林敢,鮑明正,何一川,張曉琴,王智凱,王健,黎鵬
(1.湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心(三峽大學(xué)),湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002;3.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司興安供電公司,內(nèi)蒙古 興安 137400;4.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司,武漢 430074)
10 kV配電線路絕緣水平差、易發(fā)生雷擊故障,由于位于不同地區(qū)配電線路的地閃密度、地形地貌及防雷配置等存在差異,使得采用常規(guī)統(tǒng)一防雷措施的防雷策略存在經(jīng)濟(jì)性或效果較差的問題。因此,開展配電線路差異化防雷策略綜合評估,對提升配電線路運(yùn)行的安全可靠性具有重要意義[1-3]。
目前,對于線路各類防雷措施的評估開展了較多研究[4-7],但對于線路整體防雷方案綜合評估的研究相對較少。文獻(xiàn)[7]考慮跳閘率降低效果、防斷線效果、投入費(fèi)用、改造維護(hù)難易度與運(yùn)行壽命5 個(gè)因素,基于層次分析法建立了配電線路防雷方案評估模型。文獻(xiàn)[9]基于貝葉斯決策理論建立了輸電線路防雷措施決策模型,可根據(jù)輸電線路的不同運(yùn)行條件給出各防雷改造方案的推薦排序。文獻(xiàn)[10]通過計(jì)算雷擊跳閘率,對三明市10 kV 配電線路防雷措施效果進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)[11]提出基于同一地閃密度下的跳閘率計(jì)算方法,對江西電網(wǎng)常用防雷措施防雷效果進(jìn)行了定量評估。文獻(xiàn)[12]基于層次分析法考慮降低跳閘率、改造費(fèi)用、改造效果、改造壽命等5 個(gè)因素,提出了配電網(wǎng)防雷措施評估模型??梢?,線路防雷改造方案的綜合評估框架已較為完善,即通過計(jì)算不同防雷裝置對線路防雷能力的提升效果,結(jié)合改造花費(fèi)等因素采用層次分析法等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評分,根據(jù)評分結(jié)果排名完成評估。但現(xiàn)有研究主要集中在防雷改造方案本身,鮮有考慮被改造線路的運(yùn)行特征,而配電線路網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜,即使同一線路不同線路段之間運(yùn)行情況也存在較大差異,導(dǎo)致各改造方案的實(shí)際效果會隨之發(fā)生變化,因此,實(shí)際應(yīng)結(jié)合線路自身運(yùn)行條件來獲得最佳改造方案。
本文以實(shí)際10 kV 配電線路為研究對象,建立了基于MATLAB 與ATP-EMTP 的配電線路雷擊過電壓聯(lián)合仿真計(jì)算模型,分析了各防雷改造措施在不同運(yùn)行條件、不同組合安裝方式下的改造效果,并結(jié)合各方案的改造花費(fèi)建立了防雷改造方案性價(jià)比評估模型,得到各典型運(yùn)行條件下的防雷改造方案評估結(jié)果,可為10 kV 配電線路差異化防雷改造工作提供一定的參考。
本文選取湖北地區(qū)10 kV 戴嶺線作為典型配電線路進(jìn)行研究,該線路全長25.88 km,共有688 基桿塔、34 條支線,平均檔距為40 m,導(dǎo)線絕緣化率為14.94%,其中裸導(dǎo)線型號以LGJ-95 為主,絕緣導(dǎo)線型號主要為JKLYJ-10-95;線路絕緣子多采用老式針式瓶,僅有少部分線路段間隔1 桿安裝有線路型避雷器(型號為HY5WS-17/50),約占8%,根據(jù)桿塔坐標(biāo)繪制戴嶺線各桿塔分布如圖1所示。
圖1 戴嶺線典型地形及桿塔分布Fig.1 Typical terrain and tower distribution of Dailing line
線路包含平原空曠帶、山區(qū)丘陵帶兩種常見的走廊地形條件(已在圖1 中標(biāo)記),各地形桿塔數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。
表1 戴嶺線各地形桿塔數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of the number of towers on various terrains
線路雷電活動情況可通過雷電定位系統(tǒng)獲得的地閃密度數(shù)據(jù)表示,地閃密度越高,處于該區(qū)域線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)也越高。由于配電線路防雷能力普遍較弱,且70%以上的雷擊跳閘事故是由于雷電感應(yīng)過電壓引起的[13],因此需要根據(jù)感應(yīng)雷對線路的影響范圍來確定地閃密度圖繪制半徑。根據(jù)仿真計(jì)算,當(dāng)雷電流幅值為30 kA(湖北地區(qū)雷電流幅值平均值)時(shí),未安裝防雷措施的配電線路發(fā)生雷電感應(yīng)跳閘的距離約為200 m(雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線之間距離大于此距離時(shí)線路不發(fā)生閃絡(luò)跳閘),因此,繪制地閃密度時(shí)走廊半徑取200 m(總寬度為400 m)。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 40621-2021 地閃密度分布圖繪制方法》[14]給出的地閃密度分級標(biāo)準(zhǔn),得到戴嶺線2016—2021年的地閃密度分布如圖2所示。
圖2 2016—2021年地閃密度分布Fig.2 Distribution of flash densities in 2016—2021
對戴嶺線各風(fēng)險(xiǎn)等級桿塔數(shù)量與占比情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2所示。
表2 各風(fēng)險(xiǎn)等級桿塔數(shù)量及占比Tab.2 Numbers and proportions of towers at all risk levels
其中風(fēng)險(xiǎn)等級為A 級的稱為少雷區(qū),處于B 級的稱為中雷區(qū),處于C 級的稱為多雷區(qū),處于D 級與E 級的稱為強(qiáng)雷區(qū)。由表2 可知,戴嶺線處于少雷區(qū)的桿塔僅占1%;處于中雷區(qū)的桿塔僅占2.9%;處于多雷區(qū)的桿塔占比為77.18%;處于強(qiáng)雷區(qū)的桿塔占比為18.89%??梢姶鲙X線整體雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高,絕大多數(shù)桿塔處于多雷區(qū)或強(qiáng)雷區(qū)。
本文選取較為常見的避雷線、避雷器和增強(qiáng)絕緣3 種措施,對其防護(hù)效果進(jìn)行分析,下面逐一介紹各改造措施型號及基本參數(shù)。
2.1.1 避雷器
避雷器型號為HY5WS-17/50,標(biāo)稱放電電流為5 kA,伏安特性曲線如圖3所示[15]。
圖3 避雷器伏安特性Fig.3 V-A characteristics of the arrester
2.1.2 避雷線
避雷線型號與基本信息如表3所示。
表3 避雷線主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of the lightning line
2.1.3 增強(qiáng)絕緣
增強(qiáng)絕緣的方式為更換絕緣子,線路中原始絕緣子型號為P-10,更換的絕緣子型號有P-15 和XP-70兩種,其沖擊放電電壓參數(shù)如表4所示[16-17]。
表4 絕緣子沖擊放電電壓Tab.4 Impulse discharge voltage of insulator
匯總上述防雷措施價(jià)格信息如表5所示[16]。
表5 各防雷改造措施價(jià)格信息Tab.5 Basic information of lightning protection reform measures
對于上述防雷裝置單獨(dú)作用的效果評估已有大量研究結(jié)果,但對于多防雷裝置組合搭配使用的效果評估較少,本文將對上述防雷措施組合使用時(shí)的防雷效果與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究。
在進(jìn)行配電線路防雷改造時(shí),出于經(jīng)濟(jì)性考慮,需要優(yōu)先選取線路中雷害風(fēng)險(xiǎn)較高的線路段,根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與已采集到的線路信息,確定影響線路雷害風(fēng)險(xiǎn)的主要因素有3 個(gè):走廊地形情況、雷電活動情況以及防雷配置情況,下面分別對各因素的影響情況及篩選原則進(jìn)行分析。
2.2.1 走廊地形條件
走廊地形條件主要分為平原空曠帶與山區(qū)丘陵地帶兩種,其中處于山區(qū)丘陵地帶的線路受地質(zhì)條件與環(huán)境影響,往往具有較高的接地電阻,同時(shí)雷擊線路附近時(shí),具有坡度的地面會使雷電流產(chǎn)生的電場發(fā)生畸變,從而在導(dǎo)線上產(chǎn)生更高的雷電感應(yīng)過電壓引起跳閘,因此山區(qū)丘陵地帶的雷害風(fēng)險(xiǎn)最高[18],當(dāng)線路中同時(shí)存在兩種典型地形時(shí),應(yīng)優(yōu)先選取處于山區(qū)丘陵帶的線路進(jìn)行改造。
2.2.2 雷電活動情況
根據(jù)雷電定位系統(tǒng)采集的地閃密度信息,將線路雷地閃密度進(jìn)行分級,應(yīng)優(yōu)先選取高地閃密度的線路段進(jìn)行改造,以戴嶺線的地閃密度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為例,應(yīng)優(yōu)先選取處于強(qiáng)雷區(qū)的線路進(jìn)行改造。
2.2.3 防雷配置情況
配電線路普遍存在防雷配置較差的問題,大部分線路未安裝避雷器或其他防雷裝置,因此可根據(jù)防雷配置情況篩選掉部分已進(jìn)行改造過的線路,優(yōu)先選取防雷配置較差的線路進(jìn)行改造。
結(jié)合以上3 個(gè)原則,對戴嶺線改造桿塔進(jìn)行篩選,結(jié)果如表6所示。
表6 待改造桿塔篩選結(jié)果Tab.6 Screening results of the tower to be renovated
表6中的所有桿塔均未安裝防雷裝置,共有299基桿塔需要改造,占戴嶺線桿塔總數(shù)的43.46%,本文將針對表6中桿塔進(jìn)行差異化防雷改造。
差異化防雷策略評估需要結(jié)合各方案的防雷效果(雷擊跳閘率)以及改造費(fèi)用兩方面數(shù)據(jù)進(jìn)行,后者可通過市場調(diào)研獲得,而前者則只能通過對實(shí)際線路的大量建模仿真獲取。因此下面將首先介紹雷擊過電壓計(jì)算模型、雷擊特性聯(lián)合仿真計(jì)算模型的建模過程,最終引出本文的防雷策略評估模型。
3.1.1 配電線路雷擊過電壓計(jì)算模型
根據(jù)戴嶺線參數(shù),在ATP-EMTP中分別建立配電線路直擊雷過電壓與雷電感應(yīng)過電壓計(jì)算模型。
直擊雷計(jì)算模型中線路采用JMARTI 模型模擬,檔距取戴嶺線的平均檔距40 m,導(dǎo)線型號為LGJ-95。雷電流模型采用Heilder 模型[19-20],根據(jù)我國防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),雷電流波形參數(shù)設(shè)置為2.6/50 μs,雷電流回?fù)羲俣葹?.5×108m/s,雷電通道波阻抗取400 Ω。桿塔采用分段波阻抗模型,波阻抗取125 Ω[21-22]。絕緣子采用壓控開關(guān)進(jìn)行模擬;雷電感應(yīng)過電壓通過搭建自定義元件模型進(jìn)行計(jì)算[23-25]。直擊雷與感應(yīng)雷過電壓計(jì)算模型分別如圖4—5所示。
圖4 直擊雷過電壓計(jì)算模型(間隔裝設(shè)避雷器)Fig.4 Calculation model of direct lightning overvoltage(installing arresters at intervals )
圖5 雷電感應(yīng)過電壓計(jì)算模型(未安裝避雷器)Fig.5 Calculation model of lightning induced overvoltage(without arrester )
3.1.2 雷擊特性聯(lián)合仿真計(jì)算模型
采用3.1.1 節(jié)中搭建的仿真模型進(jìn)行防雷計(jì)算時(shí),需要根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的雷擊情況,修改模型中對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息與仿真參數(shù),以測得不同雷擊點(diǎn)的雷擊特性。在面對實(shí)際線路的大量桿塔時(shí),上述操作過程將大量重復(fù),因此本文提出了一種基于MATLAB 與ATP-EMTP 聯(lián)合仿真的計(jì)算方法,可實(shí)現(xiàn)輸電線路雷擊特性批量計(jì)算,減小人工計(jì)算所需的工作量,并進(jìn)一步通過MATLAB 中編寫的跳閘率計(jì)算結(jié)果,計(jì)算線路中各桿塔的雷擊跳閘率。整體計(jì)算流程如圖6所示。
圖6 雷擊特性聯(lián)合仿真計(jì)算流程Fig.6 Joint simulation calculation process of lightning characteristics
由圖6 可知,雷擊特性聯(lián)合仿真計(jì)算主要分為以下3個(gè)步驟。
1)對線路運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到各桿塔、檔距參數(shù)以及防雷配置信息;
2)在ATP-EMTP中搭建完整的雷擊特性仿真計(jì)算模型,并將基本參數(shù)、節(jié)點(diǎn)信息以及仿真判據(jù)在MATLAB中進(jìn)行設(shè)置,進(jìn)行循環(huán)求解;
3)輸出各節(jié)點(diǎn)的耐雷水平計(jì)算過程變量以及計(jì)算結(jié)果。
采用以上計(jì)算方法,即使在面對長線路時(shí),僅需根據(jù)各桿塔以及檔距的運(yùn)行情況搭建出仿真計(jì)算模型,設(shè)置并導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)信息至MATLAB程序中,即可完成全線的雷擊特性計(jì)算,結(jié)合雷電定位系統(tǒng)采集的線路地閃密度信息,在MATLAB中編制雷擊跳閘率計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算(計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[19]),即可獲取評估防雷策略所需的雷擊跳閘率數(shù)據(jù)。
3.1.3 評估模型
在相同地閃密度條件下,該防雷策略應(yīng)用后的跳閘率下降值越大表明防雷能力越強(qiáng),改造費(fèi)用越低表明經(jīng)濟(jì)性越好[26],由此構(gòu)建性價(jià)比K的計(jì)算公式如式(1)所示(為便于比較,此處雷擊跳閘率的計(jì)算條件中地閃密度取值為1次/(km2·a))。
式中:A0為改造前雷擊跳閘率,次/(100 km·a);A1為改造后雷擊跳閘率,次/(100 km·a);B1為改造費(fèi)用,萬元。K值越高表明該差異化防雷策略的經(jīng)濟(jì)性越好,反之亦然。由于不同線路走廊的雷電活動情況不同,因此在實(shí)際線路改造時(shí)需要根據(jù)實(shí)際地閃密度Ng與允許跳閘率P進(jìn)行方案篩選,排除改造效果不滿足運(yùn)行要求的策略,計(jì)算方法如式(2)所示。
式中:P為允許跳閘率,通常取湖北省10 kV 配電線路雷擊跳閘率平均值,單位:次/(100 km·a);Ng為地閃密度,次/(km2·a)。
綜上所述,評估流程為首先通過式(1)對各差異化防雷策略進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估,再通過式(2)對各策略進(jìn)行技術(shù)性篩選,淘汰部分不符合運(yùn)行要求的策略,即可得出最佳防雷策略。
戴嶺線平均檔距為40 m,每千米25 基桿塔,對兩種地形條件下線路加裝避雷器、絕緣子、避雷線3 種措施相互組合的共24 種防雷策略(包含原始線路)進(jìn)行分析,其中避雷器的安裝方式有逐基逐桿、間隔一桿、間隔兩桿、不安裝,共4 種;絕緣子安裝方式有全線更換為XP-70 絕緣子(2 片)、P-15 絕緣子、不更換,共3 種;避雷線安裝方式有全線架設(shè)、不架設(shè),共2 種。計(jì)算結(jié)果如表7 所示,表中改造效果為改造后單位地閃密度下的線路雷擊跳閘率(次/(100 km·a)),對應(yīng)式(1)中A1;改造花費(fèi)為每千米線路改造價(jià)格(萬元),對應(yīng)式(1)中B1。
以上防雷策略中19號為原始線路,未進(jìn)行改造,對應(yīng)式(1)中的A0。對比兩種地形下跳閘率計(jì)算結(jié)果可知,山區(qū)線路雷擊跳閘率比平原地區(qū)高出43%。
1—6號防雷策略改造效果近似,主要是因?yàn)槿€安裝避雷器時(shí),避雷器能有效鉗制雷擊發(fā)生時(shí)絕緣子兩端電壓,從而抑制閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生,因此在逐基逐桿安裝避雷器的條件下,再對絕緣子進(jìn)行改造的效果并不顯著,在選取方案時(shí)應(yīng)當(dāng)首先排除2、3、5、6號。
上述防雷策略中,經(jīng)濟(jì)性最好的為21 號,改造措施為將P-10 絕緣子更換為2 支XP-70 絕緣子,改造價(jià)格為每公里0.25 萬元,在單位地閃密度條件下,雷擊跳閘率為2.64 次/(100 km·a),略高于湖北省近年10 kV 配電線路平均跳閘率2.24 次/100 km·a,但在高地閃密度地區(qū)如多雷區(qū)(地閃密度為2.78 次/(km2·a))條件下,跳閘率將升至7.34 次/(100 km·a),遠(yuǎn)高于湖北省平均水平,難以保障線路運(yùn)行的安全可靠性。
防雷效果最好的策略為4 號,逐基逐桿裝設(shè)避雷器并配置避雷線能有效降低雷電感應(yīng)對線路造成的損壞,在地閃密度為1 次/(km2·a)條件下,雷擊跳閘率僅為0.08 次/100 km·a,即使處于強(qiáng)雷區(qū)(地閃密度為15.5 次/(km2·a))條件下,其雷擊跳閘率也僅為1.28 次/100(km·a),仍低于湖北省平均水平,且遠(yuǎn)低于單獨(dú)使用避雷器或避雷線的雷擊跳閘率(方案1 與方案22),但缺點(diǎn)在于該方案經(jīng)濟(jì)花費(fèi)較高,每公里改造價(jià)格為1.8萬元。
相比于效果最佳的4 號與經(jīng)濟(jì)性最佳的21 號,處于中間層級的防雷策略能更好的兼容防雷效果與改造花費(fèi)兩個(gè)指標(biāo),如策略12與策略18,分別為間隔1桿與間隔2桿安裝避雷器并全線裝設(shè)避雷線,改造價(jià)格分別為1.38與1.098萬元,改造后跳閘率分別為0.27 與0.31 次/100 km·a,在高地閃密度地區(qū)如強(qiáng)雷區(qū)(地閃密度為7.98 次/(km2·a))條件下,跳閘率將分別升至2.17 與2.44 次/(100 km·a),接近湖北省平均水平,因此上述兩個(gè)策略同樣具備較高的使用價(jià)值。
綜合分析表7 中各方案可知,最具性價(jià)比的策略在改造效果上存在上限,無法在高地閃密度條件下保障線路運(yùn)行的安全可靠性;改造效果最好的策略其經(jīng)濟(jì)性較差,能有效保護(hù)線路但需要較高的經(jīng)濟(jì)投入;處于中間層級的防雷策略則兼顧了改造效果與改造花費(fèi)兩個(gè)指標(biāo),更適用于中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)線路。在進(jìn)行具體線路的防雷改造時(shí),需要結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行選擇。
采用4.1 節(jié)建立的評估模型對3.2 節(jié)中確定的改造對象進(jìn)行10 kV 配電線路防雷策略應(yīng)用示例,結(jié)果如表8中所示。
表8 戴嶺線高風(fēng)險(xiǎn)線路段防雷改造結(jié)果Tab.8 Lightning protection reconstruction results of high risk line section of Dailing line
戴嶺線高風(fēng)險(xiǎn)線路段共涉及22 條支線,其中山區(qū)線路占14 條,防雷改造目標(biāo)均為使雷擊跳閘率不超過湖北省平均水平的50%(3.35 次/(100 km·a))。
通過對不同線路段的防雷改造方案篩選結(jié)果可知,主要采用的改造方案有4 號、12 號以及18 號,其中4 號方案主要用于山區(qū)線路或雷電活動極其頻繁的平原線路,12 號與18 號方案適用于情況稍為緩和其他高風(fēng)險(xiǎn)線路段。
根據(jù)表8 計(jì)算結(jié)果可知,戴嶺線未進(jìn)行防雷改造時(shí)的雷擊跳閘次數(shù)為14.652 次/a(由于篇幅原因,本文僅展示了高風(fēng)險(xiǎn)線路段詳細(xì)計(jì)算結(jié)果,實(shí)際則根據(jù)4.1 提出的評估模型對全線雷擊跳閘情況進(jìn)行了計(jì)算),高風(fēng)險(xiǎn)線路段的雷擊跳閘次數(shù)為9.039 次/a;改造后戴嶺線全線的雷擊跳閘次數(shù)下降至5.9 次/a,降幅約為60%,戴嶺線高風(fēng)險(xiǎn)線路段全線的雷擊跳閘次數(shù)下降至0.29 次/年,降幅約為97%。
以上為結(jié)合表7 中各防雷改造方案對戴嶺線進(jìn)行的差異化防雷策略應(yīng)用示例,可見,在相同改造目標(biāo)下,不同運(yùn)行條件對最終的方案選擇會造成一定影響,而本文提出的模型能較好地篩選出適用于不同運(yùn)行條件下的最佳防雷改造方案,實(shí)現(xiàn)架空配電線路的差異化防雷。
本文對10 kV 配電線路防雷差異化防雷策略進(jìn)行了研究,提出了基于MATLAB 與ATP-EMTP 聯(lián)合仿真的雷擊特性聯(lián)合仿真計(jì)算方法,并搭建了配電線路差異化防雷策略經(jīng)濟(jì)性評估模型,對目前常見的防雷措施在混合搭配使用條件下的防雷效果、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了綜合分析,并對實(shí)際10 kV 配電線路進(jìn)行了防雷策略應(yīng)用示例,得出主要結(jié)論如下。
1)10 kV 配電線路網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同一線路不同線路段的運(yùn)行條件差異顯著,因此在進(jìn)行防雷改造時(shí)應(yīng)優(yōu)先選取處于山區(qū)、高地閃密度(多雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū))條件下且未安裝防雷裝置的線路。
2)在已考慮的防雷措施中,最具性價(jià)比的防雷策略為全線加強(qiáng)絕緣,將原始絕緣子更換為絕緣能力更強(qiáng)的2片XP-70絕緣子能使跳閘率下降68.4%,但缺點(diǎn)在于改造效果有上限,僅適用于雷電活動較弱的線路,在高地閃密度條件下,線路仍有較高的雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)。
3)防雷效果最好的策略為逐基逐桿安裝避雷器與避雷線,在平原地區(qū)能使線路雷擊跳閘率下降99%,因此即使線路處于強(qiáng)雷區(qū),其雷擊跳閘率也能下降至可接受范圍,推薦在風(fēng)險(xiǎn)最高的支線或具備特殊保供電需求的支線使用。