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        ±500 kV直流輸電線路避雷器防雷性能研究

        2015-03-06 04:32:56王藝霖
        黑龍江電力 2015年5期
        關(guān)鍵詞:耐雷閃絡(luò)避雷器

        李 智,吳 凡,王藝霖

        (1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

        近幾年,中國架空輸電線故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測表明,雷電災(zāi)害是引起線路跳閘的主要因素之一。伊穆±500 kV直流輸電線路橫跨內(nèi)蒙古東部地區(qū),途經(jīng)平原、丘陵,地形較為復(fù)雜,輸電走廊占地面積大,所以十分容易遭受雷電事故[1]。本文通過對伊穆±500 kV直流輸電線路進(jìn)行仿真計(jì)算,分析影響線路反擊耐雷水平和繞擊跳閘率的主要原因,并針對伊穆±500 kV直流輸電線路主要塔型G52P-39桿塔安裝避雷器前后耐雷水平的變化進(jìn)行分析,考慮避雷器最大吸收能量和放電電流,從而對線路避雷器的防雷性能進(jìn)行研究。

        1 直流輸電線路直擊雷雷擊特性分析

        1.1 雷電放電過程模型

        雷電放電的物理過程涉及到長間隙放電理論,其物理過程十分復(fù)雜。但從實(shí)際工程角度,可以將其簡化成一個(gè)波過程,將雷電通道波阻抗設(shè)為一個(gè)固定值,雷電沿著該通道向地面?zhèn)鞑ィ⒂杀说眠d法則建立相應(yīng)的雷電流等值電路模型[2],如圖1所示,其中i0為雷電流,Z0為雷電通道波阻抗,Z為地面擊中物體波阻抗。顯然i與Z有關(guān),當(dāng)Z=Z0時(shí),i=i0;當(dāng)Z=0時(shí),i=2i0。但無論是Z為零還是等于Z0在實(shí)際中都是不可能的。工程中一般將雷擊低阻抗物體時(shí)流過接地裝置的電流稱為雷電流。通常實(shí)驗(yàn)室用電流源來模擬雷電流。

        圖1 雷電流源等值電路Fig.1 Lightning current source equivalent circuit

        1.2 雷電流極性及波形

        依據(jù)國內(nèi)外多年實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),負(fù)極性雷在雷電害中占90%左右。因此目前關(guān)于輸電線路保護(hù)都是根據(jù)負(fù)極性雷來研究分析的。而且電力系統(tǒng)防雷分析和電氣設(shè)備的雷電沖擊試驗(yàn)要求用可以解析的典型波形對雷電波的波形進(jìn)行等值建模[3],所以工程中一般采用雷電波等值模型,主要有半余弦波、標(biāo)準(zhǔn)沖擊波、雙指數(shù)波和等值斜角波等幾種。工程上,一般認(rèn)為與實(shí)際雷電流波形最相似的等值模型是標(biāo)準(zhǔn)沖擊波模型,其表達(dá)式為

        1.3 仿真模型建立

        1.3.1 桿塔模型

        建立多阻抗桿塔模型。建模時(shí),將桿塔分成幾個(gè)模塊來進(jìn)行模擬,每部分桿塔的波阻抗與其距地面的高度有關(guān)[4]。直流輸電線路桿塔主體結(jié)構(gòu)如圖2所示,ATP-EMTP仿真計(jì)算中的多波阻抗模型如圖3所示。

        圖2 直流輸電線路桿塔主體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 DC transmission line tower body structure

        圖3 多波阻抗模型Fig.3 Multi wave impedance model

        桿塔主體部分等效波阻抗計(jì)算公式為

        1.3.2 絕緣子閃絡(luò)模型

        目前,絕緣子閃絡(luò)模型一般采用相交法。相交法的原理是:若絕緣子串上的過電壓曲線與絕緣子串自身的伏秒特性曲線相交,此時(shí)判定發(fā)生閃絡(luò),并認(rèn)定相交的那一時(shí)刻即為閃絡(luò)時(shí)刻;若兩條曲線不相交,則認(rèn)定為不發(fā)生閃絡(luò)。

        1.3.3 ±500 kV直流氧化鋅線路避雷器伏安特性曲線

        ±500 kV直流氧化鋅線路避雷器伏安特性曲線如圖4所示。

        圖4 ±500 kV直流氧化鋅線路避雷器伏安特性曲線Fig.4 ±500 kV DC line zinc oxide arrester volt ampere characteristic curve

        1.3.4 仿真電路圖

        在ATP中建立仿真模型如圖5所示。

        圖5 伊穆直流±500 kV直流輸電線路仿真電路圖Fig.5 Gimo DC ±500 kV DC transmission line circuit simulation model

        模型說明:

        1)線路采用JMarti模型,可精確考慮避雷線、已閃絡(luò)相導(dǎo)線與其他相導(dǎo)線之間的耦合作用。

        2)判斷絕緣子閃絡(luò)采用相交法。

        3)線路為雙端供電雙回線路,故模型中含有4個(gè)500 kV直流電源。

        4)桿塔接地電阻采用線路實(shí)測接地電阻。

        2 不加裝避雷器的耐雷水平

        2.1 不加裝避雷器線路反擊結(jié)果分析

        2.1.1 桿塔高度對反擊耐雷水平的影響

        本文對伊穆±500 kV直流輸電線路0008號、504號、0226號、0290號桿塔分別用ATP-EMTP軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如表1所示。

        表1 不同桿塔高度對反擊耐雷水平的影響Tab.1 Effect of different height of tower on counterattack lightning withstand level

        從表1可以看出,當(dāng)桿塔的接地電阻相同時(shí),直流輸電線路的反擊耐雷水平隨著桿塔高度增加而減小。主要有兩方面原因:首先,隨著桿塔高度的增加,桿塔的引雷面積也隨之增加;其次,隨著桿塔高度的增加,雷電波在桿塔中正向傳播時(shí)間和和反向傳播時(shí)間都增加,雷電波削弱作用減小[5]。

        2.1.2 桿塔接地電阻對反擊耐雷水平的影響

        為了分析桿塔接地電阻對反擊耐雷水平的影響,對伊穆±500 kV直流輸電線路G52P-39型號桿塔用ATP-EMTP軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如表2所示。

        表2 不同桿塔接地電阻對反擊耐雷水平的影響Tab.2 Effect of different grounding resistance of tower on counterattack lightning withstand level

        從表2可以看出,桿塔接地電阻對直流輸電線路的反擊耐雷水平有一定的影響,直流輸電線路的反擊耐雷水平隨著桿塔接地電阻增加而減?。?]。

        2.2 不加裝避雷器線路繞擊結(jié)果分析

        2.2.1 地面傾角對雷電繞擊跳閘率的影響

        考慮山地、丘陵、平原三種地理情況下應(yīng)用改進(jìn)電氣幾何模型計(jì)算部分伊穆±500 kV直流輸電線路桿塔的繞擊跳閘率,統(tǒng)計(jì)得出三種地形情況下雷電繞擊跳閘率如表3所示。

        表3 不同地面傾斜角對繞擊跳閘率的影響Tab.3 Effect of different ground inclination angle on shielding failure rate

        由表3不難看出,隨著地面傾角的增大,雷電繞擊跳閘率也隨之顯著增加[7]。

        2.2.2 線路極性對雷電繞擊跳閘率的影響

        通過對伊穆±500 kV直流輸電線路桿塔進(jìn)行繞擊跳閘率進(jìn)行計(jì)算,可以看出線路正極平均繞擊跳閘率要明顯高于線路負(fù)極性繞擊跳閘率,這主要是因?yàn)橹袊缀χ薪^大部分為負(fù)極性雷,而正極性線路的工頻電壓對負(fù)極性的雷云先導(dǎo)發(fā)展有較強(qiáng)的引雷作用[8]。

        3 加裝避雷器的耐雷水平

        3.1 線路避雷器安裝方案

        選定伊穆±500 kV直流輸電線路主要塔型G52P-39型號桿塔進(jìn)行研究,根據(jù)中國架空輸電線路運(yùn)行規(guī)范中的要求,對雷擊跳閘率不合格的桿塔加裝一臺避雷器,安裝情況如圖6所示。其中縱坐標(biāo)0代表不安裝避雷器,1代表安裝避雷器。

        圖6 G52P-39型桿塔安裝方案Fig.6 G52P -39 tower installation scheme

        塔型G52P-39絕緣子型號為FXBZ-±500/160,導(dǎo)線型號為ACSR-720/50。地線型號分別為GJ-100和 OPGW -100,保護(hù)角為10°。

        3.2 安裝線路避雷器反擊耐雷水平分析

        G52P-39型桿塔安裝避雷器前后反擊耐雷水平如表4所示。由表4可知,伊穆±500 kV直流輸電線路G52P-39型號桿塔安裝避雷器后,其反擊耐雷水平均可達(dá)到400 kA以上,能可靠保護(hù)線路不發(fā)生反擊跳閘事故。

        表4 線路改造前后反擊耐雷水平Tab.4 Counterattack lightning withstand level of lines before and after transformation

        3.3 安裝線路避雷器繞擊耐雷水平分析

        G52P-39型桿塔安裝避雷器前后繞擊耐雷水平如表5所示。

        表5 G52P-39型桿塔改造前后繞擊耐雷水平Tab.5 Counterattack around lightning withstand level of G52P-39 tower before and after transformation

        由表5可知,伊穆 ±500 kV直流輸電線路G52P-39型號桿塔安裝避雷器后,其繞擊耐雷水平顯著提高,均大于其最大繞擊電流,能可靠保證線路不發(fā)生繞擊跳閘事故。

        3.4 避雷器吸收能量和放電電流

        雷電流流經(jīng)避雷器時(shí),避雷器吸收能量為

        由上式可得G52P-39桿塔在反擊和繞擊情況下避雷器最大吸收能量Wm和放電電流Im,結(jié)果如表6所示。

        表6 避雷器最大吸收能量和放電電流Tab.6 Maximum absorbed energy and discharge current of arrester

        根據(jù)中國架空輸電線路運(yùn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)要求,500 kV直流線路避雷器的最小吸收能量為1898 KJ,要求沖擊耐受電流為100 kA。根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果,伊穆±500 kV直流輸電線路G52P-39型號桿塔安裝線路避雷器后,完全能夠滿足安全可靠運(yùn)行要求。

        4 結(jié)論

        1)±500 kV直流輸電線路反擊耐雷水平隨著桿塔高度的增加而減小,隨著接地電阻的增大而減小。

        2)±500 kV直流輸電線路繞擊率隨著地面傾角的增大而增大,導(dǎo)線的極性對雷電先導(dǎo)有明顯的吸引作用。

        3)±500 kV直流輸電線路安裝線路避雷器可有效提高線路的耐雷水平,避免發(fā)生繞擊和反擊跳閘事故。

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