±800kV與±500kV同塔雙回直流輸電線路防雷性能

李金亮，杜志葉，阮江軍，張亞飛，李健，陳媛

(1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072;2.中南電力設(shè)計院，武漢市 430071)

0 引言

目前正在開展天廣直流改造的前期論證工作。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃，天廣直流改造需結(jié)合緬北水電外送，2個輸電工程擬共用同一路徑。由于緬北水電外送距離超過2000 km，必然采用±800kV特高壓直流輸電方案，天廣直流為±500kV輸電，因此±800kV與±500kV同塔雙回路直流輸電方案較為可行。而防雷成為±800kV與±500kV同塔雙回輸電線路安全的重要課題［1］。

目前對輸電線路反擊耐雷性能的分析方法主要有規(guī)程法［2］、蒙特卡羅法［3］和 ATP-EMTP 數(shù)值仿真法［4］。規(guī)程法在對輸電線路反擊耐雷水平進(jìn)行分析時將桿塔視為一等值電感，不能反映雷擊塔頂時雷電流在桿塔上的傳播過程以及反射波對桿塔各節(jié)點電位的影響，也不能反映絕緣子串上電壓隨時間的變化過程。因此，規(guī)程法是一種簡化的計算方法，與實際的雷擊過程有一定的差異［5］。而用蒙特卡羅法計算雷擊跳閘率對于擊中部位的判據(jù)難以確定，目前尚無統(tǒng)一的判據(jù)［6］。本文利用 ATP-EMTP仿真軟件，基于桿塔的多波阻抗模型，以相交法作為絕緣子閃絡(luò)的判據(jù)，考慮了導(dǎo)地線間耦合電壓、導(dǎo)線上工作電壓和導(dǎo)線上感應(yīng)電壓的影響，對不同塔型線路的反擊耐雷性能進(jìn)行了深入的研究。

目前我國用于分析線路繞擊耐雷水平的常用方法有:規(guī)程法、先導(dǎo)發(fā)展模型法［7-8］和電氣幾何模型法(electric geometry method，EGM)［9］。規(guī)程法主要基于單回路矮塔統(tǒng)計值推導(dǎo)而來，對高塔和多回線路的繞擊計算存在較大誤差。先導(dǎo)發(fā)展模型法很大程度上依賴長期的雷電和長間隙試驗觀測的數(shù)據(jù)，不同的參數(shù)和判據(jù)帶來的計算結(jié)果相差較大，應(yīng)用到同塔多回輸電線路繞擊計算中還有待試驗和運(yùn)行經(jīng)驗積累。EGM以擊距理論為基礎(chǔ)，計算原理與雷擊線路實際運(yùn)行情況比較吻合，為大電網(wǎng)會議和IEEE推薦方法，在美國、日本和歐洲被廣泛采納，我國最新規(guī)程與許多學(xué)者也在推動該方法的應(yīng)用［10］。本文采用了桿塔的多波阻抗模型和改進(jìn)的電氣幾何模型法計算線路的繞擊跳閘率，分析了不同塔型線路的繞擊耐雷性能，為線路的設(shè)計提供參考。

1 計算原理和模型

在ATP仿真模型中，雷電源采用的是國際電工委員會于1995年在其文件IEC1312－1中推薦采用的雷電解析表達(dá)式，波形為 2.6/50 μs［11］。

1.1 桿塔波阻抗模型

桿塔的模擬通常有2種:(1)采用集中電感來模擬，這樣等效簡化了計算，但無法描述雷擊桿塔的波過程，準(zhǔn)確度較差。(2)當(dāng)桿塔高度較高時，根據(jù)桿塔結(jié)構(gòu)，把桿塔看作均勻參數(shù)，用1個波阻抗來模擬［12］?？紤]到雷電波從塔的頂部運(yùn)動到塔基是需要時間的，第2種模型優(yōu)于第1種。通過對單根垂直導(dǎo)體、帶橫擔(dān)的垂直導(dǎo)體及多導(dǎo)體系統(tǒng)的浪涌特性實驗，逐步建立了輸電線路桿塔的分布參數(shù)線路模型［13］。

1.2 絕緣子閃絡(luò)過程分析模型

目前在線路防雷計算中存在的絕緣閃絡(luò)判斷方法主要有:規(guī)程法、先導(dǎo)發(fā)展法和相交法。規(guī)程法原理是當(dāng)絕緣子兩端的過電壓超過絕緣子串或相同長度空氣間隙50%放電電壓判為閃絡(luò)，但運(yùn)行經(jīng)驗表明該方法計算結(jié)果偏于保守［14］。

先導(dǎo)法將絕緣子串在沖擊電壓作用下的閃絡(luò)過程視為同樣長度空氣間隙的擊穿過程［15］，當(dāng)絕緣子串承受的沖擊電壓達(dá)到流注發(fā)展時間，電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值時，先導(dǎo)開始發(fā)展，其速度隨施加的電壓和間隙剩余長度而變，當(dāng)先導(dǎo)長度達(dá)到間隙長度時，間隙擊穿，絕緣子閃絡(luò)。該方法的缺點是計算過程比較復(fù)雜，需要設(shè)置較多的計算參數(shù)。

相交法判斷絕緣子串閃絡(luò)，只有當(dāng)絕緣子串上過電壓曲線與絕緣子串的伏秒特性曲線相交時，才判斷為發(fā)生閃絡(luò)，兩條曲線相交的時刻即為閃絡(luò)時刻。對于同塔雙回線路，絕緣子串上的非標(biāo)準(zhǔn)電壓波形的計算表明實際放電時間均較短，基本上均是波前放電［16］。大量研究表明，采用相交法所得的結(jié)果和運(yùn)行經(jīng)驗基本相符合［17-18］，故本文采用相交法作為同塔雙回直流線路絕緣子閃絡(luò)判據(jù)。

1.2.1 伏秒特性

本文中500kV絕緣子的伏秒特性選取文獻(xiàn)［15］中的絕緣子串伏秒特性:

式中:U50%為絕緣子串50%沖擊放電電壓;T為常數(shù)，本文取4.3;t為放電時間。對于長串復(fù)合絕緣子，其絕緣子串的50%沖擊放電電壓，可用近似公式求得:

式中L為絕緣子串的長度。

參考相關(guān)文獻(xiàn)可知，800kV絕緣子串的伏秒特性［16］可表示為

式中:Us-t為閃絡(luò)電壓，kV;t為電壓作用時間，μs;L為絕緣子串長，m。

1.2.2 TACS元件組合控制模型

在ATPDraw中，用TACS元件組合來模擬絕緣子串的閃絡(luò)過程。絕緣子串兩端的電壓和絕緣子串的伏秒特性分別是時間的函數(shù)，可以用TACS元件組合，通過設(shè)定各元件中的FORTRAN表達(dá)式來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，如圖1所示。圖中矩形框1中的元件模擬絕緣子伏秒特性;矩形框2中的元件模擬絕緣子兩端感應(yīng)電壓Ui(t);矩形框3中的元件模擬絕緣子兩端過電壓Uins(t);矩形框4中的元件模擬絕緣子串的閃絡(luò)過程。其中52號元件(DEV)是比較器，兩路驅(qū)動信號輸入，分別是絕緣子串兩端的過電壓曲線，有名+固定閾值模擬絕緣子串的伏秒特性曲線。兩路電壓比較的結(jié)果輸出至64元件，控制TACS開關(guān)的狀態(tài)。TACS開關(guān)并聯(lián)于絕緣子串兩端，開關(guān)閉合時為絕緣子串閃絡(luò)，斷開時為絕緣子串正常狀態(tài)。仿真時若某一時刻絕緣子兩端的過電壓值大于絕緣子伏秒特性曲線上的值，2條曲線相交，52號元件輸出高電平，控制TACS開關(guān)閉合，即表示絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，完成判斷過程。

圖1 TACS組合控制模型模擬絕緣子串閃絡(luò)特性Fig.1 Simulation of flashover performance of insulator strings using TACS combination control model

1.3 電氣幾何模型

計算繞擊跳閘率的改進(jìn)的電氣幾何模型原理圖如圖2所示，改進(jìn)的電氣幾何模型考慮了工作電壓和地形的影響，雷電流入射角的概率密度函數(shù)［19］為

雷電對避雷線的擊距公式采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)所推薦的擊距計算式［20］

雷電對大地的擊距采用文獻(xiàn)［12］給出的擊距計算式，即

式中:η為線路建弧率;L2為屏蔽弧;L1為繞擊弧;Ic為繞擊耐雷水平;Im為能引起繞擊的最大雷電流幅值;f(I)為雷電流幅值概率分布密度函數(shù);γ為每km2的平均落雷次數(shù);b+4h為線路的等值受雷寬度;b為避雷線間的距離;h為線路的平均高度;T為每年雷暴日。

圖2 改進(jìn)的EGM原理圖Fig.2 Schematic diagram of improved EGM

2 ±800kV與±500kV輸電線路耐雷性

圖3 同桿并架塔頭布置方案Fig.3 Three types of double-circuit towers

圖4 極線布置方式Fig.4 Arrangement scheme of conductor

表1 5種布置方案Tab.1 Five arrangement schemes

根據(jù)前面所述的建模方法，我們對圖4所示的3種不同塔型方案進(jìn)行防雷性能計算研究，選取的計算參數(shù):±500kV導(dǎo)線型號 4×LGJ-720/50，±800kV導(dǎo)線型號6×LGJ-630/45，地線型號LBGJ-150-20AC;500kV絕緣子采用FXBZ-±500/210型復(fù)合絕緣子串，長度為6.8 m，800kV絕緣子長度取11 m。考慮雷電波在沿線路方向相鄰檔距間的傳播效應(yīng)，計算時選擇雷擊點臨近的五基桿塔，檔距設(shè)定均為450 m。在不同布置方案下，線路耐雷性能也各不相同，本文針對表1所示的5種布置方案進(jìn)行反擊和繞擊耐雷性能及其影響因素的計算。

2.1 反擊耐雷性能計算

2.1.1 5種布置方案下的反擊耐雷性能

在不同布置方案下，線路耐雷水平也各不相同，取桿塔接地電阻為10 Ω，土壤電阻率為100 Ω·m，仿真得到單線閃絡(luò)和雙線閃絡(luò)時5種布置方案的耐雷水平如表2和表3所示。

從表2可以看出，發(fā)生單線閃絡(luò)時，各種布線方式下的耐雷水平有差異，A、B這2種導(dǎo)線排列方式耐雷水平相同且最高，C、D這2種導(dǎo)線排列方式耐雷水平相同且最低，E這種排列方式耐雷水平居中。且各種排列方式下閃絡(luò)的均為500kV的正極線，主要原因是在負(fù)極性雷電流下，正極性導(dǎo)線的反擊耐雷水平較低，并且500kV絕緣子較800kV絕緣子的絕緣性能要差一些。

表2 單線閃絡(luò)時不同布置方案下的耐雷水平Tab.2 Lighting performance level under single line flashover in different arrangement schemes

表3 雙線閃絡(luò)時不同布置方案下的耐雷水平Tab.3 Lighting performance level under double line flashover in different arrangement schemes

通過對各種布置方式的計算結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，單線閃絡(luò)時閃絡(luò)極線均為500kV正極線，雙線閃絡(luò)時閃絡(luò)極線均為500kV正極線和500kV負(fù)極線。主要原因是800kV絕緣子串長度11 m較500kV絕緣子串長度6.8 m長很多，絕緣性能相對好很多。同時由于雙線閃絡(luò)時500kV正極性導(dǎo)線先擊穿后，導(dǎo)線上的電壓急劇下降，使得800kV正極性導(dǎo)線電壓受到較大的影響(降低)，500kV負(fù)極性導(dǎo)線電壓也受到較大的影響(升高)，且雷電波為負(fù)極性，橫擔(dān)電位為負(fù)值，因此，雙線閃絡(luò)時800kV極線不閃絡(luò)。由此可知±800kV與±500kV同塔雙回輸電線路耐雷水平主要由500kV線路耐雷水平?jīng)Q定。

2.1.2 桿塔高度對反擊耐雷性能的影響

桿塔高度增加，線路的反擊耐雷水平降低，反擊跳閘率增加，主要有2個方面的原因:(1)隨著高度的增加，線路引雷能力提高，更容易受到雷擊;(2)雷擊后雷電波在桿塔中的傳播時間增加，經(jīng)接地電阻反射回桿塔，對雷電流起到的削弱作用減小。把計算所得的耐雷水平數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖5所示，可以看出各種布置方案下，隨著桿塔高度的增加，線路的耐雷水平呈單調(diào)下降趨勢，且A、B排列方式的耐雷水平最高，C、D排列方式的耐雷水平最低。

綜上所述，在我國當(dāng)前鐵路建設(shè)速度越來越快背景下的鐵路建設(shè)發(fā)展中，對于鐵路發(fā)展建設(shè)中的施工技術(shù)應(yīng)用應(yīng)該進(jìn)行專門的分析，尤其是針對鋼軌施工技術(shù)的應(yīng)用，更應(yīng)該進(jìn)行專門的分析。通過鋼軌打磨技術(shù)施工，能夠提升鐵路線路施工運(yùn)行質(zhì)量，對于提升鐵路鋼軌建設(shè)效益具有重要性建設(shè)研究意義。通過本文的研究和分析，將鋼軌打磨技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢歸納為以下幾點：一是智能化發(fā)展趨勢；二是信息集成化發(fā)展趨勢；三是柔性化發(fā)展趨勢。以上三點發(fā)展趨勢的轉(zhuǎn)變，說明了鋼軌打磨技術(shù)在我國發(fā)展傳承中，其原有的發(fā)展傳承技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)了新的轉(zhuǎn)變趨勢。

圖5 反擊耐雷水平隨桿塔高度變化趨勢圖Fig.5 Lighting performance of back striking varying with tower heights

2.1.3 接地電阻對反擊耐雷性能的影響

桿塔接地電阻的大小影響橫擔(dān)電位，從而影響耐雷水平。在輸電線路設(shè)計中，降低桿塔接地電阻是提高線路的反擊耐雷水平，減小反擊跳閘率的方法之一。本文仿真了桿塔接地電阻分別在5，10，15，20，25，30 Ω的各種布置方案下的的反擊耐雷水平。把計算所得耐雷水平數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖6所示，可知在各種布置方案下，隨著接地電阻的增加，線路的耐雷水平呈單調(diào)下降趨勢，且A、B這2種排列方式下降比較明顯，C、D、E這3種排列方式下降緩慢一些。

圖6 反擊耐雷水平隨接地電阻變化趨勢圖Fig.6 Lighting performance of back striking varying with ground resistances

2.2 繞擊耐雷性能的計算

2.2.1 地面傾角對繞擊耐雷性能的影響

當(dāng)?shù)孛娲嬖趦A角時，即當(dāng)桿塔架設(shè)在斜坡上面時，位于斜坡外側(cè)的導(dǎo)線由于地面擊距的下降而使暴露弧度增加，從而使繞擊率增加，而位于斜坡內(nèi)側(cè)的導(dǎo)線由于地面擊距的上升而使暴露弧段減小，從而使繞擊率降低。因而，需要綜合斜坡內(nèi)外側(cè)繞擊率的變化來評價地面傾角對繞擊率的影響。不同地面傾角時，5種布置方案下的繞擊跳閘率如表4所示。

表4 不同地面傾角下的繞擊跳閘率Tab.4 Trip-out rate of shielding failure under different ground slope angles

由表4可以看出，當(dāng)?shù)孛鏇]有傾角或傾角很小時，各種排列方式線路的繞擊跳閘率很小，隨著地面傾角的增加，繞擊跳閘率增加，當(dāng)?shù)孛鎯A角達(dá)到30°時，繞擊跳閘率很大。各種排列方式下，A、B這2種方式繞擊跳閘率最小，C和D這2種排列方式繞擊跳閘率較大。因此，當(dāng)線路較多經(jīng)過山坡地段時，應(yīng)加強(qiáng)雷電繞擊保護(hù)，降低其繞擊跳閘率，使線路能夠安全可靠運(yùn)行。

2.2.2 保護(hù)角對繞擊耐雷性能的影響

保護(hù)角是影響線路繞擊跳閘率的重要因素之一，一般而言，負(fù)的保護(hù)角可以對導(dǎo)線起到較好的屏蔽保護(hù)作用，然而當(dāng)?shù)孛鎯A角很大(如處于山頂或山坡處)或桿塔高度較高時，負(fù)的保護(hù)角對線路的屏蔽作用也會下降，本文選取地面傾角為20°，計算了不同保護(hù)角下塔型1和塔型2的繞擊跳閘率，見表5。

表5 不同保護(hù)角下的繞擊跳閘率Tab.5 Trip-out rate of shielding failure under different protection angles

由表5可知，A、B這2種排列方式的繞擊跳閘率相同，C、D這2種排列方式的繞擊跳閘率近似相同，C、D這2種排列方式相比D種排列方式的繞擊跳閘率略高一些，各種排列情況下，繞擊跳閘率隨著保護(hù)角的增加而升高。

2.2.3 桿塔高度對繞擊耐雷性能的影響

桿塔高度增加，導(dǎo)線的受雷寬度增加，同時地面對導(dǎo)線的屏蔽作用減小，故線路的繞擊跳閘率會增加。本文選取地面傾角為20°，計算了不同桿塔呼稱高下的繞擊跳閘率，見表6。

表6 不同桿塔呼稱高下的繞擊跳閘率Tab.6 Trip-out rate of shielding failure under different tower heights

由表6的計算結(jié)果可知，當(dāng)?shù)孛鎯A角較大時(20°以上)，隨著桿塔高度的增加，線路的繞擊跳閘率增加明顯，故應(yīng)該嚴(yán)格控制桿塔高度或在桿塔高度較高的情況下積極采取防雷措施以降低繞擊跳閘率。

2.3 線路總跳閘率計算

線路總跳閘率為反擊跳閘率和繞擊跳閘率之和，根據(jù)反擊耐雷水平計算結(jié)果，采用文獻(xiàn)［2］的參數(shù)計算反擊跳閘率，繞擊跳閘率則采用EGM計算，考慮地面傾角的影響，總跳閘率的計算參數(shù)參照行標(biāo)［2］，計算結(jié)果列于表7。由表7的計算結(jié)果可知:布置方案A、B總跳閘率相同且最低，布置方案C、D這2種排列方式總跳閘率近似相同且都很高，C、D這2種排列方式相比D種排列方式的總跳閘率略高一些。

3 結(jié)論

采用基于桿塔波阻抗模型的分布參數(shù)線路模型，是目前模擬直流輸電線路塔線系統(tǒng)比較精確的方法，可以在仿真過程中較好地模擬雷擊桿塔的波傳播過程;采用TACS元件組成的閃絡(luò)判斷模塊，可以準(zhǔn)確模擬絕緣子在過電壓作用下的閃絡(luò)情況。通過對具體的±800kV和±500kV同塔雙回直流輸電線路的仿真計算，可得到如下結(jié)論。

表7 線路雷擊跳閘率Tab.7 Lightning trip-out rate of transmission line

(1)對于反擊跳閘率，布置方案A、B的反擊跳閘率相同且最低，C、D的反擊跳閘率相同且最高，E種布置方案跳閘率居中，5種方案下總跳閘率差別較大。通過總跳閘率的對比可知，A、B這2種導(dǎo)線排列方式最好，且說明在塔型1的情況下上方800kV極線的排列方式對總跳閘率幾乎沒有影響。

(2)對于繞擊跳閘率，導(dǎo)線排列方式A和B的繞擊跳閘率最低，排列方式C和D的繞擊率最高，E種方式的繞擊率居中。且隨著地面傾角、保護(hù)角和桿塔高度的增加各種布置方案的繞擊跳閘率升高，建議±800kV與±500kV高壓直流輸電線路采用負(fù)保護(hù)角。

(3)當(dāng)?shù)鼐€對導(dǎo)線的保護(hù)角為0°或負(fù)保護(hù)角時，屏蔽性能最好的是導(dǎo)線排列方式A和B，其次是導(dǎo)線排列方式E，最差是導(dǎo)線排列方式C和D。

(4)通過計算結(jié)果對比可知，繞擊跳閘率明顯高于反擊跳閘率，因此繞擊將是特高壓防雷的主要工作。

(5)通過對計算結(jié)果的分析可知，±800kV與±500kV同塔雙回輸電線路耐雷水平主要由500kV線路耐雷水平?jīng)Q定，因此要加強(qiáng)500kV線路的耐雷性能。

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