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        基于VB的輸電線路耐雷水平與雷擊跳閘率的計(jì)算與分析

        2018-10-15 02:43:14李恩佳
        關(guān)鍵詞:水平

        李恩佳

        (吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,吉林 長(zhǎng)春 130021)

        輸電線路是傳輸電能的“高速公路”,我國(guó)目前輸電距離最長(zhǎng)的±800kV高壓直流輸電線路工程酒湖線全長(zhǎng)2383km,輸電線路穿梭于崇山峻嶺之間,線路運(yùn)行海拔最高超過(guò)1900m,線路所經(jīng)過(guò)的地區(qū)地理環(huán)境多變,氣候條件復(fù)雜,輸電線路極易遭受到雷電侵襲。與此同時(shí),雷電產(chǎn)生的強(qiáng)大電流會(huì)沿輸電線路侵入到系統(tǒng)變電所和重要的用電負(fù)荷部門,對(duì)人員和電氣設(shè)備產(chǎn)生巨大的威脅。因此,對(duì)線路的防雷保護(hù)應(yīng)該予以十分充分的重視。

        1 耐雷水平和雷擊跳閘率

        雷擊線路時(shí),其絕緣尚不至于發(fā)生閃絡(luò)的最大電流幅值或能引起絕緣閃絡(luò)的最小雷電流幅值(kA)。當(dāng)耐雷水平高于雷電流擊于線路時(shí)是不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象的;而當(dāng)耐雷水平低于雷電流擊于線路時(shí)就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象的。

        每百公里線路、40雷電日,由于雷擊引起的開(kāi)斷數(shù)(重合成功也算一次),稱為該線路的雷擊跳閘率。

        1.1 耐雷水平的計(jì)算及耐雷水平的比較結(jié)果

        1.1.1 雷擊桿塔塔頂時(shí)的耐雷水平的計(jì)算

        計(jì)算公式如下:

        I=U/[(1-k)b(R+L/2.6)+(1-k)h/2.6]

        (1)

        式中,b—設(shè)計(jì)通常長(zhǎng)度檔距的線路桿塔所取的分流系數(shù)值,見(jiàn)表1;U—絕緣子串的50%沖擊閃絡(luò)電壓;L—單位桿塔電感;R—桿塔接地電阻;k—電暈下的耦合系數(shù)。

        表1 分流系數(shù)表

        在線路的設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員通常會(huì)降低桿塔接地電阻R,以及提高耦合系數(shù)k這兩種方法提高輸電線路的耐雷水平。

        1.1.2 雷擊避雷線檔距中央時(shí)

        假如雷擊避雷線檔距中央時(shí),雷擊點(diǎn)的阻抗為z/2,雷電流為Iz=iL/(1+zb/2z0)。計(jì)算收到雷擊位置的電壓為uA=iz×zb/2=iLz0zb/(2z0+zb),電壓波uA從遭受雷擊的位置沿著避雷線向最近的桿塔運(yùn)動(dòng),在經(jīng)過(guò)L/2vb時(shí)間(L為兩桿塔之間的距離,vb為雷電流在避雷線中傳播的速度)后到達(dá)最近的桿塔;又由于桿塔接地,將會(huì)產(chǎn)生相反的反射波回到雷擊的位置,再次經(jīng)過(guò)L/2vb時(shí)間,假如雷電流還未達(dá)幅值2×(L/2vb),則雷擊點(diǎn)的電位自負(fù)反射波到達(dá)之時(shí)開(kāi)始下降,故雷擊點(diǎn)的最高電位將出現(xiàn)在t=2×(L/2/vb)時(shí)刻。

        雷電流假如是斜角波iL=at,雷擊點(diǎn)電位為:

        UA=a×(/vb)×[(z0×zb)/(2z0+zb)]

        (2)

        考慮到避雷線和導(dǎo)線產(chǎn)生的耦合作用,會(huì)產(chǎn)生耦合電壓KuA,所以避雷線遭受雷擊的位置,與導(dǎo)線間的空氣間隙s上所承受的最大電壓Us=UA(1-k),由此可以推斷,空氣間隙s上的電壓的高與低,與耦合系數(shù)k,雷電流陡度a以及檔距長(zhǎng)度L是相關(guān)聯(lián)的。故當(dāng)電壓超過(guò)空氣間隙s的放電電壓時(shí),空氣間隙會(huì)被過(guò)電壓擊穿而發(fā)生短路事故。

        1.1.3 繞擊時(shí)的過(guò)電壓和耐雷水平

        當(dāng)輸電線路裝有避雷線時(shí),雷電也有可能繞過(guò)避雷線而擊中線路。在這樣的情況下,線路上的絕緣子串會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。

        電氣幾何模型的特征參數(shù)如圖1所示。

        圖1 電氣幾何模型的特征參數(shù)圖

        臨界擊距rsc:是線路能承受繞擊雷能力的擊距。當(dāng)臨界擊距rsc大于擊距時(shí),是不會(huì)發(fā)生絕緣子串的閃絡(luò)。繞擊耐雷水平計(jì)算式:

        IFO=2×(CFO)/Z

        (3)

        式中,CFO—線路發(fā)生臨界閃絡(luò)電壓值,Uso%,kV;Z—線路導(dǎo)線阻抗,Ω。

        最大擊距rsmax:這是由桿塔幾何尺寸及地形決定的一個(gè)擊距。當(dāng)rsmax小于擊距時(shí),不會(huì)發(fā)生繞擊相導(dǎo)線。計(jì)算rsmax的公式如下:

        (4)

        暴露弧線和屏蔽弧線:一個(gè)擊距為r的先導(dǎo)頭到達(dá)弧線ab的位置時(shí),先導(dǎo)將對(duì)導(dǎo)線閃絡(luò);當(dāng)先導(dǎo)頭到達(dá)弧線be時(shí),將對(duì)屏蔽線產(chǎn)生閃絡(luò);當(dāng)先導(dǎo)頭到達(dá)弧線ad時(shí),將對(duì)地面閃絡(luò)。故稱弧線be為屏蔽弧線,把弧線ab叫做暴露弧線。

        臨界保護(hù)角θsc:指的是桿塔的外形尺寸與絕緣性能達(dá)到所要求的水平時(shí),rsmax≤rsc暴露弧線降為零,繞擊跳閘將不會(huì)發(fā)生。

        當(dāng)rsmax=rsc時(shí),θsc=θg+arcsin(1-y/rsc)-arcsinC/2,

        式中,θsc即稱臨界保護(hù)角,通常是把線路設(shè)計(jì)的保護(hù)角與臨界保護(hù)角,作對(duì)比性的分析,從而做出相應(yīng)的結(jié)論。

        通過(guò)仿真計(jì)算與分析,以110kV及220kV各3種不同外形尺寸的桿塔模型,得出輸電線路耐雷水平與雷擊跳閘率是計(jì)算結(jié)果為:

        110kV輸電線路,單回線路,具有雙避雷線,其耐雷水平高于只有單避雷線的線路,高39.7%~48.3%;同樣具有雙避雷線的輸電線路,雙回線路的耐雷水平要低于單回線路,低13.4%~11.6%;220kV輸電線路,杯型塔的耐雷水平均高于鋼筋混凝土單桿和雙回塔,分別高21.8%~16.6%和13.5%~8.4%。

        1.2 雷擊跳閘率的計(jì)算

        一條線路的雷擊跳閘次數(shù)與線路長(zhǎng)度、雷電日的多少、以及防雷措施的好壞有關(guān),為了分析比較二條線路防雷措施的好壞,故引入了雷擊跳閘率的概念。

        在雷電過(guò)電壓的情況下,線路絕緣發(fā)生閃絡(luò),然后從沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧,引起線路跳閘。

        具體的計(jì)算如下(討論的都是有避雷線的線路)。

        1.2.1 雷擊桿塔時(shí)的跳閘率

        每百公里線路、40雷電日,落雷次數(shù)為N=0.28(b+4hb)次,其中hb為避雷線對(duì)地平均高度。假設(shè)擊中桿塔的概率為n,則每百公里線路每年雷擊桿塔次數(shù)為0.28(b+4hb)n次;,假設(shè)I1和P1分別為:雷擊桿塔時(shí)的耐雷水、雷電流幅值超過(guò)I1的概率,r為建弧率,則百公里線路每年雷擊桿塔的跳閘次數(shù)n1=0.28(b+4hb)n×r×P1。

        建弧率以η表示,可按下式計(jì)算:

        η=4.5E0.75-14(%)

        (5)

        對(duì)于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)有:

        (6)

        對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)有:

        E=U/2l

        (7)

        式中,E—絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度。

        其中擊桿率按地形的不同可以有不同的取值,具體見(jiàn)表2。

        表2 擊桿率表

        1.2.2 繞擊跳閘率

        設(shè)繞擊率為Pa,百公里線路每年繞擊次數(shù)為0.28(b+4hb)Pa,假設(shè)I2和P2分別為:繞擊時(shí)的耐雷水平雷電流幅值超過(guò)I2的概率,則每百公里線路每年的繞擊跳閘次數(shù)為:

        n2=0.28(b+4hb)r×Pa×P2

        (8)

        1.2.3 線路雷擊跳閘率

        當(dāng)避雷線和導(dǎo)線的空氣間隙距離s,在檔距的中央處時(shí),滿足式s=0.012L+1,則雷擊避雷線檔距中央一般不會(huì)發(fā)生擊穿事故,故其跳閘率可視為0。因此,線路雷擊跳閘率:

        n=n1+n2=0.28(b+4hb)r(gP1+PaP2)

        (9)

        經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)果比較,得出以下的結(jié)論:

        110kV單回輸電線路,為門型鋼筋混凝土雙桿塔,雷擊跳閘率山區(qū)比平原高66.7%;220kV單回輸電線路,杯形鐵塔,雷擊跳閘率山區(qū)比平原高73.2%。

        2 基于VB程序計(jì)算耐雷水平和雷擊跳閘率

        各電壓等級(jí)下參數(shù)的取值見(jiàn)表3。

        表3 各電壓等級(jí)參數(shù)表

        桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時(shí),擊桿率為1/4時(shí),程序運(yùn)行的結(jié)果見(jiàn)表4。

        表4 運(yùn)算結(jié)果1

        桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時(shí),擊桿率為1/3時(shí),程序運(yùn)行的結(jié)果見(jiàn)表5。

        表5 運(yùn)算結(jié)果2

        桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時(shí),擊桿率為1/6時(shí),程序運(yùn)行的結(jié)果見(jiàn)表6。

        表6 運(yùn)算結(jié)果3

        通過(guò)上面的表格中的數(shù)據(jù)可以看出,耐雷水平隨輸電線路電壓等級(jí)的升高而增加;線路總的雷擊跳閘率隨著桿塔接地沖擊電阻的增大相應(yīng)增大。同一電壓等級(jí)下,雷擊桿塔時(shí)的雷擊跳閘率隨著擊桿率的增大而相應(yīng)增大,線路總跳閘率也相應(yīng)的增加。另外,研究發(fā)現(xiàn)桿塔的沖擊接地電阻的增大,同一電壓等級(jí)下,線路雷擊跳閘率相應(yīng)增加。

        3 結(jié)語(yǔ)

        耐雷水平越高,線路的耐雷性能好,雷擊跳閘率越小,線路的耐雷性能相對(duì)也較好。通過(guò)研究桿塔沖擊接地電阻與跳閘率的關(guān)系表明,隨著桿塔沖擊接地電阻的增大,跳閘率也響應(yīng)的增大;輸電線路電壓等級(jí)越高,耐雷水平也相應(yīng)地增大。圍繞耐雷水平和雷擊跳閘率兩項(xiàng)指標(biāo)的仿真計(jì)算,將直接影響對(duì)輸電線路的設(shè)計(jì)方案,從而在設(shè)計(jì)過(guò)程中提供極其重要的設(shè)計(jì)依據(jù)和意義。在眾多的仿真計(jì)算中往往都忽略了輸電線路運(yùn)行中工頻電壓的影響,工頻電壓的影響在仿真計(jì)算中會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)誤差,越是電壓等級(jí)高的線路誤差越大,這是在未來(lái)的研究中亟待進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

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