500 kV同塔雙回輸電線路繞擊跳閘率的計(jì)算分析

劉曉冬，蘇紅梅，徐茂文，鄭雄偉

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.石家莊供電公司，石家莊 050051)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，全國電網(wǎng)加快改建，大城市、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域、林區(qū)等地區(qū)的線路走廊越來越緊張，而且線路走廊用地費(fèi)用日益昂貴，因此在我國超高壓輸電線路通常采用“同塔雙回”架線模式，這樣可減少500 kV輸電走廊占地，降低線路建設(shè)投資。

根據(jù)我國華東、華北500 kV交流線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，輸電線路90%的雷擊跳閘主要由繞擊引起。圖1為1999-2003年廣東省利用雷電定向定位儀測量的500 kV交流線路雷擊跳閘的雷電流幅值分布[1]。

圖1 500 kV線路雷擊跳閘雷電流幅值分布

由圖1可知，引起線路雷擊跳閘的雷電流主要為兩部分：雷電流幅值較小，在0～50 kA之間，占92.5%；雷電流幅值較大，超過160 kA，占7.5%。這是由于幅值較小的雷電流可能繞擊線路導(dǎo)線，造成繞擊跳閘；幅值較大的雷電流擊中桿塔或地線，可能造成反擊跳閘；中等幅值的雷電流要引起繞擊跳閘其幅值太大，要引起反擊跳閘其幅值又太小(接地電阻特別大的個(gè)別桿塔可能會(huì)出現(xiàn)例外)，因此發(fā)生繞擊和反擊跳閘的概率較小。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司調(diào)度中心雷擊跳閘的統(tǒng)計(jì)，截止到2006年，在運(yùn)的500 kV同塔雙回線路未發(fā)生過異名相同時(shí)故障，而異名相同時(shí)故障只有反擊才能造成，這間接證明同塔雙回線路防雷重點(diǎn)為防止雷電流繞擊。因此，以下對東驊500 kV同塔雙回輸電線路的繞擊跳閘率進(jìn)行計(jì)算。

2 500 kV同塔雙回輸電線路的計(jì)算參數(shù)

東驊500 kV同塔雙回輸電線路的系統(tǒng)參數(shù)：額定電壓500 kV，最高電壓550 kV，系統(tǒng)頻率50 Hz；線路全長55.5 km，導(dǎo)線型號為JL/LB20A-400/35，每相導(dǎo)線四分裂，子導(dǎo)線分裂間距均取450 mm；地線型號為JLB14-80。線路使用OPGW-1型光纜；鐵塔選用典型直線塔SZV1B和SZV2B，絕緣子選取XP-160,28片，V型串；當(dāng)?shù)卮蟮仉娮杪?00 Ω·m；桿塔水平檔距400 m；年平均雷電日40天；鐵塔尺寸見圖2。

圖2 東驊500 kV同塔雙回輸電線路鐵塔尺寸(單位：mm)

3 線路繞擊計(jì)算方法的分析

我國輸電線路雷電屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其性能的估算，以電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》為依據(jù)。其繞擊計(jì)算方法，沒有考慮雷電繞擊導(dǎo)線的過程、雷電流的大小和地面傾角對避雷線屏蔽效果的影響，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和小電流試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞岢龅木C合平均法，籠統(tǒng)地按照平原和山區(qū)2種地形分別計(jì)算繞擊率，并且只考慮了保護(hù)角和桿塔高度對繞擊率的影響，無法解釋屏蔽失效的問題和繞擊率過高的原因。

由于規(guī)程給出的算法對同塔雙回線路存在不合理性，所以，電氣幾何模型、先導(dǎo)模型和分形模型成為目前線路繞擊計(jì)算的幾個(gè)主要模型。而建立在擊距概念基礎(chǔ)上的電氣幾何模型法(EGM)[2]比較細(xì)致的考慮了雷電繞擊輸電線路的整個(gè)過程，提出了繞擊率與雷電流幅值和地面傾角等相關(guān)的觀點(diǎn)，并能夠考慮線路結(jié)構(gòu)和雷電參數(shù)等對繞擊率的影響，用此方法來分析雷電繞擊輸電線路得到的結(jié)果更接近實(shí)際情況。電氣幾何模型法基本概念如下。

a. 由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)通道頭部，在到達(dá)被擊物體的臨界擊穿距離(擊距)以前，擊中點(diǎn)是不確定的，先到哪個(gè)物體的擊距內(nèi)，即向該物體放電。

b. 擊距rs是雷電流幅值I的函數(shù)。各國采用的此函數(shù)關(guān)系不完全相同，以下研究中考慮了4種函數(shù)關(guān)系式，取其最嚴(yán)重者，并考慮10%誤差。

c. 先導(dǎo)接近地面時(shí)的入射角ψ服從某一給定的概率分布函數(shù)。

以下應(yīng)用電氣幾何模型對線路典型桿塔繞擊跳閘雷電流進(jìn)行計(jì)算。圖3為雷擊線路的電氣幾何模型。

圖3 雷擊線路的電氣幾何模型

只有當(dāng)雷電流在導(dǎo)線上引起的電壓Uc(包括工作電壓)大于絕緣放電電壓時(shí)才會(huì)引起絕緣閃絡(luò)，由此可以確定最小危險(xiǎn)繞擊電流。當(dāng)?shù)孛鎯A斜角不為零時(shí)，其計(jì)算要復(fù)雜些[3]，但基本原理相同。

4 2種塔型繞擊跳閘率的計(jì)算結(jié)果及影響因素分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

由于東驊500 kV同塔雙回輸電線路上的一根避雷線要保護(hù)多根導(dǎo)線，因此存在雷電繞擊不同導(dǎo)線的可能性，首先要對各導(dǎo)線可能的繞擊范圍進(jìn)行分析。以 SZV1B 型桿塔為例，經(jīng)過計(jì)算，可以得到各層導(dǎo)線的最大擊距和最大繞擊電流。在不同的擊距系數(shù)條件下，三層導(dǎo)線的最大擊距rsmax相差較小，因此在進(jìn)行繞擊跳閘率計(jì)算時(shí)，將三相導(dǎo)線的繞擊跳閘率分別進(jìn)行計(jì)算，來綜合考慮東驊500 kV同塔雙回輸電線路的繞擊耐雷性能。

根據(jù)圖4電氣幾何模型，利用Matlab程序計(jì)算了500 kV同塔雙回線路的繞擊跳閘率。在仿真計(jì)算中，對于擊距與雷電流幅值的關(guān)系公式，選用的是IEEE推薦的公式rs=8I0.65，對繞擊跳閘率進(jìn)行計(jì)算，所得繞擊跳閘率的計(jì)算結(jié)果見表1、表2、表3。

表1 不同地面傾角下的繞擊跳閘率 次/100 km·a

地面傾角/(°) 0°10°20°30°SZV1B型桿塔上層導(dǎo)線0.237 40.322 80.610 21.073 1中層導(dǎo)線0.276 80.383 70.737 31.333 9下層導(dǎo)線0.234 40.373 10.792 41.559 9SZV2B型桿塔上層導(dǎo)線0.408 20.508 60.845 71.389 6中層導(dǎo)線0.514 40.639 51.049 81.749 7下層導(dǎo)線0.528 40.695 91.186 12.104 2

注：擊距系數(shù)k=0.8。

表2 不同保護(hù)角下的繞擊跳閘率 次/100 km·a

保護(hù)角 /(°) -50510SZV1B型桿塔上層導(dǎo)線0.404 60.632 60.988 21.480 0中層導(dǎo)線0.333 20.539 00.885 01.369 2下層導(dǎo)線0.186 00.348 80.632 01.064 2SZV2B型桿塔上層導(dǎo)線0.609 40.89901.333 81.917 8中層導(dǎo)線0.576 40.854 81.302 01.901 4下層導(dǎo)線0.440 40.689 61.103 21.682 6

注：擊距系數(shù)k=0.8，地面傾角為0°。

表3 不同擊距系數(shù)下的繞擊跳閘率 次/100 km·a

擊距系數(shù)0.60.70.80.91.0SZV1B型桿塔上層導(dǎo)線0.505 20.356 00.237 40.145 40.077 4中層導(dǎo)線0.638 20.434 20.276 80.158 60.075 4下層導(dǎo)線0.668 20.417 00.234 40.109 40.033 8SZV2B型桿塔上層導(dǎo)線0.729 20.554 00.408 20.288 20.095 7中層導(dǎo)線0.959 60.714 60.514 40.353 40.226 4下層導(dǎo)線1.098 60.779 80.528 40.334 40.190 2

注：地面傾角為0°。

4.2 影響因素分析

4.2.1 桿塔高度的影響

當(dāng)桿塔高度增加時(shí)，引雷面積增大，繞擊跳閘率增加。計(jì)算結(jié)果表明，在地面傾角和保護(hù)角相同的條件下，繞擊跳閘率隨桿塔高度的增加而增大。對于呼稱高度分別為42 m和48 m的SZV1B型桿塔和SZV2B型桿塔，當(dāng)?shù)孛鎯A角為0°(平地)時(shí)，后者的繞擊跳閘率為前者2.25倍；當(dāng)?shù)孛鎯A角為20°時(shí)，后者的繞擊跳閘率為前者的1.50倍。由此可見，桿塔高度對繞擊跳閘率有較大影響。

4.2.2 地面傾角的影響

通過計(jì)算表明，在桿塔高度和保護(hù)角相同的條件下，繞擊跳閘率隨地面傾角的增加而增大。對于呼稱高度為42 m的SZV1B型桿塔，在地面傾角為10°時(shí)比地面傾角為0°(平地)時(shí)繞擊跳閘率增大了59.2%；地面傾角為20°比地面傾角為10°時(shí)繞擊跳閘率增大了112.4.0%；而地面傾角為30°比地面傾角為20°時(shí)，繞擊跳閘率增大了96.9%。由此可見，山區(qū)線路的繞擊跳閘率比平原線路高。

4.2.3 保護(hù)角的影響

在桿塔高度和地面傾角相同的條件下，繞擊跳閘率隨保護(hù)角的增加而增大。對于呼稱高度為42 m的SZV1B型桿塔，在地面傾角為0°(平地)的情況下，保護(hù)角為-5°時(shí)的繞擊跳閘率比保護(hù)角為0°時(shí)減小了36.1%；保護(hù)角為0°比保護(hù)角為5°時(shí)減小了35.9%；保護(hù)角為5°比保護(hù)角為10°時(shí)減小了33.2%。由此可見，對于同桿雙回輸電線路，宜采用較小的保護(hù)角，甚至是負(fù)的保護(hù)角。

4.2.4 擊距系數(shù)的影響

在分析500 kV同塔雙回線路繞擊耐雷性能時(shí)，選擇合理的擊距系數(shù)至關(guān)重要。在其他條件相同的情況下，擊距系數(shù)k對繞擊跳閘率的影響較大。隨著擊距系數(shù)的減小，繞擊跳閘率增大很快，且當(dāng)擊距系數(shù)越小時(shí)，繞擊跳閘率增加越快。

5 結(jié)論

a. 建立在擊距概念基礎(chǔ)上的電氣幾何模型法(EGM)，較細(xì)致的考慮了雷繞擊輸電線路的整個(gè)過程，提出了繞擊率與雷電流幅值和地面傾角等相關(guān)觀點(diǎn)，并能夠考慮線路結(jié)構(gòu)和雷電參數(shù)等對繞擊率的影響,因此，利用該方法來分析雷電繞擊輸電線路得到的結(jié)果更接近實(shí)際情況。

b. 在運(yùn)用電氣幾何模型法分析500 kV同塔雙回輸電線路的繞擊耐雷性能時(shí)，由于桿塔較高，則擊距系數(shù)對線路繞擊率的影響不可忽略,因此在分析其超高壓同塔雙回線路的繞擊耐雷性能時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對擊距系數(shù)的研究。

c. 對于同塔雙回線路，由于一根避雷線要保護(hù)多根導(dǎo)線，因此宜采用較小的保護(hù)角，甚至是負(fù)的保護(hù)角，并且應(yīng)在條件允許的范圍內(nèi)，盡量降低桿塔高度，從而提高線路的繞擊耐雷性能。

d. 計(jì)算結(jié)果表明，SZV1B型桿塔防繞擊跳閘性能優(yōu)于SZV2B型桿塔。如果因地制宜提出適合于輸電線路微觀條件的防雷方案，將節(jié)省線路防雷改造花費(fèi)的大量人力物力，起到事半功倍的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張緯鈸，何金良，高玉明. 過電壓保護(hù)及絕緣配合[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

[3] 李如虎.地面坡度對高壓輸電線路繞擊率的影響[J].高電壓技術(shù)，2000，23(3):68-70.