雷电侵入波波形对避雷器放电电流的影响

蔡汉生，徐建铁，郭 洁，张金凤，魏 琪，贾 磊，刘 刚

（1.直流输电技术国家重点实验室（南方电网科学研究院），广州510663；2.西安交通大学电气工程学院，西安710049）

0 引言

目前广泛应用的无间隙金属氧化物避雷器（以下简称MOA）的雷电残压特性、雷电动作负载特性是MOA雷电保护特性的核心特征，这些特性受控于MOA电阻片配方、制造工艺、MOA结构和作用的雷电波[1]。在MOA制造工艺和结构一定的前提下，这些特性主要取决于作用的雷电波，而雷电波的波形、幅值受气象环境、地理位置、侵入方式等多因素影响千差万别，为了分析不同雷电侵入波形下MOA的波形特征和不同雷电冲击波形下的残压特性，合理制定相应的试验考核方法以保证MOA运行特性和提高保护可靠性，笔者依据国内外捕获的雷电波特征统计参数，对几种典型雷电侵入方式和雷电波波形下通过MOA的雷电流特性展开计算分析对MOA参数选择和标准修订具有重要意义[2]。

以某一典型750 kV输变电系统为例，仿真计算了不同雷电侵入波形，在雷击中电站近区线路杆塔发生反击和雷绕击电站近区线路相导线时，流过MOA的放电电流波形。

1 计算模型和计算条件

1.1 仿真计算模型

选用的750 kV变电站出线为同塔双回线路，双回线路长92.303 km，线路有换位，换位位置分别在12、42、74、92 km处；导线平均弧垂19.28 m，避雷线平均弧垂13.6 m，杆塔间档距为550 m，土壤电阻率600 Ω·m，系统电气接线如图1所示。研究电站B遭受近区雷击时，雷电侵入波波形对MOA放电电流的影响。

图1 750 kV系统电气接线图Fig.1 Electrical wiring diagram of 750 kV power system

1.1.1 杆塔

典型750 kV杆塔高度通常均高于50 m，雷电波在杆塔中的波过程不容忽略，因此研究区段内每基杆塔均采用了多波阻抗模型计算[3-6]，杆塔多波阻抗模型如图2所示。

图2 雷击时杆塔的等效模型Fig.2 Equivalent model of tower in lightning stroke

式中：Hk为每段杆塔的高度/m；rAk为杆塔臂等效半径/m，取横担和主材的连接长度（即横担和塔身的连接断面的上边和下边之和）的四分之一；rTk为支架半径/m；rB为塔基部分半径/m；RTk为主支架半径/m。

由于电磁波通过含有支架的多导体系统时需要更长的时间，所以在仿真中，支架部分的长度取为对应主体部分的1.5倍，即ZLk的长度为ZTk长度的1.5倍[8]。

1.1.2 工频运行电压

750 kV线路工频电压幅值对线路绝缘闪络及流过MOA的最大电流幅值和吸收能量均有显著影响，因此模型中考虑了工频运行电压的影响。

1.1.3MOA模型

750 kV线路侧MOA与电站侧MOA安装间距10 m，避雷器采用非线性电阻和集中电容并联模型来模拟，集中等值电容C取43.54 pF，如图3所示；MOA本体伏安特性曲线如图4所示。

图3 避雷器模型示意图Fig.3 The model of MOA

图4 避雷器本体V-A特性曲线Fig.4 The V-A characteristic curve of MOA body

1.2 雷电侵入波形

依据国内外捕获的雷电波特征参数统计结果，雷电冲击波的波头时间约为 1 μs～5 μs，集中在2.5 μs～2.6 μs；半峰时间约为20 μs～100 μs，多为50 μs左右[7-9]。确定了有代表性的五种雷电波波形分别为：1/20 μs、1/100 μs、2.6/50 μs、5/20 μs、5/100 μs。计算获得750 kV系统在标准雷暴日地区线路遭受50年一遇的雷电流峰值为294 kA（大于线路反击耐雷水平），对应的雷电通道波阻抗为300 Ω；依据线路杆塔形状和导线布置结构，采用电气几何模型计算获得的线路最大绕击电流峰值为55 kA，对应的雷电通道波阻抗为586 Ω；以实际线路绝缘临界闪络为判据，计算获得线路在5种典型雷电波形下绕击耐雷水平和雷电通道波阻抗如表1所示。

表1 绕击耐雷水平和雷电通道波阻抗Table 1 The lightning withstand level current and lightning channel impedance

1.3 雷电侵入方式和雷击点位置

雷击暴露在空气中的架空输电线路有4种可能的途径，即雷击线路附近地面，雷击塔顶及塔顶附近避雷线，雷击避雷线档距中央反击，雷绕击导线。运行经验表明：对于750 kV架空输电线路主要存在的雷击威胁是：雷击杆塔反击和绕击导线。因此，重点研究了雷击塔顶反击和雷绕击导线两种情况[10]。

使用ICP-AES(以高纯氩气正常吹扫2h或高速吹扫0.5h后)，在选定的仪器工作条件下测量各待测元素。

对于超、特高压变电站，由于全线架设双避雷线，且保护角更小、杆塔接地电阻更低，雷电防护措施比较严密，进线段与非进线段防雷性能并无本质差异。对于2 km以外的远区雷击，由于电晕衰减和线路阻尼效应，导致侵入的雷电波陡度和幅值都明显较小，因此近区雷击的危害更突出[11]。所以选取近区雷击作为变电站侵入波的主要研究对象。

1.4 雷电冲击下线路绝缘闪络判据

常见的雷击闪络判据为电压阈值法和相交法。

规程采用的方法为电压阈值法，即绝缘子串两端的雷电过电压峰值大于其临界放电电压，绝缘发生闪络击穿[12]。值得注意的是，规程中所取的临界放电电压是指标准雷电冲击波U50%。但是实际上由于来自杆塔接地电阻的反射波的影响，雷击杆塔时的绝缘子串两端电压并不是标准的雷电冲击全波，而是一个短尾波，波长在10 μs以内。短尾波的50%击穿放电电压大约为标准波的1.2～1.3倍，所以该方法导致计算所得的反击耐雷水平偏小，不推荐使用。我国110 kV、220 kV、330 kV及以上电压等级，为了尽量较少绝缘子串的闪络概率，空气间隙在雷电冲击波下50%放电电压取为绝缘子串相对应电压的80%。

在超、特高压线路的反击计算中，建议采用IEC60071-4推荐的相交法作为线路绝缘闪络判据。即线路两端的过电压波Uin（t）和绝缘击穿放电的伏秒特性曲线V（t）相交则判断为闪络[13-15]，如图5所示。

图5 绝缘击穿放电的伏秒特性曲线及两端过电压波形Fig.5 Insulator string volt-second characteristic curve and both ends of the overvoltage waveform

2 不同雷电侵入波形对避雷器放电电流的影响

参考我国电站MOA的配置惯例，以电站侧MOA配置型号为：Y20W-600/1380，线路侧配置型号为：Y20W-648/1491为例。

2.1 雷击杆塔反击计算结果

当峰值为50年一遇的294 kA的雷电流击中电站近区线路杆塔并发生反击时，MOA放电电流波形的统计结果如表2所示。

表2 反击时流过MOA的波形Table 2 Current waveform through the MOA when lightning counterattack

2.2 雷电绕击相导线计算结果

当峰值为最大绕击电流55 kA的雷绕击电站近区线路相导线时，MOA放电电流波形的统计结果如表3所示。

当峰值为相应雷电波形下线路绕击耐雷水平的雷绕击电站近区线路相导线时，MOA放电电流波形的统计结果如表4所示。

表3 最大绕击电流时流过MOA的波形Table 3 Current waveform through the MOA when maximum shielding current

表4 绕击耐雷水平电流时流过MOA的波形Table 4 Current waveform through the MOA when the lightning shielding withstand level current

从表2-表4可以看出：

1）侵入雷电波波头时间相同时，反击和最大绕击电流两种情况下，流过MOA的雷电流波头时间基本相同，最大电流峰值也基本不变。

2）绕击耐雷水平情况下，波头时间相同、波尾时间短的雷电波侵入电站时流过MOA的电流峰值更大。

3）无论MOA统一配置为Y20W-600/1380还是电站侧MOA配置型号为Y20W-600/1380、线路侧MOA配置型号为Y20W-648/1491，流过电站侧MOA电流波形的波头时间均比流过线路侧MOA波形的波头时间更长。两台MOA配置相同时流过线路侧MOA的电流峰值更高，两台MOA配置型号不同时流过额定电压更低的电站侧MOA的电流峰值更高。

3 结论

通过对典型750 kV系统在雷电流击中电站近区线路杆塔并发生反击和雷绕击电站近区相导线时对流过不同配置MOA电流特性的计算研究，得出以下结论：

1）峰值为50年一遇的雷击中电站近区线路杆塔并发生反击时，雷电侵入波波头时间越长，流过MOA电流波形的波头时间越长，且流过电站侧MOA的波头时间比流过线路侧MOA的波头时间更长，但均远小于4 μs；

2）峰值为最大绕击电流的雷直击电站附近相导线时，雷电侵入波波头时间越长，流过MOA电流波形的波头时间越长，最大可达6.5 μs左右；峰值为绕击耐雷水平的雷绕击电站近区相导线时，雷电侵入波波头时间越长，流过MOA电流波形的波头时间越长，最大可达10 μs左右；

3）相同峰值的雷电波侵入时，侵入波波头时间越短，流过MOA电流波形的电流峰值越大，反击时流过MOA的最大电流峰值可达18 kA；最大绕击电流侵入时流过MOA的最大电流峰值可达22.5kA，绕击耐雷水平的雷电流侵入时流过MOA的最大电流幅值可达11.5 kA。相同侵入波时，随着落雷点距变电站距离的增加，流过MOA的雷电流波头时间变长，流过同一MOA的最大电流峰值减小。

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