地線融冰絕緣架設(shè)對(duì)線路工頻短路電流分流影響仿真

馬御棠,王磊,馬儀,崔光鑫

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司昭通供電局,云南 昭通 657000)

地線融冰絕緣架設(shè)對(duì)線路工頻短路電流分流影響仿真

馬御棠1,王磊1,馬儀1,崔光鑫2

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司昭通供電局,云南 昭通 657000)

為解決輸電線路覆冰問(wèn)題,直流融冰技術(shù)在電網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。要在避雷線上加融冰電流,避雷線必須采用較大間隙進(jìn)行絕緣化架設(shè),這將改變輸電線路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對(duì)短路電流的分配產(chǎn)生影響。本文以500 kV超高壓線路避雷線絕緣化為例,試驗(yàn)分析避雷線絕緣子的電氣性能；利用ATP-EMTP仿真軟件建立仿真模型,對(duì)比仿真分析全線絕緣避雷線和直接接地避雷線工頻短路電流分流情況,分析了桿塔接地電阻、桿塔檔距、避雷線型號(hào)對(duì)避雷線分流系數(shù)的影響。這將會(huì)為滿足融冰需要進(jìn)行地線絕緣化改造和設(shè)計(jì)提供一定的理論支持和參考。

直流融冰；絕緣避雷線；避雷線分流系數(shù)；短路電流

0 前言

近年來(lái),極端天氣導(dǎo)致高寒地區(qū)輸電線路覆冰嚴(yán)重,線路覆冰后由于線路荷載過(guò)重、不均勻脫冰、覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)等會(huì)造成輸電線路倒桿、斷線事故[1-2]。當(dāng)架空避雷線上的覆冰達(dá)到一定程度后,會(huì)造成弧垂不足對(duì)線路放電、桿塔荷載不夠?qū)е卤芾拙€支架受損、避雷線斷股斷線等情況發(fā)生,危及電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3-4]。輸電線路融冰是應(yīng)對(duì)電網(wǎng)大面積覆冰的有效措施。直流融冰在南方電網(wǎng)取得了較好的效果,得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。避雷線因?yàn)橹苯咏拥?無(wú)法直接進(jìn)行直流融冰,為了能使避雷線能夠進(jìn)行直流融冰,對(duì)架空避雷線進(jìn)行絕緣化改造或絕緣化設(shè)計(jì)以滿足直流融冰的需要[7],目前,在云南電網(wǎng)輸電線路覆冰嚴(yán)重的主要在滇東北地區(qū),采用直流融冰方式對(duì)避雷線進(jìn)行融冰主要集中在昭通供電局。絕緣避雷線既要滿足直流融冰時(shí),對(duì)地不放電；又要滿足正常運(yùn)行時(shí)感應(yīng)過(guò)電壓不擊穿,同時(shí)還不能對(duì)輸電線路的耐雷水平產(chǎn)生較大影響。這與傳統(tǒng)線路為滿足節(jié)能需要,采用分段絕緣方式有很大的不同[8-11]。避雷線采用長(zhǎng)間隙全線絕緣架設(shè)后對(duì)短路電流分布的研究較少。

高壓架空輸電線路一般都長(zhǎng)達(dá)幾十至幾百千米,所用桿塔數(shù)目較多,桿塔和絕緣避雷線構(gòu)成的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文選用基于相分量原理的電磁暫態(tài)分析程序ATP-EMTP進(jìn)行仿真計(jì)算,利用其圖形預(yù)處理程序ATPDraw建立實(shí)際線路計(jì)算模型,進(jìn)行融冰絕緣避雷線短路電流避雷線分流系數(shù)的仿真研究。

1 仿真模型

1.1 融冰地線絕緣間隙及其電氣性能

避雷線絕緣化后避雷線絕緣子、間隙的電氣性能進(jìn)行試驗(yàn)是進(jìn)行輸電線路短路電流分析的基礎(chǔ)。為得到避雷線絕緣子及間隙的電氣性能,在超高壓試驗(yàn)基地對(duì)加裝間隙的復(fù)合絕緣子按要求進(jìn)行了電氣性能試驗(yàn)[12-13],試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,可以看出,絕緣子的直流耐壓及直流閃絡(luò)電壓分別是間隙的直流耐壓及直流擊穿電壓的2.7和2.3倍。直流融冰裝置對(duì)避雷線的融冰電壓根據(jù)避雷線長(zhǎng)短有所不同,一般情況下不超過(guò)30 kV,可見(jiàn)絕緣子和間隙的絕緣配合均能滿足直流電壓融冰要求。

表1 復(fù)合絕緣子及間隙試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 輸電線路短路模型

超高壓輸電線路正常運(yùn)行時(shí),流過(guò)桿塔和避雷線的電流非常小,基本為零。當(dāng)輸電線路發(fā)生短路時(shí),短路電流將從桿塔和避雷線分流。避雷線的分流系數(shù)被定義為當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí),短路點(diǎn)處流過(guò)避雷線的電流與短路點(diǎn)的總電流的比值。避雷線的分流系數(shù)能夠準(zhǔn)確有效的反應(yīng)當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),避雷線與桿塔的分流情況,避雷線的分流系數(shù)是輸電線路發(fā)生單相短路故障時(shí)的重要參數(shù)。

輸電線路短路模型如圖3所示,其中：Ji、Ji'表示對(duì)應(yīng)桿塔的絕緣避雷線間隙；Ri為接地電阻(其中i=1,2,3,.....n)；R0、R0'為兩端變電站地網(wǎng)電阻；Ik為短路點(diǎn)的全部短路電流；Ik1、Ik2為兩邊變電站供給短路點(diǎn)的短路電流；Id1、Id2為流經(jīng)避雷線返回變電站的短路電流；Iz1、Iz2為流回變壓器接地中性點(diǎn)的短路電流；I1、I2為流經(jīng)變電站地網(wǎng)的短路電流。

圖1 絕緣避雷線短路模型

1.3 仿真條件

以云南電網(wǎng)昭通供電局500 kV線路為例進(jìn)行仿真,仿真的基本假設(shè)條件為土壤電阻率取為200 Ω·m,變電站接地網(wǎng)等效電阻0.5 Ω,每檔線路檔距為500 m,每基桿塔接地電阻15 Ω,桿塔為直線塔,呼稱高度30 m,導(dǎo)線型號(hào)為4×JL/ G1A-400/50-54/7,分裂間距400 mm,導(dǎo)線水平排列,間距10 m,避雷線采用一根避雷線一跟光纜形式,避雷線型號(hào)為L(zhǎng)BGJ-120；光纜為OPGW -100,避雷線間距13 m,避雷線桿塔處掛點(diǎn)高度為45 m,仿真步長(zhǎng)取為5 ns。利用已建模型,假設(shè)短路點(diǎn)在變電站附近4 km(8基桿塔)處避雷線分流情況進(jìn)行了仿真。

2 避雷線輸電線路的短路電流分析

2.1 避雷線輸電線路短路電流分配規(guī)律分析

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算,避雷線和故障桿塔分流情況見(jiàn)表2和圖2：

表2 故障點(diǎn)短路電流分配情況

圖2 桿塔和避雷線電流波形

從仿真情況可以看出,不管是避雷線直接接地還是采用全絕緣方式,當(dāng)絕緣避雷線的輸電線路發(fā)生單相接地短路故障時(shí),故障電流主要由避雷線分流,只有很小的一部分經(jīng)過(guò)桿塔流入大地,避雷線直接接地分流比避雷線絕緣架設(shè)的分流比例略大。

2.2 絕緣避雷線不同距離處桿塔的分流情況

當(dāng)?shù)?基桿塔發(fā)生短路故障時(shí),在ATP中仿真得到第5、6、7、8、9、10基桿塔中的電流值如表3

表3 短路后不同桿塔處分流情況

由上表可知,不管避雷線是否絕緣,流過(guò)故障塔的短路電流是最大的,以故障塔為中心,故障塔兩端的桿塔隨著離故障塔距離的增大,流過(guò)這些桿塔的短路電流也在減小。避雷線直接接地總的短路電流和桿塔入地電流的值都小于全線避雷線的絕緣的值,參與分流的桿塔更多,因?yàn)榻^緣間隙的存在,避雷線在隔幾基桿塔后桿塔不在參與分流。

3 避雷線短路電流分流系數(shù)影響

為了對(duì)比直接接地避雷線和絕緣架設(shè)避雷線,建立了直接接地避雷線輸電線路模型。分流系數(shù)與輸電線路桿塔接地電阻、線路的檔距以及避雷線的選擇有很大的關(guān)系,在此研究分流系數(shù)與這三者之間的關(guān)系。

3.1 桿塔接地電阻值的影響

改變輸電線路桿塔接地電阻值,保持其他仿真條件不變,得到避雷線分流系數(shù)隨接地電阻變化規(guī)律如圖3。

圖3 接地電阻與分流系數(shù)的關(guān)系

由圖可知,隨著接地電阻的增大,避雷線的分流系數(shù)在增大,絕緣架設(shè)后避雷線的分流系數(shù)在相同條件下略小。隨著桿塔接地電阻大于40 Ω后,避雷線分流系數(shù)隨桿塔接地電阻增大比較緩慢。

3.2 桿塔檔距的影響

改變實(shí)際輸電線路檔距,保持其他仿真條件不變,得到避雷線分流系數(shù)隨輸電線路檔距變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 檔距與分流系數(shù)的關(guān)系

由圖可以看出隨著桿塔檔距的增大,避雷線的分流系數(shù)在減小。相同條件下絕緣架設(shè)后避雷線的分流系數(shù)小于直接接地避雷線分流系數(shù)。在桿塔檔距從200 m～800 m,絕緣避雷線和直接接地避雷線下降速度相似。

3.3 避雷線型號(hào)的影響

保持一根避雷線為OPGW-100,改變另一根避雷線型號(hào),即改變了其直流電阻,保持其他仿真條件不變,得到避雷線分流系數(shù)避雷線型號(hào)變化規(guī)律如圖5。

圖5 直流電阻與分流系數(shù)的關(guān)系

由圖看出,隨著直流電阻的增大,避雷線的分流系數(shù)在不斷減小。相同條件下,絕緣架設(shè)后避雷線的分流系數(shù)小于直接接地避雷線分流系數(shù)。當(dāng)直流電阻大于2.5 Ω/km后,絕緣避雷線分流系數(shù)下降速度大于直接接地避雷線分流系數(shù)下降速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

以云南電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的輸電線路為參考,利用ATP-EMTP仿真軟件,對(duì)比仿真分析了融冰地線絕緣架設(shè)與常規(guī)避雷線之間接地兩種情況下發(fā)生工頻短路時(shí)避雷線的分流情況,通過(guò)仿真,結(jié)論如下：

1)避雷線絕緣架設(shè)導(dǎo)致相同條件下短路電流略有增大,但避雷線的分流系數(shù)卻略有減小。

2)桿塔的分流情況離短路點(diǎn)越遠(yuǎn),分流越小,但地線絕緣架設(shè)因絕緣間隙的存在,一定距離后桿塔不在參與分流。絕緣避雷線輸電線線路中總的短路電流和桿塔入地電流值較大。

3)避雷線分流系數(shù)隨著接地電阻增大而增大,增大到一定程度后將變化很小。避雷線分流系數(shù)隨著避雷線型號(hào)和桿塔檔距增大而減小。

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Research on Fault Current Distribution of Insulated Ground Wire in Transmission Line

MA Yutang1,WANG Lei1,MA Yi1,CUI Guangxing2
(1Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China；2 Zhaotong Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid,Zhaotong,Yunnan 657000,China)

Direct Current(DC)melting ice is one of the effective measures to solve overhead transmission line icing.Insulated ground wire becomes precondition of DC melting ice.In this paper,the actual insulated ground wire of 500 kV extra high voltage transmission?line is taken as research object,analyze electrical performance when its insulation by experiment.Using electromagnetic transient analysis program EMTP to establish a line of insulated grounding wire and directly grounding wire transmission line model,simulate lightning line short-circuit current shunt coefficient and discuss the impact of the tower grounding resistance,tower span to grounding wire shunt model coefficients on.It has a certain reference to run and design insulated ground wire,potential's increase tower,the economic and rational design of power grid and so on.

DC melting ice；insulated ground wire；gap breakdown；fault current

TM75

B

1006-7345(2015)01-0113-04

2014-10-24

馬御棠 (1986)男,碩士,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,從事防雷與接地相關(guān)工作 (e-mail)hvmyt＠qq.com。