基于ATP的线路避雷器仿真研究

郭啸龙，李 健，黄欲成，江 舟(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)



基于ATP的线路避雷器仿真研究

郭啸龙，李 健，黄欲成，江 舟
(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

摘要：加装线路避雷器是减少线路雷击跳闸事故，提高供电系统可靠性，进一步降低运行成本的一种有效手段。根据供电线路的实际情况，本文阐述了线路避雷器的基本作用，然后利用电力系统电磁暂态仿真软件(ATP -EMTP)对安装线路避雷器后的耐雷水平进行仿真计算，通过仿真计算可有效提高对线路的安全保护，其计算便捷，结果准确。

关键词：线路避雷器；耐雷水平；雷击跳闸事故。

随着我国经济的发展，社会用电需求的不断提高，对输电线路供电可靠性要求也越来越高，停电将影响人们的正常生活，造成巨大的经济损失。防止雷击跳闸可大大降低输电线路的故障，进而降低电网中事故的发生频率。因此，寻求更有效的线路防雷保护措施，一直是世界各国电力工作者关注的课题。

目前，架空送电线路常用的防雷保护措施有：架设避雷线、降低杆塔接地电阻、加强绝缘、采用不平衡绝缘、架设藕合地线等。这些防雷保护措施均有其优缺点：架设避雷线对减少雷电绕击导线的概率和提高反击防雷水平有非常重要的作用，但无法完全避免绕击或侧击；降低杆塔接地电阻对减少雷击反击跳闸率有决定性作用，但超过防雷水平的雷电流仍将引起线路跳闸，且高土壤电阻率地区难以降阻；加强绝缘受杆塔尺寸及投资的限制，无法理想地降低雷击跳闸率,无论采取何种防雷保护措施，也不能完全排除在导线上出现过电压的可能性，安装线路避雷器可以使由于雷击所产生的过电压超过一定的幅值时动作，给雷电流提供一个低阻抗的通路，使其泄放到大地，从而限制了电压的升高，保障了线路、设备安全。因此，安装线路避雷器无论在防止雷直击导线方面，还是在雷击塔顶或架空地线时的反击方面，安装线路避雷器都非常有效的。

1　线路避雷器防雷原理

电力系统线路避雷器在线路防雷中的应用越来越广泛，主要是将线路避雷器安装在输电线路的易击段杆塔，以有效地提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率。其防雷的基本原理为：在雷击杆塔时，一部分雷电流通过避雷线流到相邻杆塔，另一部分雷电流经杆塔流入大地。当塔顶电位与导线上电位的差值超过绝缘子串50%的放电电压时，将发生由塔顶至导线的闪络。如果加装避雷器，当输电线路遭受雷击时，雷电流的分流将发生变化，一部分雷电流从避雷线传入相邻杆塔，一部分经塔体入地。当雷电流超过一定值后，避雷器动作加入分流，大部分的雷电流从避雷器流入导线，传播到相邻杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时，由于导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。因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络，从而达到防止输电线路雷击跳闸事故的目的。

当雷电直击杆塔顶部时，杆塔顶部的地电位雷电过电压反击杆塔绝缘，致线路避雷器动作的等值电路见图1。图1中，i为总的雷电流(kA)，igt为杆塔的雷电流分流(kA)，ib为杆塔两侧相邻档避雷线的雷电流分流(kA)，id为线路避雷器动作后向杆塔两侧相邻档导线分流的雷电流(kA)，Lgt为杆塔电感(μH)，Lb为杆塔两侧相邻档避雷线的电感并联值(μH)，Ld为线路避雷器保护相导线杆塔两侧相邻档的电感并联值(μH)，Rch为杆塔冲击接地电阻(Ω)，虚线框内的Cg、Rv分别为线路避雷器等效晶界层的固有电容(μF)及非线性电阻(Ω)，Rg为等效ZnO晶粒电阻(Ω)。

2　仿真模型建立

2013年4月10日，南方电网220 kV天建线发生三相同跳事故，根据保护录波图信息判定为雷电反击引起的跳闸事故，监测到的雷电流幅值为210.5 kA。本文以此为例，计算天建线加装线路避雷器后的雷电反击耐雷水平，验证线路避雷器在线路防雷的保护作用。

图1　雷电直击杆塔顶部时的等值电路

220kV天建线线路全长31.71 km，导线型号为2×LGJX - 400/35，地线型号为GJ -50，绝缘子采用FXBW4 - 220/100型(绝缘子高度146 mm)，13片，杆塔设计接地电阻不大于20Ω(取10Ω)，平均档距400 m，避雷线和导线弧垂分别取5 m、7 m，杆塔型号为(单回) ZK酒杯型直线塔，呼称高度23 m，杆塔尺寸见图2。

图2　220 kV酒杯型杆塔示意图

根据实际的线路杆塔参数，在ATP中搭建仿真模型，见图3。

图3　ATP仿真模型

2.1雷电流模型

仿真模型中，雷电流的波形选择为2.6/50 µs，采用双指数冲击电源来模拟，雷电流波形双指数函数表达式(1)：

式中：i为雷电流；I0为峰值电流；k为修正因子；A波头衰减系数；B为波尾衰减系数。

2.2杆塔模型

杆塔模型采用的是Hara无损线杆塔模型，该模型详细考虑了杆塔的自身结构，计算的波响应特性与真塔实测近似，更接近于真实杆塔。在实际工程计算中，杆塔波速可取为2.1×108m/s。杆塔冲击接地电阻一般为7～15Ω，仿真计算时可取为10 Ω。

2.3绝缘子串模型

绝缘子串闪络模型采用相交法闪络判据。相交法通过比较绝缘上电压与伏秒特性曲线的关系来判断绝缘是否击穿，考虑了绝缘上雷电过电压随时间变化，比规程法更为合理。并且由于其清晰明确的物理概念，较为符合实际情况，便于工程使用，因此目前被广泛应用于输电线路防雷计算。描述绝缘子串在标准雷电波下的伏秒特性公式(2)：

式中：L为绝缘子串长度；t为时间。

2.4感应过电压模型

主放电过程中，绝缘子串两端的电压包括如下几个分量：塔顶电压、避雷线耦合电压、导线工作电压、为感应过电压。考虑到感应过电压会影响绝缘子串两端电压，在判断绝缘子闪络时，应准确计算这一感应分量，在模型中直接在绝缘子两端叠加一个直流分量作为感应过电压，其值为：

式中： Hg为地线平均高度；Im为雷电流幅值。

2.5线路避雷器模型

线路避雷器作为一种过电压限制器，需要有良好的非线性电阻特性：不动作时呈现高阻抗，泄露电流小，避免长时间的通流导致发热；一旦在冲击电压作用下动作，其电阻减小，导致电压突变，限制过电压，并且在冲击电压的作用结束后，电阻能迅速增大，减小流过的工频电流，使系统能继续正常运行。本文采用的避雷器伏安特性见表1，曲线见图4。

表1　避雷器伏安特性

图4　避雷器伏安特性曲线

3　仿真结果

装设避雷器前后的单相闪络耐雷水平见表2。从表2可看出，加避雷器后线路的反击耐雷水平从110 kA提高到145 kA。加装避雷器后，由于避雷器的钳电位作用，绝缘子端电压的大小取决于避雷器的残压，此残压远小于未加避雷器的绝缘子端电压(见图5、图6)，因此加避雷器后绝缘子闪络一般发生在波尾时刻(见图7)。随着雷电流幅值的增加，闪络时刻向波头移动。

表2　单相闪络耐雷水平

图5　雷电流为130 kA、加装避雷器时绝缘子端电压波形

图6　雷电流为130 kA、未加装避雷器时绝缘子端电压波形

装设避雷器前后的多相同时闪络耐雷水平见表3。从表3可看出，加避雷器后线路的雷电反击多相同时闪络耐雷水平得到了显著提升。

图7　雷电流为145 kA、加装避雷器时绝缘子端电压波形

表3　多相同时闪络耐雷水平

装设避雷器前后的线路绕击耐雷水平见表4。从表4可看出，加避雷器后线路的雷电绕击耐雷水平得到了显著提升。

表4　绕击耐雷水平

4　总结

从以上算例测试可看出，安装线路避雷器不但可以避免安装相的反击，而且雷击杆塔时塔顶电位升高，避雷器动作，部分雷电流通过安装避雷器的相导线泻放，从而在一定程度上降低绝缘子端电压。随着避雷器动作，安装相导线电压升高，会在相邻相上感应较高电压。两方面因素共同作用使得其他相绝缘子上的电压降低，耐雷水平得到改善。

参考文献：

[1]弥璞．目前线路避雷器存在问题的分析和一种新型线路避雷器的研究[J]．电瓷避雷器，2004，(4)．

[2]李庆玲，程济兵，王晓燕．输电线路氧化锌避雷器应用研究[J]．高压电器，2010，46(4)．

[3]李振，余占清，何金良．线路避雷器改善同塔多回线路防雷性能的分析[J]．高电压技术，2011，37(11)．

[4]敬海兵，张彼德，邓浩．线路避雷器对1000 kV交流输电线路耐雷水平的影响分析[J]．电瓷避雷器，2011，(3)．

Simulation Study on Line MOA Based on ATP

GUO Xiao-long, LI Jian, HUANG Yu-cheng, JIANG Zhou
(Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071, China)

Abstract:Installation of line MOA is an effective measure for decreasing trip-out accident due to lighting stroke on overhead line, enhancing reliability of power supply and reducing service cost. The basic functions for line MOA are described and by the alternative transient program electrical-magnetic transient program ( ATP-EMTP) software，the lightning withstand level is being simulate studied after lightning arrester installed. It improves the safety protection effectively, calculates conveniently and gets correctly result．

Key words:line MOA; lightning withstand level; trip-out accident.

中图分类号：TM862

文献标志码：B

文章编号：1671-9913(2016)01-0072-04

* 收稿日期：2015-10-10

作者简介：郭啸龙(1989- )，男，湖北宜昌人，硕士，主要从事输电线路相关研究与设计工作。