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摘要：特高压直流输电线路具有输电距离长、线路分布广的特征。在地理条件复杂、气温气象变化大、地形地貌恶劣的环境中发挥着重要的作用。在气象变化剧烈的地区，由于雷电活动频繁而且不规律，因此线路容易收到雷电干扰，给输电工作带来不安全因素。需要对雷击造成的故障进行分析，对非故障性雷击、故障性雷击、普通故障等进行分类，得到正确的雷击特性的分析数据对于线路保护具有重要意义。
关键词：特高压；±800kV；直流输电线路；避雷器
1±800kV直流线路雷击闪络特性
中国电力科学研究院曾对仿真模拟塔头进行了一系列相关试验，对±800kV真型塔头雷电冲击电压放电特性进行了研究。对真型塔头空气间隙进行雷电冲击放电特性试验表明，±800kV塔头间隙雷电冲击放电电压与空气间隙距离保持着较好的线性关系，并且雷电冲击的放电路径集中在均压环到横担、均压环到立柱的最短空气间隙路径上，其放电弧道呈直线状，充分反映出雷电冲击放电路径主要沿着最短空气间隙距离发展的特性。试验结果表明，海拔1000m以下，在操作冲击电压下，导线与杆塔的净空气距离达到6.1m时，可以满足对空气间隙的最低要求，此时塔头空气间隙的雷电冲击放电电压约为3660kV。
2±800kV直流线路避雷器设计要点
区别于交流线路避雷器，直流线路避雷器在运行条件、工作原理与之有很大的不同。主要体现在以下几个方面：①交流线路避雷器可利用电流自然过零点的时机来切断续流，而直流线路避雷器没有电流过零点可以利用，因此直流线路避雷器灭弧较为困难；②正常运行时，由于直流积污，直流线路避雷器的污秽情况更加严重；③直流线路避雷器外绝缘要求高。通过对±800kV直流输电线路运行特征及绝缘配置的分析，可以发现直流线路避雷器的运行条件比交流线路避雷器更加严酷，因而对直流避雷器提出的技术要求更高。对于±800kV直流线路避雷器，除了考虑基本性能要求外，设计时还应考虑直流线路避雷器自身的一些特点。对直流线路避雷器所提出的要求是：非线性特性良好，灭弧能力强，通流容量大，耐污性能好，结构简单，体积小。
3±800kV直流线路避雷器设计
3.1结构设计
±800kV直流线路避雷器采用复合外套带串联空气间隙金属氧化物避雷器结构，包括本体、外串联间隙两大部分。本体内部心体由小尺寸、高性能直流ZnO电阻片构成，所设计的结构图见1
图1±800kV直流线路避雷器结构示意图
考虑到±800kV直流线路避雷器结构高度长、重量相对较大，对杆塔负载影响较大的原因，避雷器本体质量应尽量控制在较低水平，实现避雷器小型化、轻型化设计。为了有效地防止避雷器的老化问题，采用带外串联空气间隙结构，这种结构能够保证避雷器本体不存在老化问题。由于串联空气间隙产生的隔断作用，即便线路发生对地短路或因暂时过电压导致空气间隙闪络击穿，线路避雷器在工作电压下仍然能够安全稳定工作。
3.2关键技术参数设计
3.2.1额定电压
额定电压是决定线路避雷器串联间隙以及电阻片片数的重要因素，对于其可靠性起着重要作用。带串联间隙避雷器要求在雷电冲击电压下动作后，能够于额定电压下规定时间内可靠灭弧。±800kV直流线路避雷器额定电压取值时，考虑两种运行工况：①在雷电冲击电压下动作，且线路同时产生操作过电压。考虑到直流系统的快速移相保护，操作过电压并不会影响避雷器续流最终切断，因此可以不作为额定电压的确定依据；②在雷电冲击电压下动作，且线路同时产生暂时过电压。由于空气间隙自身的熄弧效果和避雷器本体的限流作用，串联间隙可迅速切断直流续流，直流过电压作用在避雷器本体上时间很短。因此在确定暂时过电压的幅值时，应充分考虑其作用方式和时间，适当降低额定电压，提高保护裕度。±800kV直流线路暂时过电压不大于系统最高运行电压，线路避雷器额定电压应按系统最高运行电压的1.15倍来确定(即：816×1.15=938.4kV)，同时要兼顾吸收能量和保护特性，实际取为960kV能够满足运行要求。
3.2.2残压
残压是指通过规定的波形(通常为8/20μs)冲击电流时，避雷器两端电压峰值。残压决定着避雷器的保护水平，通常残压越低，其限制过电压效果越好。对于避雷器而言，残压由雷电冲击、陡波冲击大小来衡量。GB11032—2010中规定，避雷器的雷电保护水平是取决于下列两种情况：①标称放电电流下残压最大值；②陡波电流冲击下残压。1)标称放电电流下残压。避雷器的标称放电电流作为避雷器的重要参数之一，是绝缘配合的基础。标称放电电流的选取，与线路避雷器安装点可能出现的雷电流大小息息相关。综合雷击概率及生产制造成本等因素，结合±500kV直流线路避雷器、交流1000kV避雷器取值经验，初步确定±800kV线路避雷器的标称放电电流取值30kA。根据避雷器设计经验，标称放电电流冲击下，避雷器的残压和串联间隙击穿时的电弧压降之和小于塔头空气间隙雷电50%冲击放电电压的70%。根据中国电科院围绕±800kV真型塔塔头所进行的一系列试验，塔头空气间隙雷电50%冲击放电电压约为3660kV，则避雷器的残压和串联间隙击穿时的电弧压降之和≤2562kV。
由于缺乏针对长间隙下电弧电压实测及准确计算数据，电弧电压计算采用空气间隙电弧电阻的公式计算。
式(1)中：L为电弧长度，m；I为电弧电流值，A。±800kV线路接地故障电弧值为7～12kA，而±800kV线路避雷器的空气间隙长度设计值为1.7～1.9m，塔头空气间隙距离设计值最小为6.1m，计算得R约为12Ω，则在30kA标称放电电流下电弧压降约为360kV左右，那么此时残压值小于2202kV。结合国内电阻片制造水平，可能应用于±800kV直流线路避雷器的电阻片的残压比水平≤1.9，可计算残压值约为1824kV。考虑电阻片分散性及安全裕度，该避雷器标称放电电流下残压取值1900kV。2)陡波电流冲击下残压。避雷器陡波冲击残压按照雷电冲击残压的1.15倍取值，为2185kV。
4安全保护校核及相关型式试验
4.1避雷器能量吸收能力校验计算
以±800kV宾金直流输电线路为例，对典型杆塔ZC27153遭受不同雷电流击中塔顶造成反击时或绕击导线时避雷器通流能力进行了仿真计算。反击时，通过避雷器的放电电流值在5~30kA，大部分雷电流由杆塔分流，流过避雷器的电流所占比例较小。绕击时，通过避雷器的放电电流值为10~50kA，避雷器中流过大部分电流。仿真计算结果表明，当350kA雷电流反击杆塔时，避雷器最大吸收能量为192kJ；当350kA雷电流绕击导线时，避雷器最大吸收能量为5900kJ；根据电阻片吸收能力推算，避雷器的最小能量吸收能力为6400kJ，大于避雷器最大吸收能量5900kJ，满足对±800kV线路遭受350kA雷电流反击时和最大地面倾角对应的100kA最大绕击电流绕击导线时避雷器吸收能量的要求。考虑极端条件下可能通过避雷器的最大雷电流(78kA，5900kJ，概率0.6%可以由连续3次的大电流冲击4/10μs，100kA)试验来考核。
4.2短路电流试验
短路电流试验也称防爆试验，是为了验证，避雷器即使出现故障时也不发生粉碎性爆炸，不对人身安全产生影响或对其他设备造成损坏。该试验包括大电流短路试验、小电流短路试验。1)大电流短路试验。试品试验时，试验电流为50kA，至少应通流0.2s。试验应在单相回路上进行，空载电压尽可能为避雷器额定电压77%～100%。2)小电流短路试验。调整回路参数产生800A有效值(±10%)的电流通过试品，流通到排气发生为止。
5结论
避雷器样机通过了型式试验验证，雷电冲击放电电压试验值2687kV，通过直流湿耐受+900kV、1min，操作冲击湿耐受+1500、-1500kV各15次，残压试验值＜1900kV，方波2000A、大电流冲击耐受100kA(3次)，产品设计满足技术要求。
参考文献
[1]徐闻，李荷薇，李国毅，等.雷击特高压直流杆塔暂态特性分析[J].电气技术，2015（1）：44~47.
[2]何金良.±800kV云广特高压直流线路雷电防护特性[J].南方电网技术，2013（1）：21~27.
论文作者:陶奕,余斌,王文敏
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期
论文发表时间:2017/9/7
标签：避雷器论文; 线路论文; 电流论文; 雷电论文; 间隙论文; 电压论文; 过电压论文; 《电力设备管理》2017年第7期论文;