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        緊湊型線路防雷性能的理論計(jì)算與分析

        2020-11-29 14:05:48梁盼望湯光爭
        機(jī)電信息 2020年33期
        關(guān)鍵詞:耐雷避雷線計(jì)算方法

        張 勝 歐 敏 梁盼望 湯光爭

        (中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司,湖南長沙410007)

        0 引言

        圖1 雷擊避雷線時輸電線路示意圖

        近年來,我國的輸電線路建設(shè)為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了重大的支撐作用,采用節(jié)約輸電走廊的緊湊型線路作為其中一種先進(jìn)技術(shù)的代表正在日益推廣使用。在我國雷擊跳閘率比較高的地區(qū),由雷擊引起的輸電線路事故次數(shù)占總事故次數(shù)的40%~70%,緊湊型輸電技術(shù)措施在降低成本的同時,會對線路的防雷性能產(chǎn)生一定影響。因而,在緊湊型線路設(shè)計(jì)中,線路防雷性能的研究就成為設(shè)計(jì)中保證線路安全性的一個重要前提措施。

        1 研究方法

        輸電線路的防雷性能主要采用理論計(jì)算的方法,根據(jù)反擊與繞擊兩種不同現(xiàn)場情況,采用不同的方法進(jìn)行計(jì)算。分為兩個主要部分:

        (1)基于電路模型進(jìn)行元件建模,采用專用計(jì)算機(jī)仿真軟件PSCAD/EMTDC計(jì)算雷擊桿塔時線路的耐雷水平。其中,PSCAD界面系統(tǒng)可以通過簡單的拖放操作搭建圖形化的輸電線桿塔的物理模型,自動生成電氣參數(shù)。EMTDC將程序分為幾個部分:核心計(jì)算模塊、電路參數(shù)計(jì)算模塊、用戶模型定制模塊。

        (2)基于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范提供的方法進(jìn)行繞擊耐雷水平和雷擊跳閘率的計(jì)算。

        2 研究內(nèi)容

        2.1 輸電線路雷電過電壓的仿真計(jì)算模型

        輸電線路雷電過電壓仿真計(jì)算的基本思路是對輸電線路中雷電流、輸電線路、桿塔、絕緣子進(jìn)行電路建模,刻畫對應(yīng)元件的暫態(tài)特性,根據(jù)元件的等效模型建立輸電線路雷電過電壓計(jì)算模型,采用相應(yīng)的電路計(jì)算方法對雷擊桿塔時發(fā)生的暫態(tài)過程進(jìn)行定量計(jì)算。如圖1所示,選取遭雷擊桿塔和鄰近若干桿塔以及其間的輸電線組成的系統(tǒng)作為仿真計(jì)算對象。

        圖2所示為雷擊桿塔塔頂避雷線時,由相鄰3個桿塔和其間4段線路組成的輸電線路系統(tǒng)仿真模型示意圖。施加不同幅值雷電流,通過仿真判斷與T1相連接的絕緣子的絕緣狀態(tài),即可獲得桿塔線路雷電過電壓。下面將對輸電線路系統(tǒng)的計(jì)算原理做詳細(xì)介紹。

        圖2 輸電線路系統(tǒng)仿真模型示意圖

        2.2 輸電線路模型

        由于雷擊輸電線路的作用范圍比線路導(dǎo)線的換位步距小得多,計(jì)算線路的電氣參數(shù)時,輸電線路被看成包括地線、三相導(dǎo)線在內(nèi)的n根不換位多導(dǎo)線系統(tǒng)來處理。線路的電感和電容等參數(shù)均取高頻時(106Hz)的參數(shù),多導(dǎo)線線路的電氣參數(shù)采用已有的線路參數(shù)計(jì)算程序來計(jì)算[1]。本工作采用求解單導(dǎo)線波過程的Bergeron計(jì)算方法分別對每個模量求解,得到模量上的波過程解以后再反變換到相量,得到相量上的電壓和電流解[2]。

        表1 耐雷水平和雷擊跳閘率

        2.3 雷擊跳閘率

        根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]提供的計(jì)算方法,雷擊跳閘率由公式(1)計(jì)算得到:

        式中:n1為雷擊桿塔時的跳閘率;n2為雷電繞擊導(dǎo)線時的跳閘率。

        2.3.1 雷擊桿塔跳閘率(規(guī)程法)

        雷擊桿塔跳閘率計(jì)算公式如下:

        式中:N為每100 km線路每年遭受雷擊的次數(shù)[4];g是擊桿率;P1是雷電流幅值超過雷擊桿塔耐雷水平I1的概率;η是建弧率。

        2.3.2 繞擊跳閘率(規(guī)程法)

        規(guī)程法繞擊跳閘率計(jì)算公式如下:

        式中:參數(shù)N和η的意義和求法與n1的算法相同;Pa是繞擊率,輸電走廊地形不同,其計(jì)算方法略有差異;P2是雷電流幅值超過繞擊耐雷水平I2的概率。

        2.3.3 雷擊跳閘率(電氣幾何模型計(jì)算方法)

        電氣幾何模型是指將雷電的放電特性與線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來而建立的一種幾何分析計(jì)算模型?;驹砗图僭O(shè)如下[4]:

        (1)由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)放電通道頭部到達(dá)被擊物體的臨界擊穿距離——擊距之前,擊中點(diǎn)不確定。頭部到達(dá)某物體的擊距以內(nèi),即向該物體放電。

        (2)擊距rs的大小由雷電流幅值I決定。

        (3)不考慮雷擊目的物體形狀和鄰近效應(yīng)等因素對擊距的影響,假定先導(dǎo)對桿塔、避雷線、導(dǎo)線的擊距rs相等。

        (4)假定先導(dǎo)接近地面時的入射角服從某一給定概率分布函數(shù),垂直落雷密度最大,水平落雷密度下降到零。

        3 計(jì)算結(jié)果

        在地面傾角小于完全屏蔽最大地面傾角時,采用懸掛點(diǎn)高度和沿線平均法進(jìn)行計(jì)算,線路的繞擊跳閘率為零,即線路在避雷線的完全屏蔽之下,在這種地形條件下,從統(tǒng)計(jì)角度講,線路不會發(fā)生繞擊事故。在傾角大于完全屏蔽最大地面傾角的傾斜地面上,雷擊跳閘率隨角度增大而增大(表1)。從計(jì)算結(jié)果可知緊湊型保護(hù)角為-17.7°,因此,15°以下傾角時的繞擊跳閘率為零。

        4 結(jié)語

        本文研究了500 kV緊湊型輸電線路的防雷性能?;趨?shù)選擇和理論計(jì)算,研究結(jié)果表明緊湊型線路由于副保護(hù)角比較大,線路繞擊不占主要成分,而線路反擊是主要矛盾。500 kV輸電線路反擊耐雷水平為125~175 kA,雷擊跳閘率為0.17~0.42次/(100 km·a)。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知,本項(xiàng)目中線路高度為28 m和33 m情況下,桿塔接地電阻為15 Ω以下時,耐雷水平高于建議下限,線路雷擊跳閘率均低于0.3次/(100 km·a),線路防雷性能符合要求。

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