林 松,楊海龍,戴玉松,邱雪梅,何傳陽

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,成都 610039)

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220 kV同塔四回線路繞擊耐雷性能研究

林 松,楊海龍,戴玉松,邱雪梅,何傳陽

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,成都 610039)

為深入研究220 kV同塔四回線路繞擊耐雷性能,基于充分考慮垂直排列導(dǎo)線間的相互屏蔽問題,建立了適合同塔多回線路的電氣幾何模型(EGM)計(jì)算方法。在考慮工作電壓的影響和雷電先導(dǎo)方向的分散性基礎(chǔ)上,對(duì)比分析了多種擊距公式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響?；诒┞锻队熬嚯x評(píng)估了實(shí)際桿塔繞擊耐雷性能,并與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性。計(jì)算結(jié)果表明,地面傾角、桿塔結(jié)構(gòu)等對(duì)線路繞擊耐雷性能有較大的影響。

同塔四回;EGM模型;擊距公式;繞擊跳閘率

目前,評(píng)估輸電線路反擊耐雷性能比較成熟的方法是借助于EMTP程序,繞擊耐雷性能的計(jì)算廣泛采用電氣幾何模型(EGM)[1]。但是EGM模型用于同塔多回線路防雷計(jì)算時(shí)尚存在一些不足。文獻(xiàn)[2]中最大擊距的計(jì)算仍借助于通用公式,未考慮垂直排列導(dǎo)線間的相互屏蔽問題,文獻(xiàn)[3]中EGM的計(jì)算采用暴露弧法,假定雷擊地面的概率為零,顯然是不合理的,且未考慮導(dǎo)線工作電壓的影響和雷電先導(dǎo)的分散性。本文以同塔四回桿塔為例,針對(duì)220 kV同塔四回線特點(diǎn),充分考慮垂直排列導(dǎo)線間的相互屏蔽問題,建立整體EGM模型?？紤]工作電壓的影響和雷電先導(dǎo)方向的分散性,對(duì)比分析多種擊距公式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,并基于暴露距離法計(jì)算實(shí)際桿塔繞擊耐雷性能,以為同塔四回線路的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。

1 同塔四回EGM模型

1.1 繞擊跳閘率計(jì)算方法

經(jīng)典電氣幾何模型基本思想是由雷云向地面運(yùn)動(dòng)的先導(dǎo)通道頂端到達(dá)目標(biāo)物的臨界擊距前,擊中點(diǎn)是隨機(jī)的。若首先抵達(dá)某物體擊距范圍之內(nèi),則此物體為放電對(duì)象。

經(jīng)典EGM是基于單回線路提出的,而同塔四回線路桿塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同一側(cè)存在多根導(dǎo)線垂直排列。就一根導(dǎo)線而言,上下導(dǎo)線均可能對(duì)其產(chǎn)生屏蔽,起到避雷線的作用,傳統(tǒng)的最大擊距公式已不能直接運(yùn)用,因此需要重點(diǎn)考慮導(dǎo)線間的相互屏蔽和最大擊距的計(jì)算問題。同塔四回線路整體分析EGM模型如圖1所示。對(duì)每一根導(dǎo)線,根據(jù)避雷線和各導(dǎo)線的相對(duì)位置以及擊距的大小,計(jì)算相應(yīng)擊距下對(duì)應(yīng)該導(dǎo)線的暴露弧是否為0,也就是分析該導(dǎo)線是否完全被屏蔽,從而避免了最大擊距的計(jì)算。

圖1 同塔四回線路EGM模型

Fig.1 Quadruple circuit transmission lines’s EGM model

該模型考慮了雷電先導(dǎo)方向的分散性[4],先導(dǎo)入射角概率密度分布函數(shù)為

g(ψ)=kmcosmψ

其中先導(dǎo)入射角滿足-π/2≤ψ≤π/2；取m=2，K=2/π。文獻(xiàn)[5]推薦通過雷電入射角方向上暴露在地面上的投影距離來表征線路屏蔽失效的現(xiàn)象,根據(jù)導(dǎo)線暴露在先導(dǎo)垂直方向上的有效長(zhǎng)度在水平面上的投影,可以推算出在雷電流對(duì)應(yīng)的擊距為rs時(shí)導(dǎo)線的暴露投影距離:

式中：ψ為先導(dǎo)入射角，g(ψ)為先導(dǎo)入射角的概率分布函數(shù)；θ1和θ2可以由幾何關(guān)系直接得出，如圖2所示；ψ2跟θ有關(guān)，ψ1與地面傾角有關(guān)。

圖2 暴露距離分析圖

繞擊跳閘率的計(jì)算式為

式中：Ng為地閃密度，次/(km2·a)；η為建弧率；X為暴露距離，m；P′(I)為雷電流幅值概率密度函數(shù)；Ic為輸電線路的繞擊耐雷水平，kA；SFFOR為繞擊跳閘率，次/(100 km·a)。

1.2 計(jì)算參數(shù)

1.2.1 繞擊耐雷水平Ic

雷繞擊導(dǎo)線后,線路Ic可由線路絕緣子串雷電沖擊50%放電電壓U50%、導(dǎo)線波阻抗、導(dǎo)線工作電壓以及雷電通道波阻抗來確定。在進(jìn)行繞擊計(jì)算時(shí),所取的雷電通道波阻抗比導(dǎo)線波阻抗大很多,則考慮系統(tǒng)電壓時(shí)線路的Ic可由下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:U50%為絕緣子雷電沖擊50%放電電壓,kV;U為導(dǎo)線工作電壓,kV;Φ為系統(tǒng)電壓相角;ZC為導(dǎo)線波阻抗,Ω。根據(jù)IEC推薦的計(jì)算模型,絕緣子雷電沖擊50%放電電壓可由下式進(jìn)行計(jì)算:

U50%=533·L+100

式中L為絕緣子串絕緣長(zhǎng)度,m。

1.2.2 擊距公式

雷電對(duì)避雷線的擊距與雷電流幅值I(kA)有如下關(guān)系：rs=a·Ib，a和b均為常數(shù)。國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者給出的(a,b)取值不同，主要有(7.1，0.75)[6]、(8，0.65)[7]、(10，0.65)[8]、(6.72，0.8)[4]。4種取值下?lián)艟嗯c雷電流幅值的關(guān)系如圖3所示。

圖3 擊距與雷電流幅值的關(guān)系

考慮工作電壓時(shí)擊距公式為

rs=1.63(5.015I0.578-Ucosφ)1.125

式中:U為系統(tǒng)相電壓幅值,Φ為系統(tǒng)電壓相角。擊距系數(shù)是先導(dǎo)對(duì)地?fù)艟嗯c先導(dǎo)對(duì)導(dǎo)線擊距的比率,本文取0.80。

1.2.3 雷電流幅值概率函數(shù)

雷電流幅值概率函數(shù)采用統(tǒng)計(jì)法,滿足下式:

式中:a、b由統(tǒng)計(jì)雷電流幅值累積概率曲線擬合所得,P(>I)為大于雷電流幅值I的累積概率分布函數(shù)。

2 線路繞擊耐雷性能分析

為驗(yàn)證模型的合理性,以典型220 kV同塔四回SZG1型桿塔為例,呼高取21 m,其桿塔結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示,導(dǎo)線型號(hào)2×LGJ-240/40,避雷線型號(hào)GJ-50,絕緣子型號(hào)FXBW4-220/100,雷暴日為40。據(jù)統(tǒng)計(jì),雷電流幅值概率函數(shù)中a取35.5,b取2.6,導(dǎo)線弧垂取10 m,地線弧垂取8 m。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性,本文統(tǒng)計(jì)了2007年—2009年某地區(qū)220 kV同塔四回線路的運(yùn)行數(shù)據(jù),折算到40雷暴日下的平均繞擊跳閘率為0.28次/(100 km·a)。計(jì)算中考慮系統(tǒng)電壓影響時(shí),由于雷擊導(dǎo)線時(shí)交流周期電壓角度呈現(xiàn)的隨機(jī)性,因此，本文假定雷擊時(shí)刻出現(xiàn)于交流一個(gè)周期期間內(nèi)的概率相等,將系統(tǒng)電壓相角12等分,然后取平均值作為繞擊跳閘率。

圖4 220 kV同塔四回SZG1型桿塔結(jié)構(gòu)尺寸

2.1 擊距公式對(duì)繞擊跳閘率的影響

擊距公式是電氣幾何模型中的核心參數(shù)[9-11],擊距公式的不同必然導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的差異。分別采用國(guó)內(nèi)外4種常用不同擊距公式,對(duì)220 kV同塔四回線路的繞擊跳閘率進(jìn)行了計(jì)算,繞擊跳閘率與擊距的關(guān)系如表1所示,計(jì)算過程考慮了系統(tǒng)電壓的影響,地面傾角取0°。

表1 不同擊距時(shí)繞擊跳閘率

由表1可見,IEEE1993推薦(a=8,b=0.65)計(jì)算結(jié)果最大,其次是Japan推薦(a=7.1,b=0.75);而Whitehead推薦(a=6.72,b=0.8)計(jì)算結(jié)果最小,IEEE1997推薦(a=10,b=0.65)計(jì)算結(jié)果介于他們之間,且與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)接近,故本文使用IEEE1997推薦公式。

2.2 導(dǎo)線工作電壓對(duì)繞擊跳閘率的影響

對(duì)于220kV及其以上線路,導(dǎo)線工作電壓的影響較為嚴(yán)重,在防雷分析中不應(yīng)予以忽略[12]。擊距公式取IEEE1997推薦公式時(shí),繞擊跳閘率隨系統(tǒng)電壓相角變化曲線如圖5所示。

圖5 繞擊跳閘率隨導(dǎo)線工作電壓相角變化曲線

從圖5可以看到,隨著導(dǎo)線工作電壓相角的變化,繞擊跳閘率在0.18到0.45之間變化,平均值為0.29次/(100 km·a),可見對(duì)于220 kV線路,系統(tǒng)電壓對(duì)繞擊跳閘率有一定的影響。進(jìn)一步計(jì)算可知,未考慮導(dǎo)線工作電壓時(shí),繞擊跳閘率為0.25次/(100 km·a)。計(jì)算結(jié)果表明,未考慮導(dǎo)線工作電壓影響時(shí)計(jì)算結(jié)果稍偏低。

2.3 未考慮導(dǎo)線相互屏蔽時(shí)的繞擊跳閘率

傳統(tǒng)電氣幾何模型未考慮導(dǎo)線間相互屏蔽,而本文所采用改進(jìn)電氣幾何模型考慮了導(dǎo)線間相互屏蔽。為了對(duì)比兩者之間的差異,進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。計(jì)算中擊距公式采用IEEE1997推薦公式,同時(shí)考慮系統(tǒng)電壓影響,地面傾角取為0°,可得自上而下導(dǎo)線(編號(hào)依次為1～6號(hào))的繞擊跳閘率如表2所示。

表2 分別采用兩種計(jì)算方法的繞擊跳閘率

由表2可見,如果不考慮導(dǎo)線之間的相互屏蔽,將導(dǎo)致下層導(dǎo)線的繞擊跳閘率比正常值大,進(jìn)而引起總的桿塔繞擊跳閘率比正常值大,這是由于傳統(tǒng)EGM把擊中相鄰導(dǎo)線繞擊的概率算到了目標(biāo)導(dǎo)線中,即夸大了導(dǎo)線的屏蔽范圍。因此,考慮導(dǎo)線之間相互屏蔽的改進(jìn)EGM模型更加符合同塔多回輸電線路的實(shí)際情況。

2.4 地面傾角θ對(duì)雷電繞擊跳閘率的影響

地面傾角直接影響大地對(duì)導(dǎo)線的屏蔽特性[13],繞擊跳閘率隨θ變化曲線如圖6所示。

圖6 繞擊跳閘率隨地面傾角變化曲線

由圖6可見,θ與饒擊跳閘率呈非線性正相關(guān),當(dāng)θ較小(低于10°)時(shí),輸電線路的繞擊跳閘率受山坡地形的影響不是很明顯;當(dāng)θ超過某一值時(shí),輸電線路的繞擊跳閘率受山坡地形的影響較大,而且隨著θ的增加,這種影響越大,線路的繞擊跳閘率越高。因此,經(jīng)過山區(qū)地段的輸電線路,應(yīng)加強(qiáng)雷電繞擊防護(hù)工作,采取差異化防雷措施,限制其繞擊跳閘率在一定范圍內(nèi),使得輸電線路能夠安全可靠運(yùn)行。

2.5 桿塔結(jié)構(gòu)對(duì)繞擊跳閘率的影響

本文建立的EGM整體分析模型考慮了同塔四回線路桿塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),整體考慮各導(dǎo)線間的相互屏蔽問題。不同的桿塔結(jié)構(gòu),各導(dǎo)線的相對(duì)位置不同,將導(dǎo)致各導(dǎo)線最大繞擊電流和繞擊跳閘率不同。同塔四回線路單側(cè)存在6根導(dǎo)線垂直排列,地面傾角取10°時(shí),單側(cè)每根導(dǎo)線最大繞擊電流和繞擊跳閘率如表3所示。

表3 單側(cè)桿塔不同導(dǎo)線繞擊耐雷性能

由表3可見,對(duì)于此種“傘形塔”,自上而下最大繞擊電流和繞擊跳閘率依次降低,這是由于導(dǎo)線位置越低,越容易被屏蔽。因此,此種塔型繞擊防護(hù)應(yīng)先針對(duì)最上層導(dǎo)線進(jìn)行。

3 結(jié) 論

1) 本文充分考慮垂直排列導(dǎo)線間的相互屏蔽問題,建立了同塔四回線路整體EGM分析模型,考慮了工作電壓的影響和雷電先導(dǎo)方向的分散性,通過對(duì)實(shí)際桿塔的計(jì)算,驗(yàn)證了模型的合理性。

2) 通過對(duì)比不同擊距公式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,認(rèn)為IEEE1997推薦公式計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

3) 對(duì)于220 kV線路,系統(tǒng)電壓對(duì)繞擊跳閘率有影響,不應(yīng)忽略;地面傾角對(duì)繞擊跳閘率的影響較大,線路經(jīng)過山坡地段時(shí),應(yīng)加強(qiáng)雷電繞擊保護(hù);桿塔結(jié)構(gòu)對(duì)繞擊跳閘率有一定的影響,“傘形塔”應(yīng)加強(qiáng)最上層導(dǎo)線的繞擊防護(hù)。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research on lightning shielding performance for 220 kV quadruple circuit transmission lines

LIN Song, YANG Hailong, DAI Yusong, QIU Xuemei, HE Chuanyang

(School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to study the lightning shielding failure performance for 220 kV quadruple circuit transmission lines more deeply and exactly, this paper proposed, considering mutual shielding between any two vertical conductors, the revised electro-geometric model (EGM) calculation method for multi-circuit transmission lines. Taking into account the operating voltage of the system and the dispersion of the lightning leader angle distribution, the paper compared the influence of some striking distance formulas on the calculation results, and evaluated the lightning performance of the actual quadruple circuit tower on the basis of the exposure distance concept, and then made a comparison with operation experience, which verified the rationality of calculation method. The calculation results show that the factors, such as the ground slope angle, tower structure and so on, have a major influence on the lightning performance.

quadruple circuit; EGM model; striking distance formula; shielding failure trip-out rates

2015-09-11。

林 松(1990—)，男，碩士研究生，主要從事輸電線路過電壓方面研究。

TN713

A

2095-6843(2016)01-0056-05