220 kV线路避雷器雷电绕击保护范围及优化应用研究

陈忠明，廖文龙，刘守豹，刘小江

（1.南京铁道职业技术学院，南京210031；2.四川电力科学研究院，成都610072）

0 引言

220 kV输电线路是省级电网骨干网架，其安全稳定运行直接影响省级电网的运行状况，雷击是导致线路跳闸的主要因素。以四川电网为例，雷击导致的220 kV及以上等级线路跳闸占线路跳闸总数的40%～70%。绕击跳闸又占线路跳闸的大多数，根据2006—2012年四川电网雷击跳闸情况统计显示，220 kV线路中绕击跳闸占雷击跳闸总数的89.0%。因此，绕击是目前220 kV线路防雷的主要课题[1-5，11]。

金属氧化物避雷器由于具有优越的保护性能，越来越广泛的应用于电力系统过电压保护。220 kV线路避雷器，由避雷器本体和串联间隙组成，与被保护绝缘子串并联，在工频过电压和操作过电压下不动作，在雷击过电压下串联间隙击穿，通过避雷器泄放雷电能量，限制绝缘子两端过电压。运行经验表明，带纯空气间隙的线路避雷器的应用，能够有效降低输电线路的雷击跳闸率[6-10]。

但是，在线路避雷器的使用中日益暴露出一些问题，比如说线路避雷器保护范围没有量化，本基塔的易绕击相（例如A相）安装避雷器后临近杆塔的易绕击相（同样也是A相）是否也需要安装；再比如线路避雷器正常发挥防治绕击雷害对于杆塔接地电阻没有具体要求，尤其是高土壤电阻率地区的易绕击段杆塔接地电阻治理困难，较高的杆塔接地电阻对线路避雷器防雷性能影响没有量化。上述问题事关线路避雷器防雷性能，不解决好直接影响避雷器防雷效果[11-13]。

为了对避雷器防雷性能进行定量分析，笔者使用电磁暂态计算软件ATP-EMTP建立220 kV输电线路雷击电磁暂态分析模型，分别对线路避雷器的有效保护范围、线路避雷器绕击雷害治理与杆塔接地电阻要求等问题进行分析。

1 基于ATP-EMTP的仿真模型

根据国内大量关于雷电的实测，我国雷电波波头时间大致在1-4 μs，平均在2.6 μs左右。因此本报告采用GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中推荐的2.6/50 μs标准雷电流波形进行模拟。同时，通过对四川电网220 kV及500 kV输电线路2012—2016年绕击跳闸故障中的绕击雷电流进行统计，可得四川电网220 kV线路绕击雷电幅值区间一般为15～40 kA。

取220 kV交流导线典型型号JL/G1A-400/50，地线型号JLB20-100，杆塔为同塔双回直线塔220ZGT1-24，绝缘子串为14片U70BP/146-1绝缘子，串长2.044 m，线路避雷器HY10CX-192/520，串联空气间隙920 mm。仿真模型中采用的双回塔形状及尺寸如图1（a）所示，在ATP-EMTP中建立的杆塔多波阻抗模型如图1（b）所示。

基于上述参数，建立220 kV输电线路雷击暂态电磁仿真模型。

图1 220 kV杆塔及暂态模型Fig.1 220 kV tower and transient model

2 线路避雷器与绕击高电位转移

在使用线路避雷器进行绕击雷害防治时，雷击输电线路致使避雷器动作，雷电能量部分通过避雷器经杆塔入地泄放，但仍有部分雷电流沿导线传播。虽然线路避雷器动作绕击点处的电压得到限制，但是雷电波在传播到临近杆塔时电位将升高，仍有击穿绝缘子串的可能，此即雷电绕击高电位转移[11-15]。

设杆塔接地电阻10 Ω，取20 kA和40 kA雷电流绕击避雷器安装点，雷击相导线上的高电位分布分别如图2和图3所示。

避雷器动作后，一方面避雷器残压沿着导线向两侧传播，形成导线上过电压的“动作电压传播分量”。另外，导线上本身流过的小部分雷电流经过导线波阻抗会产生相应的电压，这部分构成导线上过电压的“雷电流传播分量”。由于线路避雷器带有间隙，间隙击穿时会形成陡峭的尖峰电压，动作电压传播分量呈现为相应的陡峭尖峰形式，雷电流传播分量则呈现为雷电流的波形特征，上述两个分量共同构成了导线上过电压波形的特征。

当绕击雷电流不是很大时（20 kA），导线上的残余雷电流很小，导线上的过电压以“残压传播分量”为主，避雷器动作后的残压会沿着导线往两侧传播，随着传播距离增加，过电压幅值逐渐下降，导线上各点电位以雷击点最高。但是，当绕击雷电流很大时（40 kA），避雷器动作后，还有很大的雷电流流过导线，“雷电流传播分量”甚至远远高于残压分量，这使得相邻线路的过电压水平远远高出雷击点残压水平，对相邻杆塔的绝缘造成威胁。

图2 20 kA雷电绕击避雷器安装杆塔后避雷器动作情况及沿线电位分布Fig.2 20 kA lightning arrester’s action condition and potential distribution along the line after installation of tower

图3 40 kA雷电绕击避雷器安装杆塔后避雷器动作情况及沿线电位分布Fig.3 40 kA lightning arrester’s action condition and potential distribution along the line after installation of tower

因此，线路避雷器对于本基杆塔的电位钳制作用是明显的，但是当观测点离开避雷器安装点一定距离时，电位抬升，如果绕击电流较大则仍有可能击穿绝缘子串。

3 线路避雷器保护范围及影响因素

从理论上进行分析，影响避雷器动作后绕击高电位转移的影响因素包括雷击点杆塔接地电阻、线路档距和雷电流幅值，其中雷电流幅值和杆塔接地电阻直接影响导线上的雷电流分流大小，绕击雷电流幅值越大，雷击点杆塔接地电阻越大，则导线上雷电分流越多，相应的雷电流传播过电压分量越高，越容易造成绕击高电位转移。路避雷器的保护范围由上述三个因素共同作用决定，本节给出在雷击点安装避雷器的情况下，不同接地电阻、不同线路档距、不同雷电流幅值下的相邻杆塔的过电压幅值及是否发生闪络，定量给出线路避雷器的保护范围。

考查雷击点至相邻杆塔档距100～500 m，杆塔接地电阻10～60 Ω，绕击雷电流20～40 kA，3个因素共同作用下相邻杆塔处的电位及闪络情况如表1、表2及表3所示。

表1 20 kA雷电流作用下的避雷器保护范围（电位/是否闪络）Table 1 Protection scope of arrester under 20 kA lightning current（voltage/flashover or not）

表2 30 kA雷电流作用下的避雷器保护范围（电位/是否闪络）Table 2 Protection scope of arrester under 30 kA lightning current（voltage/flashover or not）

计算结果表明，绕击高电位转移受绕击雷电流、杆塔接地电阻及档距决定，其中，绕击雷电流大小最重要，其次是杆塔接地电阻，档距的影响最小。当绕击雷电流在20 kA以下时不会发生绕击高电位转移；绕击雷电流在30 kA时，接地电阻大于40 Ω且杆塔档距小于500 m时相邻杆塔将发生闪络；绕击雷电流达到40 kA时，绝大部分档距和接地电阻下都会发生相邻塔高电位闪络，仅有接地电阻在20 Ω以下、且杆塔档距在500 m以上，转移高电位才未达到闪络电压。

4 绕击高电位转移的治理

治理相邻杆塔绕击高电位转移引发的闪络问题，最简单的方法就是在相邻杆塔的闪络相加装一支避雷器进行防护，并需考虑相邻塔的下基塔会不会再次发生高电位转移。

表3 40 kA雷电流作用下的避雷器保护范围（电位/是否闪络）Table 3 Protection scope of arrester under 40 kA lightning current（voltage/flashover or not）

为了验证连续多基安装避雷器的对绕击高电位的防治效果，取绕击高电位转移最严重的情况，即绕击雷电流为40 kA，雷击点杆塔接地电阻严重超标（60 Ω），相邻塔档距最小（100 m），相邻塔的杆塔接地电阻同样超标达60 Ω。根据第3节的计算结果，相邻塔将发生绝缘闪络，在相邻塔的对应相加装一支加装避雷器进行高电位转移防护，雷击点、相邻塔及相邻塔的下基塔位置的高电位分布如图4所示。

图4 连续多基安装避雷器后，雷击点、相邻塔及相邻塔的下基塔位置导线上的电位分布Fig.4 Potential distribution on lightning strike points，adjacent tower and the lower base tower conductor of adjacent tower，after the continuous multi base installation of the lightning arrester

可以看到，在相邻塔的高电位闪络相加装一支避雷器后，最严重的情况下，相邻塔的下基塔不再发生高电位转移闪络。因此，在易绕击线路区段的两端采用线路避雷器对绕击高电位进行防堵是可行且可靠的。

5 仿真结论

笔者使用电磁暂态计算软件ATP-EMTP建立220 kV输电线路雷击电磁暂态分析模型，分别对线路避雷器的有效保护范围与绕击高电位转移特性、线路避雷器绕击雷害治理与杆塔接地电阻的配合关系等问题进行研究，研究结果表明。

1）绕击高电位转移是导致本基杆塔遭受雷电绕击且线路避雷器动作后下基杆塔仍然发生跳闸的根本原因。

2）绕击高电位转移与雷电流幅值、杆塔接地电阻及档距有关，利用避雷器进行线路绕击雷害治理，杆塔接地电阻整治应基于防治绕击高电位转移确定。

3）对于易受大幅值雷电流绕击线路段，需采用多基塔连续安装线路避雷器的方式实现对绕击雷害的完全封堵。

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