500kV緊湊型線路雷電反擊特性的計(jì)算研究

劉 東 馬 儀 陳 磊 趙 明 許丹莉 王毅楠

(1.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站 昆明 650217;2.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

由于緊湊型線路具有電磁環(huán)境友好、節(jié)約輸電走廊等特點(diǎn)，日益被推廣使用［2～3］。云南電網(wǎng)地處高海拔地區(qū)，輸電線路處在雷電活動(dòng)頻繁，雷暴日高。根據(jù)云南電網(wǎng)多年統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，雷擊是造成線路跳閘的主要原因，云南電網(wǎng)輸電線路防雷問題嚴(yán)峻。因此，對(duì)緊湊型線路的防雷性能進(jìn)行研究，探討進(jìn)一步降低其累計(jì)跳閘的可能性，對(duì)其安全運(yùn)行具有重要的實(shí)用意義。本文采用bergeron法計(jì)算高海拔地區(qū)緊湊型線路的耐雷水平和反擊跳閘率。

2 雷電反擊模型的建立

首先建立雷電流、線路和桿塔的等效模型，通過該模型計(jì)算雷擊過程中絕緣兩端的過電壓波形，依據(jù)某種閃絡(luò)判據(jù)對(duì)該波形進(jìn)行分析，判斷絕緣是否發(fā)生閃絡(luò)，介于閃絡(luò)與不閃絡(luò)之間的雷電流臨界值即為耐雷水平，最后利用耐雷水平等參數(shù)根據(jù)規(guī)程所述方法計(jì)算雷擊跳閘率。目前絕緣閃絡(luò)判據(jù)方法主要有三種:定義法，先導(dǎo)發(fā)展法和相交法。三種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。這里為計(jì)算簡(jiǎn)便起見，采取的為定義法判據(jù)。若所求得的耐雷水平為I時(shí)，則反擊跳閘率n的計(jì)算公式為:

式中，η為建弧率，與平均運(yùn)行電壓梯度的關(guān)系可用下式表示:

式中E為絕緣子串的平均運(yùn)行電壓(有效值)梯度，kV/m

g為擊桿率，其相應(yīng)取值如下表1所示［3］:

表1 擊桿率的取值

P1為超過雷擊桿塔頂部時(shí)耐雷水平的雷電流概率，且

其中式(4)用于除陜南以外的西北地區(qū)和內(nèi)蒙古部分地區(qū)。

雷擊次數(shù)為Nl(單位次/100km·40雷暴日)，其計(jì)算公式為:

式中b為兩根避雷線之間的距離(m)，h為避雷線的平均高度(m)。

目前對(duì)反擊的分析方法主要有規(guī)程法、行波法和 bergeron法等，本文基于 bergeron法，對(duì)500kV緊湊型塔線路的反擊特性進(jìn)行了計(jì)算分析。

本文計(jì)算雷擊跳閘率時(shí)采用規(guī)程規(guī)定的年雷暴日為40日。

2.1 雷電流模型

常用的典型化的雷電流等值波形有標(biāo)準(zhǔn)沖擊波、等值斜角波、等值余弦波和雙指數(shù)波等。在仿真計(jì)算中，我們采用2.6/50us的雙指數(shù)波作為雷電流的等值波形，并取400歐為雷電通道電阻。2.6/50us的雙指數(shù)雷電流等值波形的標(biāo)準(zhǔn)公式如下式所示:

式中A為與所要取雷電流幅值有關(guān)的常量。

2.2 緊湊型塔模型

在仿真計(jì)算中，采用波阻抗來建立緊湊型塔模型，將桿塔的主干、支架和橫擔(dān)分成幾部分，分別計(jì)算其波阻抗，構(gòu)成整個(gè)桿塔的模型。桿塔沖擊接地電阻是影響線路耐雷水平的非常敏感的因素，我們選對(duì)桿塔沖擊接地電阻對(duì)耐雷水平的影響做了分析。

圖1 緊湊型塔波阻抗模型

緊湊型塔等效分布參數(shù)線路模型由三部分組成:主干、支架和橫擔(dān)，各部分的波阻抗表示為其尺寸和形狀的函數(shù)。

圖1為緊湊型塔的波阻抗模型，其中塔窗部分Za1～Za6波阻抗用支架公式計(jì)算，其余部分用主干公式計(jì)算，Rch為桿塔沖擊接地電阻。

2.3 感應(yīng)過電壓

耐雷水平計(jì)算過程，實(shí)質(zhì)就是計(jì)算導(dǎo)線上的過電壓。在計(jì)算導(dǎo)線上的電壓的時(shí)候，一個(gè)不能忽略的重要因素就是雷擊桿塔時(shí)，桿塔對(duì)導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓分量。

雷擊桿塔時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓的磁分量比電分量要小得多，故僅考慮電分量。則雷電流作用下桿塔處導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓的電分量為:

式中:β—反放電速度與光速c的比值，取為0.3。

HT—桿塔高度，m。

Hc—導(dǎo)線的平均高度，m。

dR—雷擊桿塔時(shí)，迎面先導(dǎo)的長(zhǎng)度，m。

α —雷電流陡度，kA/μs。

3 500kV緊湊型塔反擊計(jì)算分析

3.1 絕緣子串與最小空氣間隙的閃絡(luò)比較

在緊湊型塔中，存在導(dǎo)線與塔窗的最小空氣距離，當(dāng)雷擊桿塔時(shí)，有可能存在絕緣子上過電壓未閃絡(luò)而最小空氣間隙閃絡(luò)的情況。因此有必要對(duì)此進(jìn)行分析，來確定哪部分先閃絡(luò)。500kV緊湊型塔中，由于均壓環(huán)等桿塔金具的存在，實(shí)際的絕緣子串的干弧距離為4.4米，最小空氣間隙為4.2米。通過計(jì)算比較得知，最小空氣間隙間的過電壓值要高于絕緣子串間過電壓值，而二者的閃烙電壓相差不多，因此最小空氣間隙將先于絕緣子串閃絡(luò)。

3.2 桿塔接地電阻的影響

桿塔接地電阻降低能使雷擊桿塔時(shí)的塔頂電位相應(yīng)降低，提高耐雷水平，從而有效地防止反擊，這是基本的防雷措施。

表2 緊湊型塔接地電阻對(duì)桿塔反擊耐雷性能的影響(跳閘率單位次百公里·年)

表2、圖2和圖3為此緊湊型塔在不同桿塔沖擊接地電阻對(duì)其耐雷水平和反擊跳閘率的影響，可以看到，在山區(qū)的反擊跳閘率要高于平原地區(qū)下的跳閘率，如桿塔的沖擊接地電阻為15歐的情況下，平原的反擊跳閘率為0.620次/百公里·年，要低于山區(qū)的反擊跳閘率0.930次/百公里·年。在實(shí)際工程中，在可能條件下盡可能降低桿塔的接地電阻。

接地電阻對(duì)線路耐雷水平影響較大，接地電阻越小，跳閘率越低。得出在條件允許的情況下，應(yīng)盡量降低接地電阻，進(jìn)而降低反擊跳閘率。

3.3 桿塔高度的影響

保持塔窗大小不變，改變緊湊型塔的主干高度，從而改變桿塔高度。表3和圖4以3米一檔，分別計(jì)算不同桿塔高度下的耐雷水平值。

可以看到，緊湊型塔高度與耐雷水平成反比關(guān)系，即桿塔越高，耐雷水平越低，如在桿塔高度為43.8米時(shí)，耐雷水平為101kA，而桿塔高度增加為58.8米時(shí)，相應(yīng)的耐雷水平降低到90 kA。

表3 緊湊型塔高度對(duì)耐雷水平的影響

根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)降低桿塔高度。桿塔越高，送電線路截獲的雷電越多。一方面，桿塔高度越高，引雷面積增大，著雷次數(shù)增加;另一方面，雷擊塔頂后沿塔傳播至接地裝置時(shí)引起的負(fù)反射波返回到塔頂所需時(shí)間增長(zhǎng)，致使塔頂電位增高，容易造成反擊，從而導(dǎo)致雷擊跳閘率增加。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量降低桿塔高度以降低。

4 結(jié)論

地處高海拔地區(qū)的云南電網(wǎng)，雷電活動(dòng)頻繁，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)輸電線路的安全。本文通過對(duì)高海拔地區(qū)緊湊型桿塔的研究，首先建立了桿塔的數(shù)學(xué)模型，在此模型的基礎(chǔ)上，得出針對(duì)高海拔地區(qū)的輸電線路反擊特性及防范措施:接地電阻對(duì)線路耐雷水平影響較大，接地電阻越小，反擊跳閘率越低，桿塔接地電阻降低能使雷擊桿塔時(shí)的塔頂電位相應(yīng)降低，提高耐雷水平，從而有效地防止反擊;對(duì)于防止反擊來說，塔桿越高，遭到雷擊的概率越大，所以應(yīng)盡量降低桿塔高度以降低反擊跳閘率。

［1］索春梅.500kV同桿多回路線路雷電反擊性能的研究［M］.東北電力大學(xué)工學(xué)碩士論文.

［2］馬志堅(jiān)，傅春蘅.500kV緊湊型輸電線路技術(shù)應(yīng)用研究［J］.電力建設(shè)，2005，26(10):26～29

［3］于幼文，金永純.昌房500kV緊湊型輸電線路中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(1):75～77