輸電線路繞擊跳閘率分析計算

唐 震

(山西電力科學研究院,山西太原 030001)

輸電線路繞擊跳閘率分析計算

唐 震

(山西電力科學研究院,山西太原 030001)

根據電力行業(yè)標準以及改進電氣幾何模型算法,對山西北部電網一起因雷擊引起的220 kV輸電線路跳閘故障進行了分析計算,結果表明是一起典型的大電流繞擊跳閘故障。并根據計算結果對兩種算法進行了比較,進而提出改進措施,并用改進電氣幾何模型算法對改進措施進行了分析計算。

改進電氣幾何模型;繞擊跳閘率;電力行業(yè)標準

0 引言

電力工業(yè)是國民經濟的重要部門之一,它既為現代工業(yè)、現代農業(yè)、現代科學技術和現代國防提供必不可少的動力,又和廣大人民群眾的日常生活有著密切的關系,是國民經濟高速發(fā)展的前提和基礎。架空輸電線路是電力工業(yè) “發(fā)、輸、變”三大主要組成部分之一,而架空輸電線路縱橫延伸,地處曠野,大都是暴露在大氣中,同時也暴露在雷電危害之下。雷擊輸電線路是造成線路跳閘停電事故的主要原因之一,電力系統(tǒng)事故中雷害事故一般占50%以上[1]。瑞典1986年由于雷擊而引起的事故占所有事故的51%;日本50%以上的電力系統(tǒng)事故是由于雷擊輸電線路引起的;國際大電網會議公布的美國、前蘇聯等12個國家的電壓為275～500 kV,總長3.27萬km輸電線路連續(xù)3 a運行資料中指出,雷害事故占總事故的60%[2-3]。

在我國,雷擊輸電線路引起的事故也占很大比例,根據我國1991年—1996年合計60 149 km的500 kV的輸電線路 (幾乎全部為單回路)統(tǒng)計,雷擊跳閘率為0.136次/100 km·a[3]。隨著電網的發(fā)展,輸電線路的電壓等級越高,除了輸送容量的增大在系統(tǒng)中所占的重要性相對增加以外,其桿塔高度也增加,線路走廊的尺寸也隨之增大,引雷半徑自然也增大,這樣,雷電流引起的輸電線路跳閘事故所占的比例也越來越大。目前,評估輸電線路繞擊耐雷性能的方法主要有規(guī)程法、電氣幾何法等,本文主要根據山西北部電網發(fā)生的一起雷擊跳閘事故對防雷性能進行分析。

1 防雷性能計算

山西北部電網發(fā)生一起220 kV線路雷擊跳閘故障,其桿塔示意圖見圖1,桿塔參數見表1。

圖1 220 kV L-V塔示意圖,m

表1 雷擊故障L-V塔參數

1.1 反擊耐雷水平計算

雷電直擊桿塔或避雷線是造成反擊跳閘的主要形式。目前,對反擊跳閘主要采用電力行業(yè)標準法和電磁暫態(tài)計算EM TP(Electro Magnetic T ransient Program)法。

根據雷擊故障的桿塔資料,桿塔接地電阻較小,相鄰三基塔的接地電阻分別為6.7、4.5、4.3(沖擊系數取≤0.5),故反擊耐雷水平較高。根據行業(yè)標準,雷擊桿塔時的耐雷水平由式 (1)計算。

式中:I1——反擊耐雷水平,kA;

k ——耦合系數;

β ——桿塔分流系數;

U 50%——50%絕緣子串閃絡電壓,kV;

R ch ——沖擊接地電阻,Ω;

Lgt——桿塔電感,μH/m;

h d ——桿塔高度,m。

雷電流超過I1的概率P1=1.94%,可見超過此幅值的雷電流出現的概率較小。而雷電定位系統(tǒng)顯示實測雷電流為約60 kA,遠小于耐雷水平。根據國內外高壓線路的運行經驗表明,對于桿塔高度小于50 m、沖擊接地電阻小于5Ω的輸電線路,雷電反擊跳閘的可能性很小。

1.2 繞擊率計算

繞擊率計算按規(guī)程法、電氣幾何模型法及改進的電氣幾何模型法進行分析。

1.2.1 規(guī)程法

中華人民共和國電力行業(yè)標準 《交流電氣裝置的過電壓和絕緣配合》DL/T620—1997(以下簡稱 《電力行業(yè)標準》)是國內線路防雷的設計準則?！峨娏π袠I(yè)標準》根據模擬實驗與運行經驗指出,繞擊率與避雷線對導線外側的保護角、桿塔高度以及沿線路的地形地貌有關,山區(qū)線路可以按近似公式 (2)計算。

式中:pα——繞擊率;

α ——保護角,(°);

h ——桿塔高度,m。

根據式 (2)計算山區(qū)線路繞擊率 (當α=30°時)。

由此可見,發(fā)生繞擊跳閘事故的可能性也極小。

1.2.2 電氣幾何模型法[1]

20 世紀60年代出現的電氣幾何模型 EGM(Electric Geometry Model)是當今國際上流行的分析繞擊率的方法,以雷擊機理的現代知識作為基礎,基本原理建立在下列基本概念和假設基礎之上。

a)由雷云向地面發(fā)展的先導放電通道頭部到達被擊物體的臨界擊穿距離 (擊距)以前,擊中點是不確定的,先到達哪個物體的擊距之內,即向該物體放電。

b)擊距的大小與先導頭部的電位有關,擊距rs是雷電流幅值I的函數。各國采用此函數關系不完全相同。

式中k、p是兩個常數。這里取Whitehead推薦的系數k=6.72,p=0.8。

c)不考慮雷擊目的物體形狀和鄰近效應等其他因素對擊距的影響,假定先導對桿塔、避雷線、導線的擊距rs相等。

d)假定先導接近地面時的入射角服從某一給定概率分布函數g(ψ)。

圖2 雷擊線路的電氣幾何模型

以地面傾角 θ=0°,ψ=0°。根據以上假設作圖,見圖2。線路周圍的空間被劃分為三個區(qū)域,沿OK直線形成的斜面以上是雷擊避雷線的區(qū)域;OK斜面與C1 CiK拋物線沿線路形成的曲面所包圍的區(qū)域是雷繞擊導線的區(qū)域;C1 Ci K曲面以下是雷擊地面的區(qū)域;當雷電流幅值大于I sm時,雷或擊中避雷線,或擊中大地,不再發(fā)生繞擊,此時的Ism稱為最大繞擊電流,相應的擊距rsm稱為最大擊距,r sm可以通過圖2中的幾何關系導出[4]。

由上述可以看出,I max=3.8 kA＜I sc=12 kA,即本桿塔線路擋達到了有效屏蔽。按照EGM理論,在有效屏蔽條件下繞擊閃絡次數為零。

電力行業(yè)標準是建立在高壓線路經驗累積的基礎上制定的,在計算線路繞擊率時并未考慮雷電流的過程及地面傾角等對屏蔽效果的影響。電氣幾何法雖然引入了繞擊率與雷電流幅值相關的觀點,考慮了線路結構和雷電流參數對繞擊率的影響,但也未能考慮地面傾角、地面場強與導線平均場強等一系列因素。

1.2.3 改進的電氣幾何模型法

根據改進的電氣幾何模型法計算線路繞擊率,首先假定雷電先導放電時均勻垂直地從高空向地面發(fā)展的,即 ψ=0°。如圖2所示,幅值 Ii的雷電流擊于保護弧AiBi和暴露弧BiCi上的概率,分別與該兩弧在水平面的投影寬度成比例。因此其投影之比即為幅值為 Ii雷電流的繞擊率。由圖2可見,繞擊率與雷電流的幅值的大小有關,幅值低的雷電流具有較大的繞擊率,幅值高的雷電流具有較小的繞擊率。在理想條件下,當幅值達到最大繞擊電流Imax時,繞擊率為零,大于最大繞擊電流 Imax時不發(fā)生繞擊。當然,在山區(qū)地形、氣象等不利條件下,并不排除發(fā)生大電流繞擊的例外情況。

根據擊距與地面傾角的幾何關系,可以推導出考慮地面傾角以及擊距系數的最大擊距通用公式,見式 (5)。

按IEEE導則推薦,當避雷線高度小于40 m時,雷擊導線與雷擊地面時的平均臨界場強之比系數k取0.7;如k取1,則意味著不考慮平均場強的不同,僅考慮地面傾角的情況。這里取k=0.7,由此可由式 (6)計算出線路繞擊跳閘率[4]。

圖3 計算繞擊率程序框圖

式中: η ——建弧率,取0.8;

γ ——落雷密度,取0.07;

ΔI ——電流變化量;

ρ(Ii) ——超過 Ii電流幅值的概率;

GiD i ——弧投影;

n ——繞擊跳閘率。根據改進的電氣幾何模型理論,自行編制程序進行計算,計算程序框圖見圖3。不同地面傾角的繞擊跳閘率計算結果見表2。

表2 不同地面傾角以及避雷線橫擔增加0.2m后的繞擊跳閘率

2 結論

a)山西北部電網一起雷擊故障是典型的因地形而引起的大電流繞擊跳閘故障。

b)在地面傾角小于15°時,暴露弧為零,繞擊跳閘率為零。隨著地面傾角的增加,繞擊跳閘率急劇增大。因此,對于運行中的此類桿塔,除應裝設防繞擊側針外,也應適當調整避雷線的保護角。

c)在輸電線路設計中,針對不同地形情況(如山區(qū)、丘陵等特殊路段),修正設計參數,提高線路防雷性能。如增加避雷線增加橫擔0.2 m,繞擊跳閘率將迅速減小。

d)利用改進電氣幾何算法計算出的繞擊跳閘率較高。因此,對于特殊地段,電力行業(yè)規(guī)程的計算結果偏小,應予以修正。

[1] 谷定燮,聶定珍.三峽500 kV出線同桿雙回線路雷電性能研究 [J].高電壓技術,1999,25(3):14-17.

[2] 維列夏金,吳維韓.俄羅斯超高壓和特高壓輸電線路防雷運行經驗 [J].高電壓技術,1998,24(2):76-79.

[3] 劉振亞.特高壓交流輸電系統(tǒng)過電壓與絕緣配合 [M].北京:中國電力出版社,2008:38-51.

[4] 英國.R.H.Golde.雷電 (下卷)[M].李文恩,李福壽,譯.北京:水利電力出版社,1983:184-227.

Lightning Shielding Failure Analysis of Transm ission Line

TANG Zhen
(Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

Based on the standard of Electric Pow er Industry and im proved EGM,a lightning shielding failure o f 220 kV transmission line of North grid of Shanxiw as analysised and calculated,the result of which reveals that it is a typical high current shielding failure flash-over.The resultw as also compared with method from Electric Pow er Industry Standard,then a measure w as put forw ard and analysised using imp roved EGM method.

Imp roved EGM;shielding failure flash-over rate;Electric Power Industry Standard

TM 863

A

1671-0320(2010)03-0005-03

2010-03-01,

2010-04-20

唐 震 (1966-),男,陜西潼關人,1996年畢業(yè)于華北電力大學電力系統(tǒng)自動化專業(yè),高級工程師,主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護以及電力系統(tǒng)過電壓。

book=37,ebook=261