影响电站避雷器放电电流特性因素分析

徐建铁，郭 洁，徐 迪，魏 琪，刘 行

（西安交通大学电气工程学院，西安 710049）

0 引言

以典型的750 kV输变电系统为例，利用EMTP计算程序建立了仿真计算模型，对电站避雷器配置、避雷器电气性能参数、雷电侵入方式、雷电波形、雷击位置[1-2]等多个可能影响避雷器放电电流波形特性的因素进行了计算研究。

1 系统计算模型

1.1 系统模型参数

本文选用的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，系统电气接线见图1。雷电由不同路径侵入电站B。

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

选用750 kV输电系统同塔双回SZC2直线塔，由于这种杆塔塔身高、结构复杂，雷电波作用下波过程明显，因此采用分布参数的多波阻抗模型[3-7]。

1.1.2 工频运行电压

由于750 kV系统工频运行电压幅值高，对雷击时流过避雷器的最大电流幅值和吸收能量影响较大，因此计算模型考虑了工频运行电压的影响[8-9]。

工频运行电压相位按照线路绝缘最容易闪络来选取，当雷击塔顶时，雷击点工频运行电压相位处于与雷电反极性峰值；雷电绕击时，雷击点工频运行电压相位处于与雷电同极性峰值。

1.1.3 避雷器模型

依据配置的750 kV避雷器特性参数，避雷器采用非线性电阻和并联电容模型来模拟，集中等值电容C为43.54 pF，见图2；避雷器本体伏安特性曲线见图3。

图2 避雷器模型Fig.2 The model of MOA

图3 避雷器本体U-A特性曲线Fig.3 The U-A characteristic curve of MOA body

1.2 雷电流模型

研究表明，雷道波阻抗与主放电通道雷电流有关，且随着雷电流峰值的增大而减小。雷电通道波阻抗Z0与雷电流幅值的关系曲线[10]见图4。

图4 雷电流源等值电路和雷电通道波阻抗Fig.4 Lightning current source equivalent circuit and lightning channel impedance

当I＜10 kA时，Z0约为几千欧；当I在10～30 kA时，Z0为 2100～700 Ω；当I在 30～100 kA 时，Z0为700～300 Ω。当I＞100 kA时，Z0稳定于300 Ω附近。

根据迄今为止国内外雷电研究者多年观测获得的雷电波统计数据，选定了5种有代表性的雷电侵入波波形，即1/20 μs、1/100 μs、2.6/50 μs、5/20 μs、5/100 μs。

依据GB 50064—2012，建议范围Ⅱ架空线路大跨越档在雷电过电压下安全运行年数不宜低于50年，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[11]（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[12]，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见表1。

2 影响避雷器放电电流特性的主要因素分析

实际750 kV系统中，线路侧避雷器可选取两种型号：Y20W-600/1380 和Y20W-648/1491；电站侧避雷器型号为Y20W-600/1380。

表1 绕击耐雷水平和雷电通道波阻抗Table 1 Lightning impulse withstand level and wave impedance

为了深入研究流过避雷器波形的影响因素，首先确定了电站避雷器可能的配置方式。

方式1：配置的线路侧和电站侧避雷器型号均为Y20W-600/1380；线路侧避雷器与电站侧避雷器安装位置分别相距5 m、10 m；杆塔冲击接地电阻分别为7 Ω、10 Ω。

方式2：配置的电站侧避雷器型号为Y20W-600/1380，配置的线路侧避雷器型号为Y20W-648/1491；线路侧避雷器与电站侧避雷器安装位置分别相距5 m、10 m；杆塔冲击接地电阻分别为7 Ω、10Ω。

对于750 kV超高压系统，构成威胁的雷电侵入方式主要有：雷击塔顶反击相导线和雷电绕击相导线两种。雷击位置以雷击电站近区更为苛刻。

2.1 雷电侵入波波形的影响

雷电侵入波波形对流过MOA的放电电流波形影响的仿真计算结果见图5。

图5 不同雷电侵入波波形下流过MOA的放电电流波形Fig.5 Discharge current waveforms of MOA under different lightning intrusion wave

2.2 避雷器配置方式的影响

配置的避雷器电气性能参数对流过避雷器的放电电流波形影响的仿真计算结果见图6。

图6 不同避雷器电气性能参数时流过MOA的放电电流波形Fig.6 Different arrester electrical performance parameters flows through the MOA discharge current waveform

2.3 雷击点位置的影响

雷击点位置对流过MOA的放电电流波形影响的仿真计算结果见图7。

图7 不同雷击点时流过MOA的放电电流波形Fig.7 Discharge current waveform of MOA at different lightning stroke points

2.4 线路侧避雷器与电站侧避雷器安装间距的影响

线路侧避雷器与电站侧避雷器安装间距对流过MOA的放电电流波形影响的仿真计算结果见图8。

图8 不同避雷器间距时流过MOA的放电电流波形Fig.8 Discharge current waveforms of MOA at different arrester spacing

2.5 杆塔冲击接地电阻的影响

杆塔冲击接地电阻对流过MOA的放电电流波形影响的仿真计算结果见图9。

图9 不同杆塔冲击接地电阻时流过MOA的放电电流波形Fig.9 Different tower impulse grounding resistance flows through the MOA discharge current waveform

3 结论

通过以上仿真计算分析，可以得出影响MOA放电电流波形差异性的因素如下：

1）雷电侵入波波形：流过MOA电流的波头时间随着侵入波波头的减小而变短；流过MOA电流的最大电流峰值随着雷电侵入波头的减小而增大。

2）避雷器配置方式：相同侵入波下，线路侧避雷器与电站侧避雷器参数配置相同时，流过MOA电流的波头时间长于两台避雷器参数配置不同时；流过MOA电流的最大电流峰值大于两台避雷器参数配置不同时。

3）雷击点位置：流过MOA的雷电流波头时间随着落雷点距变电站距离的变近而变短和陡化；流过MOA电流的最大电流峰值也随之增大。

4）线路侧避雷器与电站侧避雷器安装间距：在雷击点位置、侵入波波形相同时，线路侧避雷器与电站侧避雷器安装间距越小，流过MOA电流的波头时间越长，流过MOA电流的最大电流峰值越小；两台避雷器配置参数相同时，两者布置间距越小，雷电负荷差异越小，电站侧MOA波头时间略长、峰值略小；两台避雷器配置参数不同时，两者布置间距越小，雷电负荷差异越大，电站侧MOA波头时间更长、峰值更大。

5）杆塔冲击接地电阻：当雷击塔顶反击相导线时，杆塔冲击接地电阻越小，流过MOA的电流波头时间越长，流过MOA的最大电流峰值也越小。雷电绕击相导线导致线路绝缘闪络时，杆塔冲击接地电阻对流过MOA的放电电流波形的影响很小。