彬长矿业口木线35 kV线路雷电过电压仿真分析

李建伟,刘荣杰,董云飞,崔 荣,张 虎,李 旭

(陕西彬长矿业电力有限公司,陕西 咸阳 713602)

0 引言

煤炭是世界上储量最多、分布最广的化石能源,广泛应用于钢铁、电力、化工等工业生产及居民生活领域[1]。煤炭资源的开采离不开与之相配套的供配电网络,但供配电网络分布广泛,所处地形地貌复杂多变,面临不同海拔气候环境特征,极易遭受雷击危害[2-3]。在实际生活中,为提高供配电网络的耐雷水平,通常全线架设避雷线[4],但避雷线可能会使引雷作用加强而更易发生雷电反击事故[2,5]。其次,由于矿区供配电网络多架设在地势较高的山区,雷电更易绕过避雷线直击导线,在线路上产生严重的过电压[6]。罗晓军[7]分析了雷击避雷线时杆塔塔顶、导线以及绝缘子串上的过电压;刘强等[8]以35 kV电缆和架空混连线路为研究对象,利用ATP-EMTP对线路的反击耐雷水平进行计算分析,为防雷设计提供了依据。刘军豹等[9]通过ATP-EMTP软件分析35 kV线路的雷电绕击特性,给出最优的35 kV变压器雷电侵入波治理方案。以上研究均说明在目前的山区供配电网络中,仅架设避雷线已不能完全满足线路的防雷需求。结合彬长矿业口木线35 kV线路,在ATP-EMTP中搭建仿真模型,对口木线的雷电过电压及线路避雷器的效果进行研究,为口木线防雷方案的制定提供依据。

1 彬长矿业口木线现状及雷击事故

彬长矿区的供电电源均引自彬州、长武地区的电网系统,其中大佛寺煤矿工业场地建有1# 35/10 kV变电站1座,变电站安装容量为2×20 000 kVA;大佛寺煤矿风井场地建有2# 35/10 kV变电站一座,该变电站安装容量为2×12 500 kVA。文中所研究的35 kV口木线线路采用电缆与架空线路相结合的单回路架设方式,线路位于山区,共架设34级铁塔。从110 kV亭口变北侧35 kV第一个间隔采用200 m直埋电缆出线,经11.295 km架空线路后接入木盘川35 kV变电站,线路全长11.495 km。亭口变2台变压器容量分别为31.5 MVA和50.0 MVA;木盘川35 kV变电站安装容量为3×12 500 kVA。

2021年9月19日,木盘川35 kV变电站3527口木线开关过流Ⅰ段保护动作跳闸,同时上级变电站3527口木开关过流Ⅱ段保护动作跳闸重合闸成功。后经对3527口木线及变电站设备巡查发现木盘川35 kV变电站侧B相避雷器计数器动作,变电站35 kV 2#电压互感器B相熔断器故障。2021年10月3日木盘川35 kV变电站3527口木线开关过流Ⅰ段保护动作跳闸,同时上级变电站3527口木开关过流Ⅱ段保护动作跳闸重合闸不成功。对木盘川站3527口木开关柜内过电压保护器进行试验检查时发现过电压保护器A相、C相被击穿。上述事故均发生在雷雨天气,经现场分析,造成事故的原因可能是雷击线路引起的过电压。目前该地区配电网架空线防雷方式较为单一,效果不够理想,因此需对该区域输电线路的防雷性能进行综合分析,根据实际情况制定系统性防雷治理方案。

2 口木线雷电过电压仿真模型的建立

2.1 雷电流及其参数

目前常用的雷电流模型有双指数模型和Heidler模型[10],其中Heidler模型所表现的雷电流随时间变化的规律更符合实际规律,因此,选择Heidler模型作为雷电流模型,其表达式为

(1)

(2)

式中,I0为雷电流幅值;η为电流的修正系数;n为电流陡度因子,取n=2;τ1,τ2分别为电流波形的波头时间常数和波尾时间常数,分别取值2.6 μs、50 μs。其中雷电通道波阻抗则取为300 Ω。

2.2 架空线路模型及参数

在ATP-EMTP中有线路参数计算程序,该模块可以根据杆塔的结构和线路几何参数模拟出集中参数模型、分布参数模型和频率相关的线路模型。35 kV口木线型号采用LGJ-300/40,线路全长11.295 km,导线内径和外径分别为8.16 mm和23.94 mm,直流电阻为0.09614 Ω/km。避雷线选用1根24芯OPGW复合地线,外径为10.80 mm,直流电阻为1.408 Ω/km,各参数在ATP-EMTP中的设置见表1。

表1 架空线路参数设置

2.3 杆塔模型及参数

35 kV口木线全线采用单回路架设方式,杆塔为35 kV B08系列单回路自立式铁塔。目前常用的杆塔模型有集中电感模型、单一波阻抗模型以及多波阻抗模型[11]。其中多波阻抗模型根据垂直导体的不同位置处其波阻抗不同的原理将杆塔进行分段处理,模拟结果更为准确。使用多波阻抗模型对杆塔进行建模时,杆塔主体部分的波阻抗ZTk通过下式计算

(3)

式中,rek可通过下式计算

(4)

杆塔横担的波阻抗为

(5)

式中,hk为杆塔第k部分横担的对地高度;rAk为杆塔第k部分横担的等效半径,横担等效半径rAk可以取与杆塔主体节点连接处横担宽度的1/4。

以35B08-Z2型杆塔为例,其多波阻抗模型如图1所示。

图1 35B08-Z2型杆塔多波阻抗模型

该线路采用FXBW4-35/100型绝缘子串,冲击闪络电压为230 kV。

3 口木线雷电过电压计算分析

3.1 反击过电压

雷击塔顶时,雷电流沿着杆塔向下传播,此时塔顶电位升高,可能使绝缘子串发生闪络,引起雷电反击。根据现场勘察,3#、5#、11#、14#、17#、18#、20#、26#、27#、32#以及33#杆塔易遭受雷击,故在ATP-EMTP中对雷击此11个杆塔时的雷电过电压进行仿真计算,仿真模型如图2所示,各杆塔耐雷水平、雷击点及相邻两级杆塔上的雷电过电压幅值见表2。

图2 雷电反击局部仿真计算模型

表2 雷电反击过电压

从计算结果可以看出,雷电反击时杆塔的耐雷水平各不相同,这是由于各杆塔类型、弧垂高度以及接地电阻不同。以雷电反击5#杆塔为例,5#杆塔耐雷水平为16 kA,当雷电流幅值为16 kA时,B相绝缘子串闪络,B相线路雷电过电压出现最大值483.95 kV,约为正常运行时的14.73倍。其余两相绝缘子串虽未发生闪络,但线路上出现了高达224.49 kV的雷电过电压。

3.2 绕击过电压

35 kV口木线虽全线架设避雷线,但其杆塔所处位置较高,雷电易绕开避雷线直击导线发生绕击。由于线路两端变电站配有进线端保护,在此范围内发生雷击事故的概率较小,因此以雷电绕击4#、31#杆塔为例计算线路绕击过电压,仿真计算模型如图3所示,计算结果见表3。

图3 雷电绕击局部仿真计算模型

表3 雷电绕击过电压

从计算结果可以看出,雷电绕击时的耐雷水平远低于反击时的耐雷水平。以雷电绕击4#杆塔为例,其耐雷水平仅为2.65 kA。当雷电流幅值为2.65 kA时,线路雷电过电压最大值为353.84 kV,约为正常运行时的10.77倍。其余两相绝缘子串未发生闪络,但线路上仍出现了高达78.08 kV的雷电过电压。

4 线路避雷器对过电压抑制效果分析

避雷器是变电站内及输电线路上最主要的过电压抑制设备,通常由主要成分为氧化锌的非线性电阻阀片制成[12],非线性电阻有利于雷电流的释放,可以达到限制感应过电压的目的。主要原理为:当电缆线路为正常运行状态时,非线性电阻呈现高阻值状态,限制工频电流的流入;当电缆线路遭受雷电过电压冲击时,非线性电阻呈现低阻值状态,利于雷电流的释放。

由分析结果可知,无论雷电反击还是雷电绕击,都会在线路上产生幅值较高的雷电过电压,故必须在线路上加装避雷器。主要分析加装避雷器对线路雷电过电压的抑制效果。以雷电反击5#杆塔和绕击4#杆塔为例,加装线路避雷器前后相同雷电流幅值下的线路过电压计算结果见表4。

表4 加装避雷器前后线路雷电过电压

从计算结果可以看出,加装线路避雷器后,无论是反击5#杆塔或是绕击4#杆塔,绝缘子均不再发生闪络,两侧电压被钳制在线路避雷线残压以内,耐雷水平得到提高,线路上各点的雷电过电压都得到了有效抑制。

雷电反击时,对于相同的雷电流幅值,加装线路避雷器前后情况下,线路两端变压器上的过电压波形如图4和图5所示。可以看出,加装避雷器后,线路两端变压器上的雷电过电压都得到了有效抑制,其中,线路首端变压器过电压由130.27 kV下降为24.88 kV;线路末端变压器过电压由125.59 kV下降为58.99 kV。

图4 首端变压器波形

图5 末端变压器波形

5 结论

(1)未加装线路避雷器时,雷电反击和绕击都在线路上产生幅值较高的雷电过电压,危害线路的安全正常运行。

(2)加装线路避雷器后,相同雷电流幅值下,绝缘子串两侧电压被限制在避雷器残压以下,将不再发生闪络,耐雷水平提高,线路上的雷电过电压也得到有效抑制。

(3)加装线路避雷器极大地降低线路首末两端变压器上的雷电过电压,有利于保护变压器绝缘。