高磊,鄧冶強,王羽,文習(xí)山

(1.國網(wǎng)江蘇省有限公司無錫供電分公司,江蘇 無錫 214000;2.武漢大學(xué),電氣與自動化學(xué)院,湖北 武漢 430000)

0 引 言

雷擊危害是威脅線路安全的主要因素,會造成斷路器斷口絕緣擊穿、重合閘失敗、站內(nèi)避雷器損壞等危害,是造成線路跳閘、突發(fā)停電的主要原因,因此,為保障輸電線路的安全運行,需要結(jié)合線路的實際運行情況,計算輸電線路的防雷性能,從而針對性地進行線路防雷改造。

輸電線路的防雷計算主要包括繞擊和反擊計算,而超、特高壓由于建設(shè)初期對線路的絕緣水平要求較高,相較低電壓等級線路,雷擊桿塔或避雷線不易引起雷擊跳閘事故,因此學(xué)者主要討論超、特高壓線路的繞擊計算[1-3]。關(guān)于輸電線路的繞擊計算方法,目前主要有電氣幾何模型法(electric geometry model,EGM)[4-5]和先導(dǎo)發(fā)展模型法(leader progression model,LPM)[6]。電氣幾何模型法是將雷電的放電特性與線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來建立的一種幾何分析計算方法,具有簡單明了和易于算法實現(xiàn)的特點,在輸電線路的防雷計算中得到了廣泛應(yīng)用。先導(dǎo)發(fā)展模型法詳細地描述了雷電發(fā)展中的各個過程,并對中間的各種參數(shù)進行了量化并推導(dǎo)了公式,但由于相關(guān)參數(shù)的獲取與模型的建立都較為繁雜,目前工程上仍然主要采用電氣幾何模型法。

經(jīng)典的電氣幾何模型法只考慮了導(dǎo)線與避雷線、避雷線與大地的擊距關(guān)系,沒有考慮其他導(dǎo)線與導(dǎo)線的屏蔽關(guān)系,只能用于單根輸電線路的繞擊率計算[4,7],限制了模型的使用范圍。文獻[5]考慮了同一輸電走廊平行架設(shè)的鄰近線路對±1 100 kV線路的雷電屏蔽影響,建立了考慮并行排列線路影響的繞擊計算模型;但以上文獻考慮其他導(dǎo)線對計算線路的影響時,只考慮了上方或相鄰平行架設(shè)線路的影響,并沒有考慮交跨線路的情況。隨著我國超、特高壓線路進入快速建設(shè)時期,遠距離特高壓輸電線路的不斷興起,橫縱交錯的超、特高壓線路相互穿越增多[8-9],在兩線路穿越點處,由于上方穿越輸電線路擊距具有屏蔽作用,導(dǎo)致穿越處下方輸電線路在引雷特性、雷電屏蔽特性及雷擊故障形式和分布特征等方面與一般輸電線路可能存在較大差異。由于兩線路交叉跨越處有可能發(fā)生相間間隙擊穿,為保證穿越點處上下方線路具有足夠的絕緣距離,需要增高上方特高壓桿塔的高度。如果穿越點上方線路對下方線路的雷電屏蔽效應(yīng)能夠滿足下方線路的繞擊率要求,可以選擇在穿越點附近的部分下方線路不架設(shè)避雷線,從而減小特高壓桿塔的架設(shè)高度并降低建設(shè)成本,因此需要對線路鉆越處的上方線路的雷電屏蔽特性和下方線路穿越點附近的避雷線的架設(shè)方式進行深入的研究。

本文開展了上方穿越1 000 kV交流特高壓線路輸電通道對下方500 kV交流輸電線路的雷電屏性能仿真研究?；陔姎鈳缀文Ｐ?建立了考慮上方穿越1 000 kV交流線路雷電屏蔽影響下方500 kV線路繞擊計算模型,計算了鉆越點下方不同區(qū)域500 kV線路的暴露弧平均投影寬度,從而計算下方鉆越線路的繞擊率。模型還考慮了下方鉆越500 kV線路避雷線架設(shè)情況對500 kV各相繞擊率的影響,進而給1 000 kV交流特高壓線路穿越的500 kV線路的防雷設(shè)計與安全運行提供科學(xué)合理的建議。

1 計算原理

1.1 經(jīng)典的電氣幾何模型

經(jīng)典的電氣幾何模型由H.R.Armstrong等人在1968年提出[4],其理論的基本原理主要包括以下兩點:

1)在雷電發(fā)展沒有進入地面物體引雷范圍時,雷電先導(dǎo)的發(fā)展過程是隨機的,不受地面物體形狀和位置的影響。當(dāng)雷電先導(dǎo)發(fā)展進入到某物體的引雷范圍內(nèi),雷電發(fā)展是確定的,即對該物體放電。

2)引入擊距的概念,定義為雷電先導(dǎo)頭部被地面物體吸引至雷擊點的距離,認(rèn)為擊距為雷電流幅值的函數(shù),函數(shù)關(guān)系為

rc=KIP

(1)

其中常數(shù)K和P的取值根據(jù)文獻[10]中取值,K=10,P=0.65,相應(yīng)的擊距公式為

rc=10I0.65

(2)

本文采用的計算模型考慮大地、避雷線與導(dǎo)線的引雷能力并不相同,即各自具有不同大小的擊距[11]。定義當(dāng)導(dǎo)線擊距為rc時,避雷線擊距rgw與大地擊距rg的計算公式分別為式(3)、式(4):

rg=kgrc

(3)

rgw=kgwrc

(4)

式中:kg和kgw分別表示避雷線和大地的擊距系數(shù),kg=1,kgw=0.9。

模型考慮了導(dǎo)線工作電壓的影響,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11],考慮工作電壓的導(dǎo)線擊距公式為

rc=1.63(5.015I0.578+Ug)1.125

(5)

式中:Ug為導(dǎo)線的工作電壓,I為雷電流幅值。

1.2 考慮交跨線路影響的電氣幾何模型

本文研究兩線路垂直穿越的情況,以上方1 000 kV鼓形雙回交流線路垂直穿越下方500 kV干字型線路為例,討論上方線路的雷電屏蔽影響,雷電流垂直入射情況下穿越線路的3維EGM屏蔽模型如圖1所示。

圖1 雷電流垂直入射情況下穿越線路的3維EGM屏蔽模型

如圖1所示,上方各線路擊距構(gòu)成的屏蔽弧具有引雷能力,其擊距范圍在穿越通道內(nèi)對下方線路具有雷電屏蔽效應(yīng),W1(I,π/2)表示雷電流垂直入射情況下的500 kV線路單側(cè)暴露弧的投影寬度,W2(I,π/2)表示雷電流垂直入射情況下的1 000 kV各線路擊距屏蔽弧在500 kV線路上的投影寬度。由圖1可知,當(dāng)雷電流垂直入射情況下,上方線路的屏蔽面積為St(I,π/2)。

由于雷擊具有隨機性,每一次雷電流幅值和入射角是不確定的,通過500 kV干字型線路橫截面的EGM模型可以求得考慮雷電流幅值和入射角下的導(dǎo)線單側(cè)平均暴露弧投影W1(I,θ),如圖2所示。

圖2 500 kV干字型線路的EGM模型

由圖2可得,弧AB、弧DE是線路擊距形成的暴露弧,弧BC、弧CD是避雷線擊距形成的屏蔽弧,W1為綜合考慮不同雷電流幅值和入射角情況下的導(dǎo)線單側(cè)平均暴露弧投影,不考慮上方線路屏蔽影響的情況下,其數(shù)值主要受雷電流幅值和雷電流入射角的影響。W1通過式(6)、式(7)分兩步進行計算。式(7)對導(dǎo)線單側(cè)平均暴露弧投影的計算沒有考慮上方穿越線路的雷電屏蔽影響,從而認(rèn)為500 kV線路不同位置的單側(cè)平均暴露弧投影均為W1。

(6)

(7)

式中:W1(I)表示考慮雷電流入射角后的暴露弧投影寬度,W1(I,θ)表示特定雷電流幅值和入射角下的500 kV暴露弧投影寬度,Imin和Imax分別表示可能出現(xiàn)的最小和最大雷電流,p(I)和p(θ)分別為雷電流幅值和入射角的概率密度函數(shù),根據(jù)相關(guān)文獻及標(biāo)準(zhǔn)[4,12],其函數(shù)分別為式(8)、式(9):

(8)

(9)

如果考慮上方線路的雷電屏蔽影響,可以得出下方500 kV線路不同位置的平均暴露弧投影存在較大差異,如圖3所示。

圖3 穿越點處上方線路截面

由圖3可知,當(dāng)雷電流幅值變大時,1 000 kV各線路擊距屏蔽弧的屏蔽范圍也隨之變大。確定雷電流幅值并改變雷電流入射角對下方線路的雷電屏蔽情況進行分析可以得出:當(dāng)雷電流垂直入射時,上方1 000 kV交流線路對下方500 kV線路的屏蔽區(qū)域為AB;當(dāng)雷電流以θ角入射時,屏蔽區(qū)域變?yōu)镃D。當(dāng)雷電流入射角改變的過程中,有一部分區(qū)域(AD)始終被屏蔽,因此線路AD部分的平均暴露弧投影W1=0;但下方500 kV線路其他區(qū)域屏蔽情況會隨著雷電流入射角變化而改變,因此500 kV沿線的平均暴露投影是一個與線路位置關(guān)聯(lián)的變量W1(x)。

以上方鼓形線路中心軸為y軸,以中心軸與下方線路的鉆越點為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系,其中橫坐標(biāo)x表示距鉆越點的距離,縱坐標(biāo)y表示500 kV沿線不同位置的平均暴露弧投影,坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)系

考慮上方穿越線路屏蔽影響后,500 kV沿線不同位置的平均暴露弧投影W1(x)隨下方線路位置的變化趨勢如圖5所示。

圖5 考慮上方穿越線路屏蔽影響后的平均暴露弧投影

與經(jīng)典的EGM模型不同,考慮上方線路雷電屏蔽特性后需要引入500 kV線路的位置變量和上方線路的屏蔽范圍判斷,從而求解500 kV沿線的不同位置的平均暴露投影,并通過積分的方式計算500 kV線路的繞擊率。具體分為以下步驟:

1)屏蔽范圍計算。在某一特定雷電流入射角和雷電流幅值下,計算上方導(dǎo)線擊距構(gòu)成的屏蔽弧的屏蔽范圍R:r1(I,θ)

2)入射角循環(huán)。在下方線路x位置處,固定雷電流大小,計算不同雷電流入射角下的暴露弧投影。

(10)

式中:w1(I,θ,x)是500 kV線路位置x的暴露弧投影,其值由500 kV各線路擊距的幾何關(guān)系求得,并與屏蔽范圍R比較,若屬于屏蔽范圍內(nèi),則令當(dāng)前w1(I,θ,x)=0。

3)雷電流幅值循環(huán)。這一階段將雷電流從最小雷電流Imin到最大雷電流Imax之間循環(huán),對于不同的雷電流幅值,重復(fù)步驟1)和步驟2)計算上方穿越線路的屏蔽范圍和特定雷電流幅值下的暴露弧投影W1(x,I),結(jié)合雷電流幅值概率密度分布函數(shù)p(I),求出500 kV沿線不同位置的平均暴露弧投影W1(x):

(11)

4)計算繞擊率。根據(jù)繞擊率的定義,即每年100 km線路發(fā)生繞擊的次數(shù)。考慮上方線路屏蔽時線路的雷電暴露區(qū)域通過積分求出,從而得出繞擊率n的計算公式[單位:次/(100 km·年-1)]。

(12)

式中:Td取標(biāo)準(zhǔn)雷暴日40日/年,地面落雷密度γ取0.07次/km2·雷暴日。

2 典型線路計算

2.1 線路參數(shù)

以1 000 kV交流雙回鼓型線路穿越500 kV交流干字型線路為例,研究上方特高壓線路對下方線路的屏蔽作用,線路桿塔參數(shù)如圖6所示。

(a)500 kV桿塔參數(shù)

(b)1 000 kV桿塔參數(shù)圖6 計算線路的桿塔參數(shù)

計算時,假設(shè)上方1 000 kV線路垂直穿越下方500 kV線路,線路穿越點位于下方500 kV線路的檔距中央,地面平均落雷密度、雷電流幅值分布函數(shù)和雷電入射角分布函數(shù)等雷電參數(shù)均按前文取值。

2.2 不考慮交叉跨越線路屏蔽的計算

基于經(jīng)典的電氣幾何模型,不考慮上方穿越線路屏蔽作用的500 kV干字型線路,對各相在帶避雷線和不帶避雷線兩種情況下的繞擊率進行計算,計算結(jié)果如表1所示。

表1 500 kV干字型線路有無帶地線情況的繞擊率對比 單位:次/(100 km·年-1)

由表1可得,對比干型線路帶地線時的情況,當(dāng)該干型線路不帶地線時,三相導(dǎo)線失去避雷線的屏蔽保護作用,均暴露雷電的直接威脅之下,繞擊率急劇增加,尤其是邊相(A、C相)導(dǎo)線失去避雷線的屏蔽保護作用以后,繞擊率增加到很大一個值,中相B相導(dǎo)線繞擊率也增加很多。

2.3 上方穿越線路的屏蔽影響

當(dāng)500 kV線路不帶地線運行時,500 kV沿線不同位置各相單側(cè)平均暴露弧投影寬度見圖7。

圖7 無地線500 kV線路各相暴露弧投影隨距離變化

由圖7可知,不帶地線的500 kV鼓型線路從上下線路穿越中心點出發(fā),沿鼓型線路,當(dāng)距離x增加時,各相暴露弧投影寬度從0 m開始逐漸變大。當(dāng)沿線距離超過200 m后,各相導(dǎo)線的平均暴露弧投影不再發(fā)生變化,說明上方穿越的1 000 kV線路不再對下方500 kV線路產(chǎn)生屏蔽作用。

當(dāng)500 kV線路帶地線運行時,500 kV沿線不同位置各相單側(cè)平均暴露弧投影寬度隨沿線位置的變化如圖8所示。

圖8 帶地線500 kV線路各相暴露弧投影隨距離變化

由圖8可知,上方1 000 kV線路對下方帶避雷線的500 kV線路仍然具有雷電屏蔽的作用,沿鼓型線路,當(dāng)距離x增加時,各相暴露弧投影寬度從0 m開始逐漸變大。當(dāng)x<26 m時,500 kV線路三相導(dǎo)線均額外受上方線路的雷電屏蔽作用,各相暴露弧投影寬度均為0 m;當(dāng)26 m≤x<43 m時,下方線路逐漸遠離穿越點,受上方線路的屏蔽作用減小,各相暴露弧投影寬度開始逐漸增加;當(dāng)x≥43 m時,各相暴露弧投影寬度穩(wěn)定不變,不再受到來自上方線路的雷電屏蔽效應(yīng)。

對比圖7和圖8可得,上方1 000 kV線路對下方不帶避雷線的線路屏蔽作用更強。這是由于當(dāng)下方線路不帶地線運行時,線路的暴露弧投影區(qū)域更大,更容易受到上方線路雷電屏蔽的作用。

2.4 穿越線路避雷線架設(shè)方式分析

為研究下方線路避雷線架設(shè)方式,計算了下方線路穿越點兩側(cè)不架設(shè)避雷線的線路長度s與各相繞擊率n的對應(yīng)曲線,s=0表示全線架設(shè)避雷線的情況,曲線如圖9所示。

圖9 下方線路穿越點附近不架設(shè)避雷線的線路長度與各相繞擊率的對應(yīng)曲線

由圖9可得,當(dāng)下方線路穿越點附近不架設(shè)避雷線的線路長度s較小時,上方線路的屏蔽影響十分明顯,各相繞擊率與全線架設(shè)避雷線的情況相比變化很小。當(dāng)s>100 m后,各相繞擊率開始迅速增加,此時上方線路的屏蔽影響開始減弱。

對500 kV線路桿塔而言,檔距一般為400 m。假定上方線路與下方線路的穿越點在下方線路的檔距中央處,則s=200對應(yīng)穿越點下方線路1基桿塔不架設(shè)避雷線的情況,由圖9可以得出,此時的三相繞擊率為每年0.22次/100 km,相較全線架設(shè)避雷線的三相繞擊率每年0.16次/100 km變化不大,因此可以選擇穿越點附近下方線路1基桿塔不架設(shè)避雷線。

3 結(jié) 論

基于電氣幾何模型法,對上方穿越鼓形雙回1 000 kV交流特高壓線路輸電通道對下方帶地線和不帶地線的500 kV干字型交流輸電線路的雷電屏蔽性能進行了仿真研究,并分析了下方穿越線路避雷線架設(shè)方式對各相繞擊率的影響,得出以下結(jié)論:

1)上方穿越線路擊距構(gòu)成的屏蔽弧對下方穿越線路具有雷電屏蔽作用,且距離上下線路穿越點越近,屏蔽作用越強。當(dāng)距穿越點的距離到達一定數(shù)值后,下方線路不再受到來自上方線路的雷電屏蔽效應(yīng)。

2)上方穿越線路對下方不帶避雷線的線路屏蔽作用更強。這是由于當(dāng)下方線路不帶地線運行時,線路的暴露弧投影區(qū)域更大,更容易受到上方線路雷電屏蔽作用的影響。

3)由于上方穿越線路對下方線路穿越點附近區(qū)域具有雷電屏蔽作用,因此被穿越的下方線路穿越點附近的部分線路可以不架設(shè)避雷線。1 000 kV鼓形雙回線路穿越500 kV干字型線路經(jīng)過仿真計算,當(dāng)穿越點附近下方線路不架設(shè)避雷線的桿塔基數(shù)在1基以內(nèi)時,線路的三相繞擊率相較于全線架設(shè)避雷線情況變化不大。為降低上方特高壓線路桿塔的架設(shè)高度,可以選擇穿越點附近下方的1基線路不架設(shè)避雷線。