摘要：地線直流融冰采用了全線絕緣化設(shè)計(jì)，而地線絕緣化設(shè)計(jì)將對(duì)變電站雷電過(guò)電壓產(chǎn)生影響。以500kV融冰絕緣地線為例，介紹了融冰絕緣地線架設(shè)方式，采用ATP-EMTP軟件建立500kV變電站雷電侵入波過(guò)電壓模型，分析了融冰絕緣地線架設(shè)對(duì)500kV變電站雷電過(guò)電壓的影響，總結(jié)了雷擊點(diǎn)位置、桿塔接地電阻、避雷器配置方案對(duì)變電站設(shè)備雷電過(guò)電壓的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：融冰絕緣地線架設(shè)對(duì)變電站設(shè)備最大過(guò)電壓影響很小；雷擊桿塔離變電站越近，變電站高壓設(shè)備產(chǎn)生的過(guò)電壓越大；母線避雷器對(duì)變電站設(shè)備保護(hù)效果較好，雷電侵入波產(chǎn)生的最大過(guò)電壓下降較多；桿塔接地電阻越小，變電站設(shè)備最大過(guò)電壓越小。其結(jié)論對(duì)涉及融冰絕緣地線變電站具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：超高壓輸電線路；直流融冰；絕緣地線；變電站；雷電過(guò)電壓；ATP-EMTP

引言

500 kV變電站是電力系統(tǒng)的樞紐站，一旦發(fā)生雷害事故，將引起設(shè)備損壞、大范圍停電等嚴(yán)重后果[1-3]。因此，500 kV變電站的雷電過(guò)電壓防護(hù)措施要求很高。變電站雷擊類型可分為直擊雷和雷電侵入波2種，因變電站采用避雷針和避雷器進(jìn)行保護(hù)，直擊雷害事故較少，雷電侵入波過(guò)電壓是變電站發(fā)生事故的主要原因[4-9]。

云南電網(wǎng)滇東北地區(qū)極端冰雪天氣造成高壓輸電線路倒桿、斷線事故和導(dǎo)線舞動(dòng)，嚴(yán)重危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行[10-11]。直流融冰在南方電網(wǎng)取得了較好的效果，得到了廣泛的應(yīng)用[12-13]。一般的地線架設(shè)通過(guò)桿塔接地，不能施加直流融冰。為利用直流對(duì)地線進(jìn)行融冰，需要對(duì)地線進(jìn)行絕緣架設(shè)。地線直流融冰采用了全線絕緣化設(shè)計(jì)，且絕緣間隙值達(dá)到120 mm，有別于常規(guī)變電站地線架設(shè)方式[14]。為防止出現(xiàn)雷電侵入波可能導(dǎo)致的變電站設(shè)備過(guò)電壓事故，有必要深入開展融冰絕緣地線對(duì)500 kV變電站雷電過(guò)電壓的影響分析。

目前研究結(jié)果表明：雷擊點(diǎn)位置、桿塔接地電阻、變電站運(yùn)行方式和避雷器配置方案等對(duì)變電站雷電過(guò)電壓有影響[15-19]。地線絕緣架設(shè)方式改變了整個(gè)地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將會(huì)對(duì)雷電流的分配產(chǎn)生影響。本文以云南電網(wǎng)公司某供電局的地線絕緣化設(shè)計(jì)工程為例，采用 ATP-EMTP 軟件建立500 kV變電站雷電過(guò)電壓分析模型，分析了融冰絕緣地線架設(shè)對(duì)500 kV變電站雷電過(guò)電壓的影響。

1 融冰絕緣地線工程

1.1 融冰絕緣地線架設(shè)方式

某500 kV高壓輸電線路為滿足融冰的需要，對(duì)地線進(jìn)行了絕緣化設(shè)計(jì)。為降低地線絕緣化帶來(lái)的不利影響，同時(shí)滿足融冰的需要，地線絕緣子采用120 mm長(zhǎng)的并聯(lián)間隙[20]。為降低線路損耗和滿足防雷的需要，每隔一定的距離桿塔地線設(shè)立臨時(shí)接地點(diǎn)。在每年的11月到次年3月的覆冰季節(jié)拆開臨時(shí)接地點(diǎn)，全線絕緣運(yùn)行;在每年的4~10月雷雨季節(jié)，地線臨時(shí)接地點(diǎn)接地運(yùn)行。地線絕緣子臨時(shí)接地如圖1所示。

圖 1 地線絕緣子臨時(shí)接地

Fig. 1 Insulated overhead ground wire

1.2 融冰地線絕緣子電氣性能

地線絕緣子采用復(fù)合絕緣子，其絕緣距離339 mm，并聯(lián)間隙之間距離120 mm。在云南電網(wǎng)公司超高壓試驗(yàn)基地對(duì)地線絕緣子及并聯(lián)間隙進(jìn)行了電氣性能試驗(yàn)，地線絕緣子閃絡(luò)電壓為183 kV，地線絕緣間隙閃絡(luò)電壓為83.4 kV。

1.3 融冰絕緣地線變電站及進(jìn)線端參數(shù)

現(xiàn)有的研究表明，當(dāng)變電站在僅有一個(gè)間隔和1臺(tái)主變壓器時(shí)，地網(wǎng)入地電流最大，雷電過(guò)電壓也最嚴(yán)重，文中選用這種方式進(jìn)行仿真研究。500 kV變電站一個(gè)間隔1臺(tái)主變壓器接線如圖2所示，圖中MOA為金屬氧化物避雷器，CVT為電容型電壓互感器，BUS為母線，G為隔離開關(guān)，CT為電流互感器，D為斷路器，T為變壓器。

圖 2 500 kV 變電站等效電路

Fig. 2 Equivalent circuit of 500 kV substation

500 kV線路中導(dǎo)線型號(hào)為JL/G1A-400/50-54/7，導(dǎo)線采用4分裂形式，分裂間距400 mm，地線型號(hào)為L(zhǎng)BGJ-120，直流電阻為0.709 8 Ω/km，光纜型號(hào)為OPGW-100，直流電阻為0.632 Ω/km。

2 模型建立及參數(shù)選擇

2.1 桿塔模型

目前仿真計(jì)算中桿塔模型主要為電感模型和波阻抗模型[21]，電感模型根據(jù)桿塔的高度來(lái)確定桿塔的等值電感，波阻抗模型將塔身視為分布參數(shù)，考慮了雷電波在塔身的波過(guò)程，更能反映雷擊過(guò)電壓的波過(guò)程，因此本文桿塔選用波阻抗模型，其值取為150 Ω[22]。

2.2 雷電流模型

雷電流的波形選擇雙指數(shù)波模型，雷電流幅值概率按DL/T 620—1997中的表達(dá)式進(jìn)行選擇[23]，其表達(dá)式為

lgP=−I/88lg?P=−I/88 (1)

式中：P為雷電流幅值大于I的概率;I為雷電流幅值，kA。

仿真計(jì)算時(shí)從嚴(yán)考慮，雷電幅值選取250 kA，大于此值的概率小于 1.4‰，雷電流的波形采用2.6/50 μs。

2.3 進(jìn)線段線路模型

線路的參數(shù)隨頻率變化而變化，而在雷擊時(shí)頻率較高，因此線路模型選擇JMARTI頻率相關(guān)分布參數(shù)線路模型來(lái)反映雷擊時(shí)的頻率響應(yīng)[21]。一般變電站進(jìn)線段保護(hù)距離為2 km，因此，本文進(jìn)線段距離選為2 km，桿塔之間檔距選為400 m，選擇5基桿塔及導(dǎo)線進(jìn)行分析[21]。

2.4 絕緣子模型

在仿真過(guò)程中，絕緣子和并聯(lián)間隙的閃絡(luò)采用相交法來(lái)判斷，即判斷絕緣子兩端的電壓是否超過(guò)絕緣子伏秒特性曲線上的電壓，通過(guò)壓控開關(guān)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn);并聯(lián)間隙的電壓依據(jù)試驗(yàn)電壓來(lái)獲得，絕緣子伏秒特性曲線表達(dá)式為[23]

2.5 避雷器

目前氧化鋅避雷器在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，500 kV避雷器典型的伏安特性如表1所示。

2.6 變電站電氣設(shè)備

在仿真計(jì)算中，變電站內(nèi)的變壓器可采用電容等效，其值可由式(3)計(jì)算得到，其他高壓設(shè)備的電容采用額定值，結(jié)果如表2所示。

表 2 設(shè)備代號(hào)及入口電容

Table 2 Device code and its entry capacity

3 計(jì)算結(jié)果及分析

地線正常架設(shè)時(shí)OPGW和普通地線通過(guò)桿塔接地，地線絕緣架設(shè)時(shí)OPGW和普通地線均全線絕緣架設(shè)，絕緣地線臨時(shí)接地點(diǎn)每隔一定距離接地，線路終端桿塔均設(shè)置接地點(diǎn)。仿真計(jì)算條件為：雷電幅值為250 kA，波形為2.6/50 μs;一般計(jì)算條件是接地電阻為10 Ω，避雷器在進(jìn)線電壓互感器和變壓器位置架設(shè);同時(shí)考慮變電站電氣設(shè)備過(guò)電壓裕度，變壓器沖擊絕緣水平為1 600 kV，電容式電壓互感器選為1 650 kV。

3.1 雷擊點(diǎn)的影響

雷擊點(diǎn)分別在進(jìn)線端不同桿塔上，仿真得到變電站設(shè)備的最大過(guò)電壓，結(jié)果如圖3所示。

圖 3 雷擊桿塔電氣設(shè)備最大過(guò)電壓

Fig. 3 Largest overvoltage of electrical equipment for tower struck by lightning

由圖3可見(jiàn)，變壓器最大過(guò)電壓出現(xiàn)在雷擊第1基桿塔時(shí)，其最大過(guò)電壓達(dá)到1 675 kV;隨著雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)離變電站，設(shè)備最大過(guò)電壓值減小。雷擊地線正常架設(shè)和絕緣架設(shè)下設(shè)備最大過(guò)電壓差別很小。即融冰絕緣地線架設(shè)對(duì)雷電侵入波在變電站高壓設(shè)備上產(chǎn)生的過(guò)電壓幾乎沒(méi)有影響。這主要是因?yàn)槔纂娏鞣颠_(dá)到250 kA，地線上融冰絕緣間隙都已經(jīng)被擊穿，2種情況下超高壓輸電線路絕緣子閃絡(luò)規(guī)律相同。通過(guò)上述研究，可以發(fā)現(xiàn)地線絕緣架設(shè)對(duì)變電站附近雷擊引起的設(shè)備過(guò)電壓沒(méi)有明顯的影響，因此從限制雷電過(guò)電壓的角度，變電站附近的地線在夏季不需要退出運(yùn)行。但絕緣間隙頻繁擊穿將影響其使用壽命，因此重雷區(qū)變電站應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況決定絕緣地線是否退出運(yùn)行。