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        1000kV桿塔防雷研究

        2014-05-28 10:46:28歐陽仁樂
        電氣技術(shù) 2014年11期
        關(guān)鍵詞:耐雷波阻抗閃絡

        歐陽仁樂

        (西華大學,成都 610039)

        我國電力工程顧問集團公司在2005年3月提出的特高壓交流線路工程草案中闡述了4 種經(jīng)典特高壓單回輸電桿塔,分別為3M 型水平排列、3M 型三角排列、3V 型水平排列、3V 型三角排列。為了最大程度限制雷害的發(fā)生,分析不同桿塔在相同條件下發(fā)生雷害的概率以及嚴重程度在特高壓防雷計算中應該占據(jù)重要地位。本文主要采用多波阻抗模型分析研究以上四種桿塔發(fā)生雷害的概率以及對雷電波在線路中傳播的影響。

        1 不同桿塔繞擊分析

        1.1 電氣幾何模型

        以前,在評估輸電線路避雷線屏蔽性能 的時候,主要是根據(jù)保護角的大小來判斷,并且僅僅考慮了避雷線保護角,后來又引入了桿塔高度因素。自1968年后,E.R.Withehead 等提出了研究避雷線屏蔽性能的電氣幾何模型(EGM)。它是將雷電放電特點同線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來而建立的一種集合分析計算模型,它將擊距與雷電流關(guān)聯(lián)起來,使雷電屏蔽技術(shù)走上了幾何參數(shù)與電氣參數(shù)聯(lián)合的研究軌道。它的基本原理為:當雷云的先導放電通道頭部達到被擊中物體(擊距)之前,擊中點是不確定的,先達到哪個物體相應的擊距時,就向該物體放電[2]。

        圖1 電氣幾何模型

        圖1顯示了雷電繞擊線路的電氣幾何模型。若雷電先導落入AB弧段,則雷電將直擊避雷線;若 雷電先導落入BD弧段,則繞擊導線,所以BD段成為暴露??;若雷電先導擊中落入DE平面,則擊中大地。

        1.2 繞擊閃絡率計算

        隨著雷電流幅值增大,BD段將逐漸減小,當雷電流幅值增大到Imax時,BD段縮小為0,不再發(fā)生繞擊。

        并非所有繞擊都會引起絕緣閃絡,只有當雷電流幅值大于線路耐雷水平Imin時才會發(fā)生閃絡。耐雷水平可由以下公式確定

        式中,Zc為導線波阻抗;Z0為閃電通道波阻抗;Uph為導線工作電壓;U-50%為絕緣子50%閃絡電壓絕 對值。

        根據(jù)前蘇聯(lián)觀測計算出的雷電流波阻抗和雷電 流關(guān)系曲線求得Z0= 1.6I1.345+ 21120/I- 1 48.4

        雷電流I下繞擊概率X(I) 可由下式?jīng)Q定

        繞擊閃絡率P1可由下式計算

        式中,F(xiàn)(I)為雷電流概率密度,F(xiàn)(I)=0.026166×10-I/88。 根據(jù)計算得出四種桿塔的繞擊閃絡率見表1。

        表1 繞擊閃絡率

        由表1可看出,M 型與3V 型比較,在相近的保護角下M 型的繞擊閃絡率較低,而水平排列的導線較三角排列的導線保護角更大,繞擊閃絡率也較大。相比之下,M 型三角排列的導線防繞擊閃絡能力更強。

        2 不同桿塔反擊分析

        2.1 仿真模型的建立

        1)桿塔模型

        在防雷計算中,桿塔的沖擊響應是非常重要的,塔頂點位的計算結(jié)果將受到直接影響。輸電線路耐雷水平和跳閘率的計算準確與否也被直接影響,目前采用的桿塔模型主要有以下幾種[4]:

        集中電感模型:該模型往往是針對低電壓等級的線路進行理論研究,忽略了桿塔上的波過程,在高電壓等級的研究中集中電感模型遠遠不能達到防雷設計要求[4]。

        單一波阻抗模型:該模型僅用單一波阻抗來模擬桿塔,把桿塔視作均勻參數(shù),忽略了桿塔結(jié)構(gòu)的不同,這在研究特高壓雷電波過程的時候會帶來一定的誤差[4]。

        多波阻抗模型:該模型是根據(jù)垂直導體不同高度波阻抗不同的原理而建,相比單一波阻抗模型,多波阻抗模型更好地考慮了波在桿塔中的傳播過程,有較高的精度,并且能廣泛應用于各種電壓等級仿真模型中[4]。

        本文使用多波阻抗多層傳輸塔模型來建立M 型水平排列、3M 型三角排列、3V 型水平排列、3V 型三角排列這四種桿塔的線路仿真模型。具體桿塔模型如圖2至圖5所示。

        圖2 3V 型水平排列

        圖3 3V 型三角排列

        圖4 M 型水平排列

        圖5 M 型三角排列

        上圖中L和R是用來模擬在桿塔中傳播的行波的變形和衰減,其方程為

        式中,Zti為桿塔波阻抗,Zt1=Zt2=220 Ω,Zt3= 150Ω;衰減系數(shù)γ= 0.7,阻尼系數(shù)α= 1,波速Vt取光速。

        計算結(jié)果見表2至表5。

        表2 3V 型水平排列

        表3 3V 型三角排列

        表4 M 型水平排列

        表5 M 型三角排列

        2)雷電流模型

        雷電流波形主要有斜角波,雙指數(shù)波和heidler三種模型。電力系統(tǒng)中目前廣泛采用的是雙指數(shù)波, 其表達式為

        仿真雷電流幅值取 250kA,通過計算得α= 15000,β= 1860000,A= 1.058。

        3)輸電線路模型

        輸電線路模型有貝杰龍模型、Pi 型等效模型、RL 耦合模型、JMarti 模型、Semlyen 模型、Noda模型等。目前,架空輸電線路一般采用JMarti 模型來仿真,這種模型已經(jīng)考慮了集膚效應還有避雷線與導線的耦合系數(shù),在仿真雷電波反擊時有比較高的運算精度,因此在本文中利用LCC 的JMarti 模型,將輸電線路看做是包括,避雷線的不換位多導線系統(tǒng)來處理。

        4)絕緣子閃絡模型

        絕緣子閃絡模型主要有三種,規(guī)程法、相交法和先導法。規(guī)程法是按照標準推薦的50%閃絡電壓來判斷是否閃絡;相交法根據(jù)絕緣死伏秒特性和電壓波形的交點來判斷閃絡。以上這兩種方法目前也在我國輸電線路防雷中廣泛應用,不過規(guī)程法在研究超、特高壓耐雷水平的時候會忽略工作電壓作用,得到的耐雷水平不準確,而且其本身精度也不夠高;相交法相比規(guī)程法更為合理,它考慮了雷電過電壓的隨時間變化,但是它沒有考慮到作用在絕緣子兩端的過電壓并不是標準波,而是短尾波,實驗表明,在短尾波的作用下,以上兩種模型都會導致耐雷水平偏低,誤差較大。先導法是基于間隙先導發(fā)展的計算閃絡的方法,它結(jié)合空寂長間隙放電的物理過程來判斷絕緣子閃絡。它將氣體放電的物理過程引入閃絡模型,更加直觀,更加合理,更加精確,為了在特高壓防雷計算中使計算結(jié)果更加符合實際,因此本文采用先導法來判斷絕緣子閃絡。

        2.2 仿真計算

        當所有模型條件給定,運用ATP-EMTP 可以畫出雷電波反擊線路的仿真電路圖,如圖6所示,由于篇幅原因,本文只截取雷擊桿塔附近線路。

        圖6 仿真接線圖

        圖7為不同類型桿塔雷擊1#塔B 相閃絡時線路1 的反擊過電壓波形圖。

        圖7 不同桿塔線路1 反擊過電壓波形

        表6 不同桿塔排列反擊過電壓幅值

        由圖7和表6可看出,當桿塔同為水平排列或者是三角排列時,雷擊相雷電過電壓幅值和波峰出現(xiàn)時間都很接近,而三角排列的過電壓幅值比水平排列過電壓幅值更大,提高了1900kV,波峰出現(xiàn)時間也更早。

        3 結(jié)論

        通過利用電氣幾何模型,將雷電放電特性同線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來,計算比較了四種經(jīng)典桿塔在相同情況下的繞擊閃絡率,計算結(jié)果表明,3V 三角桿塔的繞擊閃絡率最高,M 三角桿塔繞擊閃絡率最低。

        利用ATP-EMTP 仿真,分別為四種經(jīng)典桿塔建立了線路模型,仿真結(jié)果表明三角排列的反擊過電壓幅值較水平排列更大,波峰出現(xiàn)時間更早,其中M 三角排列桿塔過電壓幅值最高,3V 水平桿塔過電壓幅值最低。

        綜合繞擊閃絡率以及雷反擊幅值,在四種經(jīng)典桿塔中M 水平桿塔是綜合耐雷性能最好的1000kV線路桿塔。

        [1] 周澤存.高電壓技術(shù)[M].北京: 中國電力出版社,2007.

        [2] 劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京: 中國經(jīng)濟出版社,2005.

        [3] 維列夏金,吳維韓.俄羅斯超高壓和特高壓輸電線路防雷運行經(jīng)驗分析[J].高電壓技術(shù),1998(2): 1-4.

        [4] 樊爭亮,常美生.桿塔模型對1000kV 特高壓同塔雙回線路反擊過電壓的影響[J].電力學報,2013(4): 1-4.

        [5] 敬海兵.1000kV 特高壓交流輸電線路防雷問題研究[D].西華大學,2012.

        [6] 崔濤.輸電線路防雷計算中絕緣子串閃絡判據(jù)研究[D].華中科技大學,2009.

        [7] 張永記,司馬文霞,張志勁.防雷分析中桿塔模型的研究現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù),2006(7): 1-5.

        [8] 敬海兵,張彼德.沖擊電暈對1000kV 交流輸電線路耐雷水平的影響分析[J].水電能源科學,2012(2): 1-5.

        [9] 敬海兵,張彼得.1000kV 特高壓交流輸電線路防雷電繞擊技術(shù)[J].廣東電力,2011(9): 1-5.

        [10] 楊利彬.考慮沖擊電暈的輸電線路耐雷性能研究[D].重慶大學,2009.

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