彬长矿业口木线35 kV线路雷电过电压仿真分析.pdf

收稿日期：作者简介：李建伟（），男，陕西榆林人，硕士，工程师，现从事煤矿供电安全方面的技术管理工作。彬长矿业口木线 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 ）摘要：口木线是保障彬长矿区安全有序生产的重要供电线路，虽全线架设有避雷线，但由于地处山区，杆塔所处地势较高且线路绝缘水平较低，雷击事故频发。由于现有的防雷措施已不能满足需求，在 中搭建 口木线的仿真模型，计算该线路不同雷击情况下的雷电过电压；分析在线路易击杆塔装设线路避雷器对雷电过电压的抑制效果。结果表明，加装线路避雷器可以有效提高线路耐雷水平，减小线路及两端变压器的雷电过电压，计算结果为口木线防雷改造提供了依据。关键词：电力系统过电压；雷电过电压；电磁暂态程序（）；线路中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；（）；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 。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 。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 ，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 ，。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 。罗晓军 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 以 电缆和架空混连线路为研究对象，利用 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 通过 软件分析 线路的雷电绕击特性，给出最优的李建伟刘荣杰董云飞等彬长矿业口木线 线路雷电过电压仿真分析 年 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 线路，在 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。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 变电站 座，变电站安装容量为 ；大佛寺煤矿风井场地建有 变电站一座，该变电站安装容量为 。文中所研究的 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 级铁塔。从 亭口变北侧 第一个间隔采用 直埋电缆出线，经 架空线路后接入木盘川 变电站，线路全长 。亭口变台变压器容量分别为 和 ；木盘川 变电站安装容量为 。年 月 日，木盘川 变电站 口木线开关过流段保护动作跳闸，同时上级变电站 口木开关过流段保护动作跳闸重合闸成功。后经对 口木线及变电站设备巡查发现木盘川 变电站侧 相避雷器计数器动作，变电站 电压互感器 相熔断器故障。年 月 日木盘川 变电站 口木线开关过流段保护动作跳闸，同时上级变电站 口木开关过流段保护动作跳闸重合闸不成功。对木盘川站 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 相、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。口木线雷电过电压仿真模型的建立 雷电流及其参数目前常用的雷电流模型有双指数模型和 模型 ，其中 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 模型作为雷电流模型，其表达式为（）（）（）()（）式中，为雷电流幅值；为电流的修正系数；为电流陡度因子，取 ；，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 、。其中雷电通道波阻抗则取为 。架空线路模型及参数在 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。口木线型号采用 ，线路全长 ，导线内径和外径分别为 和 ，直流电阻为 。避雷线选用根 芯 复合地线，外径为 ，直流电阻为 ，各参数在 中的设置见表 。表 架空线路参数设置 相序号内半径 外半径 直流电阻（）导线中心距参考线的水平距离 杆塔处导线中心距地高度 档距中间导线距地高度 分裂导线间距离 子导线所处位置角度 导线束中分裂导线的数量 杆塔模型及参数 口木线全线采用单回路架设方式，杆塔为 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 。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 通过下式计算 ()（）式中，可通过下式计算 （）（）（）杆塔横担的波阻抗为 （）第 期李建伟刘荣杰董云飞等彬长矿业口木线 线路雷电过电压仿真分析式中，为杆塔第 部分横担的对地高度；为杆塔第 部分横担的等效半径，横担等效半径 可以取与杆塔主体节点连接处横担宽度的 。以 型杆塔为例，其多波阻抗模型如图 所示。?图 型杆塔多波阻抗模型 该线路采用 型绝缘子串，冲击闪络电压为 。口木线雷电过电压计算分析 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，、以及 杆塔易遭受雷击，故在 中对雷击此 个杆塔时的雷电过电压进行仿真计算，仿真模型如图 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。?图 雷电反击局部仿真计算模型 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 杆塔为例，杆塔耐雷水平为 ，当雷电流幅值为 时，相绝缘子串闪络，相线路雷电过电压出现最大值 ，约为正常运行时的 倍。其余两相绝缘子串虽未发生闪络，但线路上出现了高达 的雷电过电压。表 雷电反击过电压 雷击杆塔号耐雷水平 前一级杆塔雷击点杆塔后一级杆塔首端变压器末端变压器 绕击过电压 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 、杆塔为例计算线路绕击过电压，仿真计算模型如图所示，计算结果见表 。?图 雷电绕击局部仿真计算模型 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 杆塔为例，其耐雷水平仅为 。当雷电流幅值为 时，线路雷电过电压最大值为 ，约为正常运行时的 倍。其余两相绝缘子串未发生闪络，但线路上仍出现了高达 的雷电过电压。陕西煤炭 年表 雷电绕击过电压 雷击杆塔号 耐雷水平 前两级杆塔 前一级杆塔 雷击点杆塔 后一级杆塔 后两级杆塔 首端变压器 末端变压器 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 ，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 杆塔和绕击 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 。表 加装避雷器前后线路雷电过电压 杆塔号无避雷器反击 杆塔有避雷器反击 杆塔无避雷器绕击 杆塔有避雷器绕击 杆塔前两级杆塔 前一级杆塔 雷击点杆塔 后一级杆塔 后两级杆塔 首端变压器 末端变压器 从计算结果可以看出，加装线路避雷器后，无论是反击 杆塔或是绕击 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 和图 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 下降为 ；线路末端变压器过电压由 下降为 。?图 首端变压器波形?结论（）未加装线路避雷器时，雷电反击和绕击都第 期李建伟刘荣杰董云飞等彬长矿业口木线 线路雷电过电压仿真分析?图 末端变压器波形 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。（）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。（）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。参考文献：段文婷 煤炭资源利用现状及可持续发展 矿业装备，（）：俞胜，梁晖，马恒瑞 考虑环境因素影响的配电线路雷电绝缘防护失效概率计算 智慧电力，（）：王振羽，宋明钰，薄岩，等 线路避雷器与避雷线防雷效果量化比较分析 电力科学与技术学报，（）：琚泽立，吕新良，蒲路，等 陕西地区配电线路新型防雷装置研究与应用 中国电力，（）：罗大强，唐军，许志荣，等 架空配电线路防雷措施配置方案分析 电瓷避雷器，（）：张鉴峰 输电线路综合防雷新技术应用 广州：广东工业大学，罗晓军 高压输电线路的防雷保护 陕西煤炭，（）：刘强，刘守豹，许安，等 电缆与架空混连线路雷击特性分析 电瓷避雷器，（）：刘守豹，吴晓晖，曾宏，等 变压器雷电侵入波过电压及治理措施研究 电瓷避雷器，（）：陈炜炜，周懋坤，詹跃东，等 雷电流数学模型仿真及对比分析 电瓷避雷器，（）：王飞龙 基于 的输电线路耐雷水平仿真研究 科技创新导报，（）：李东坡，张明理 氧化锌避雷器在 变电站中的防雷作用 东北电力技术，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）许博，李国平，杨博 蒋家河煤矿沿空掘巷煤柱留设研究 陕西煤炭，（）：张文才，孙晓龙，孙利辉 厚煤层沿空掘巷窄煤柱宽度研究 煤炭与化工，（）：，侯朝炯，马念杰 煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨 煤炭学报，（）：常瀚文，徐青云 中厚煤层综采沿空掘巷护巷煤柱宽度的确定 煤炭技术，（）：王琦 亭南矿大采高工作面区段煤柱尺寸优化研究 西安：西安科技大学，白俊杰，王健健 蒙陕地区强冲击煤层塑性小煤柱沿空回采期间破坏规律研究 陕西煤炭，（）：，赵军，彭博，柳杰，等 大埋深大采高回采巷道矿压显现规律研究 煤矿开采，（）：齐鹏，尤舜武 大采高回采巷道变形规律实测与分析 山西煤炭，（）：锁良晨 浅埋煤层综采工作面 区段小煤柱稳定性分析 陕西煤炭，（）：，王智欣，高林君，周博，等 近距离煤层残留煤柱下回采巷道变形破坏研究 陕西煤炭，（）：，马金建 断层对不规则工作面应力分布影响的研究 陕西煤炭，（）：王伟东，曲华，张培鹏，等 高位硬厚岩层下重复采动应力演化规律 煤炭技术，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页），（）：，：陕西煤炭 年