平至75 kA，可以加強9#桿塔的絕緣水平，使用75 kA雷電流擊中7#桿塔，4#～10#桿塔絕緣子電壓波形如圖12所示。

由圖12可知，與7#桿塔相鄰的多基桿塔絕緣子均未閃絡，包括絕緣水平與9#桿塔相同的10#桿塔，這就表明雷電流已流向終端桿塔得以釋放。但在實際情況中，某基桿塔雖然增強了絕緣，但由于其相鄰桿塔絕緣水平也較低，未能使雷電流削減至絕緣子閃絡的臨界值以下，導致耐雷水平無法提高，因此線路的絕緣水平應統一作較高配置，使雷電流削弱至絕緣子閃絡的臨界值以下。此外，還可采用在9#桿塔加裝線路避雷器泄放雷電流。在9#桿塔加裝線路避雷器后，使用75 kA雷電流擊中7#桿塔，5#～10#桿塔絕緣子電壓波形如圖13所示。

圖13　9#安裝線路避雷器后5#～10#桿塔絕緣串兩端電壓波形圖

由圖13可知，9#桿塔避雷器動作，其相鄰桿塔均未閃絡，7#桿塔的耐雷水平也有效的提高到了75 kA以上。

2　結束語

本文通過仿真分析，得出以下結論：

(1)接地電阻過大不僅會造成本基桿塔絕緣子閃絡，還會造成相鄰桿塔絕緣子閃絡。

(2)線路的絕緣水平應保持均衡且需提高其整體絕緣能力，否則當某基桿塔遭受雷擊時不僅會使本基桿塔的絕緣子閃絡，還會對相鄰桿塔產生影響，造成事故擴大。

(3)安裝線路避雷器后引入線路的雷電流可通過提高其余桿塔的絕緣或在相鄰桿塔加裝線路避雷器的將其釋放，以此提高線路整體的耐雷水平。

綜上所述，山區線路防雷系統不僅要考慮接地電阻、絕緣水平和避雷器等措施的使用，應從整體分析，綜合使用上述措施，以此達到防雷效果的最優化。

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