工頻電壓對(duì)輸電線路耐雷水平的影響分析

邵俊楠，王 燕，黃廣龍

（1．新疆電力設(shè)計(jì)院，烏魯木齊830002；2．中原工學(xué)院，鄭州450007）

工頻電壓對(duì)輸電線路耐雷水平的影響分析

邵俊楠1，王 燕2，黃廣龍1

（1．新疆電力設(shè)計(jì)院，烏魯木齊830002；2．中原工學(xué)院，鄭州450007）

以規(guī)程法為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了計(jì)及工頻電壓的輸電線路耐雷水平的計(jì)算公式，并結(jié)合實(shí)際工程計(jì)算和分析了各電壓等級(jí)工頻電壓對(duì)線路耐雷水平的影響．

工頻電壓；耐雷水平；沖擊接地電阻；桿塔呼高

輸電線路分布廣，縱橫交錯(cuò)，一般線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，尤其是近年來建設(shè)的特高壓交、直流輸電線路，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)千公里．線路在經(jīng)過多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)時(shí)，其遭受雷擊的可能性較大．據(jù)電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)，在高壓線路運(yùn)行的總跳閘次數(shù)中，由雷擊引起的跳閘次數(shù)占40%～70%．衡量和評(píng)價(jià)輸電線路雷擊耐受能力的一個(gè)重要的性能指標(biāo)是耐雷水平，它直接影響著電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性．在線路設(shè)計(jì)階段，常需要對(duì)設(shè)計(jì)中的線路進(jìn)行仿真計(jì)算，得到其耐雷水平，從而指導(dǎo)、修正線路的設(shè)計(jì)，因此耐雷水平的計(jì)算具有重要的意義［1－4］．

目前，在我國(guó)無論是規(guī)程法還是借助各種電磁暫態(tài)計(jì)算軟件進(jìn)行耐雷水平計(jì)算的方法，都沒有計(jì)及線路運(yùn)行中工頻電壓的影響［4］．嚴(yán)格地說，作用在線路絕緣子上的電壓還有導(dǎo)線上的工頻電壓．對(duì)220 k V及以下的線路，因所占比重不大，工頻電壓對(duì)線路耐雷水平影響不大，計(jì)算時(shí)可以忽略．但對(duì)特高壓輸電線路來說，該工頻電壓的存在對(duì)絕緣子串的雷擊閃絡(luò)特性會(huì)產(chǎn)生很大的影響；如果忽視工頻電壓的影響，將使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差［5］．因此，在特高壓輸電線路耐雷水平計(jì)算中，需考慮工頻電壓對(duì)線路耐雷水平的影響．本文計(jì)算了110 k V、500 k V、750 k V線路在計(jì)及工頻電壓前后的耐雷水平，分析了工頻電壓對(duì)線路耐雷水平的影響．

1 計(jì)及工頻電壓后的耐雷水平分析

當(dāng)線路有避雷線（又稱地線）時(shí)，雷擊線路部位有3種：雷繞過避雷線而擊于導(dǎo)線、雷擊桿塔（塔頂）和雷擊避雷線檔距中央．運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，雷擊避雷線檔距中央且與導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)引起跳閘的情況是極罕見的，可不予考慮［6］．本文只分析雷擊桿塔（塔頂）時(shí)線路的耐雷水平．不計(jì)工頻電壓時(shí)線路的耐雷水平I的計(jì)算可參考文獻(xiàn)［7］；本文只推導(dǎo)計(jì)及工頻電壓時(shí)線路的耐雷水平I′．

雷擊塔頂前，雷電通道中的負(fù)電荷在桿塔及架空地線上感應(yīng)正電荷；當(dāng)雷擊塔頂時(shí)，雷電通道中的負(fù)電荷與桿塔及架空地線上的正感應(yīng)電荷迅速中和，形成雷電流，如圖1（a）所示．雷擊瞬間，自雷擊點(diǎn)（即塔頂）有一負(fù)雷電流波沿桿塔向下運(yùn)動(dòng)，另有2個(gè)相同的負(fù)電流波分別自塔頂沿兩側(cè)避雷線向相鄰桿塔運(yùn)動(dòng)．與此同時(shí)，自塔頂有一正雷電流波沿雷電通道向上運(yùn)動(dòng)，此正雷電流波的數(shù)值與3個(gè)負(fù)電流波之和相等，線路絕緣子上的過電壓即由這幾個(gè)電流波所引起．對(duì)于一般高度的桿塔，在工程上常用圖1（b）所示的集中參數(shù)等值電路進(jìn)行分析計(jì)算．其中：Lgt為桿塔的等值電感，Rch為被擊桿塔的沖擊接地電阻，Lb為桿塔兩側(cè)一個(gè)檔距內(nèi)避雷線電感并聯(lián)值，i為雷電流．不同類型桿塔的等值電感Lgt可由表1查出．單根避雷線的等值電感Lb約為0．67lμH（l為檔距長(zhǎng)度，m），雙根避雷線的Lb約為0．42lμH．

圖1 雷擊塔頂時(shí)雷電流的分布及等值電路圖

表1 桿塔的電感平均值

1．1 桿塔橫擔(dān)高度處電位的幅值Ugh

考慮到雷擊點(diǎn)的阻抗較低，故在計(jì)算中可略去雷電通道波阻的影響．由于避雷線的分流作用，流經(jīng)桿塔的電流igt小于雷電流i，igt＝βi，則塔頂電位Ugt為：

橫擔(dān)高度處桿塔電位為：

1．2 導(dǎo)線上的電位幅值Ud

雷擊塔頂時(shí)導(dǎo)線上的電位包括3個(gè)分量：①塔頂電位為Ugt時(shí)由避雷線與導(dǎo)線間的耦合作用而產(chǎn)生的耦合分量Uep＝k Ugt，其中k為考慮電暈影響后的耦合系數(shù)，此電壓與雷電流同極性；②雷電放電先導(dǎo)通道產(chǎn)生的電磁場(chǎng)通過場(chǎng)線耦合到導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓分量Ugy，此電壓與雷電流異極性；③導(dǎo)線上的工頻電壓分量Ugp＝Umcos（ωt＋φ0），其中Um為相電壓峰值，ω為角頻率，φ0為初始相位角．則計(jì)及工頻電壓后導(dǎo)線上

1．3 絕緣子串上的電壓幅值Uj

線路絕緣子上的電壓為橫擔(dān)高度處桿塔電位和導(dǎo)線電位之差，故線路絕緣子上的電壓幅值為：的電位幅值Ud為：

1．4 耐雷水平I′

當(dāng)電壓Uj未超過線路絕緣水平U50%時(shí)，導(dǎo)線與桿塔之間不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)．由此可得出雷擊桿塔時(shí)線路的耐雷水平I′為：

因雷電流持續(xù)時(shí)間極短（約幾十μs），故可認(rèn)為雷擊過程中工頻電壓一直保持不變，其值取雷擊開始t0時(shí)刻的值，為ωt0＋φ0＝Ф，則式（6）可簡(jiǎn)化為：

式（1）－式（7）中：β為分流系數(shù)；hh為桿塔橫擔(dān)對(duì)地高度（桿塔呼高），m；hg為桿塔對(duì)地高度（桿塔全高），m；α為雷擊桿塔時(shí)感應(yīng)過電壓系數(shù)；k0為導(dǎo)線與避雷線（地線）間的幾何耦合系數(shù)；hb為避雷線（地線）平均高度，m；hd為導(dǎo)線平均高度，m．

2 實(shí)例計(jì)算分析

2．1 計(jì)算參數(shù)的選取

某110 k V輸電線路中，導(dǎo)線采用LGJ－240／30型鋼芯鋁絞線，避雷線采用GJ－50型鋼絞線，導(dǎo)線用懸垂絕緣子串長(zhǎng)度取1．7 m，地線懸垂絕緣子串長(zhǎng)度取0．3 m，絕緣子50%電壓取550 k V；某500 k V輸電線路中，導(dǎo)線采用4×LGJ－630／45型鋼芯鋁絞線，避雷線采用GJ－100型鋼絞線，導(dǎo)線用懸垂絕緣子串長(zhǎng)度取5．5 m，地線懸垂絕緣子串長(zhǎng)度取0．6 m，絕緣子50%電壓取2 250 k V；某750 k V輸電線路中，導(dǎo)線采用6×LGJ－400／35型鋼芯鋁絞線，避雷線采用GJ－100型鋼絞線，導(dǎo)線用懸垂絕緣子串長(zhǎng)度取7．5 m，地線用懸垂絕緣子串長(zhǎng)度取0．6 m，絕緣子50%電壓取2 700 k V．

2．2 不計(jì)工頻電壓時(shí)的雷擊塔頂耐雷水平

不計(jì)工頻電壓時(shí)雷擊塔頂耐雷水平I按文獻(xiàn)［7］中的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算．計(jì)算結(jié)果見表2，其中H 為桿塔呼高．

表2 不計(jì)工頻電壓時(shí)的耐雷水平I（R ch＝10Ω，H＝36 m）

2．3 計(jì)及工頻電壓時(shí)的雷擊塔頂耐雷水平

由式（7）可知，計(jì)及工頻電壓時(shí)雷擊塔頂耐雷水平I′隨雷擊時(shí)刻工頻電壓相位角Ф的不同而不同，Ф＝0°時(shí)，I′最大，此時(shí)工頻電壓與雷電流i同極性且達(dá)到峰值；Ф＝180°時(shí)，I′最小，此時(shí)工頻電壓與雷電流i反極性且達(dá)到峰值．因雷擊時(shí)刻是隨機(jī)的，故Ф值也是在0°～360°之間的一個(gè)隨機(jī)值．但無論Ф取哪個(gè)值，三相導(dǎo)線中工頻電壓等幅值、同頻率，而初相依次相錯(cuò)120°［8］，其波形和向量見圖2和圖3．故三相導(dǎo)線中總有一相的工頻電壓與雷電流i反極性，使該相的耐雷水平I′降低，并且也總有一相的工頻電壓與雷電流i同極性，使I′升高．本文只考慮其中一相導(dǎo)線中工頻電壓在Ф＝0°和180°時(shí)的2種極限情況，計(jì)算結(jié)果見表3．

表3 計(jì)及工頻電壓時(shí)的耐雷水平I′（R ch＝10Ω，H＝36 m）

2．4 工頻電壓對(duì)輸電線路耐雷水平的影響分析

由表2和表3可以看出，在某一次雷擊中，工頻電壓雖然可以使某一相的耐雷水平提高，但卻使線路總的耐雷水平降低．計(jì)及工頻電壓后耐雷水平的變化值ΔImax＝∣I′max－I∣．

圖4所示為線路電壓等級(jí)與ΔImax的關(guān)系．由圖4可知，隨著線路電壓等級(jí)的提高，線路工頻電壓對(duì)線路耐雷水平的影響越來越大．當(dāng)電壓等級(jí)為110 k V時(shí)，ΔImax為6 k A；當(dāng)電壓等級(jí)為500 k V時(shí)，ΔImax為25 k A；而當(dāng)電壓等級(jí)為750 k V 時(shí)，ΔImax可達(dá)39 k A．

圖4 電壓等級(jí)與ΔI max的關(guān)系（R ch＝20Ω，H＝36 m）

圖5所示為桿塔沖擊接地電阻Rch與ΔImax的關(guān)系．由圖5可知，在土壤電阻率較高的地區(qū)，工頻電壓對(duì)線路耐雷水平的影響比在土壤電阻率較低的地區(qū)?。畻U塔沖擊接地電阻為5Ω時(shí)，ΔImax＝42 k A；桿塔沖擊電阻為10Ω時(shí)，ΔImax＝34 k A；桿塔沖擊電阻為15Ω時(shí)，ΔImax＝29 k A；桿塔沖擊電阻為20Ω時(shí)，ΔImax＝25k A；桿塔沖擊電阻為 25Ω 時(shí)，ΔImax＝23 k A；桿塔沖擊電阻為30Ω時(shí)，ΔImax＝21 k A．

圖6所示為桿塔呼高H 與ΔImax的關(guān)系．由圖6可知，隨著桿塔呼高的增加，工頻電壓對(duì)線路耐雷水平的影響越來越?。?dāng)呼高為27 m時(shí)，ΔImax＝27 k A；當(dāng)呼高為30 m時(shí)，ΔImax＝26 k A；當(dāng)呼高為36 m時(shí)，ΔImax＝25 k A；當(dāng)呼高為42 m時(shí)，ΔImax＝24 k A；當(dāng)呼高為48 m時(shí)，ΔImax＝23 k A．

圖5 沖擊接地電阻R ch與ΔI max的關(guān)系（電壓等級(jí)＝500 k V，H＝36 m）

3 結(jié) 語

（1）計(jì)及導(dǎo)線上工頻電壓后，雷擊桿塔時(shí)線路某一相的耐雷水平是雷擊時(shí)工頻電壓相位Ф的函數(shù)，隨著Ф值的不同，耐雷水平可能提高也可能降低，但線路總的耐雷水平降低．

圖6 桿塔呼高H與ΔI max的關(guān)系（電壓等級(jí)＝500 k V，R ch＝20Ω）

（2）計(jì)及工頻電壓后，線路耐雷水平降低的數(shù)值隨著線路電壓等級(jí)的增大而增大．而工頻電壓對(duì)線路耐雷水平的影響隨著桿塔呼高、土壤電阻率的增大而逐漸減?。?/p>

［1］ 李小嵐，尹小根，余仁山，等．基于改進(jìn)電氣幾何模型的繞擊跳閘率的計(jì)算［J］．高電壓技術(shù)，2006，32（3）：42－44．

［2］ 尋凱，何成華．繞擊是造成湖北地區(qū)域500 k V線路雷擊跳閘的主要原因［J］．中國(guó)電力，2000，33（6）：55－58．

［3］ 胡毅．輸電線路運(yùn)行故障分析與防治［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2007．

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［5］ 屠志健，張一塵．電氣絕緣與過電壓 ［M］．第2版．北京：中國(guó)電力出版社，2009．

［6］ 邵俊楠，王燕，李軼．風(fēng)速對(duì)500k V輸電線路繞擊性能的影響分析［J］．中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，21（3）：72－75．

［7］ DL／T620－1997，交流電氣裝置的過電壓保護(hù)及絕緣配合［S］．

［8］ 邱關(guān)源．電路［M］．北京：高等教育出版社，1999．

Effect Analysis of Power Frequency Voltage to the Withstand Level of Transmission Line

SHAO Jun－nan1，WANG Yan2，HUANG Guang－long1
（1．Xinjiang Electric Power Design Institute，Urumqi 830002；2．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In this paper，computational formula of lightning withstand level considering power frequency voltage is deduced，and effect of power frequency voltage to the withstand level of transmission line is computed and analysed．

power frequency voltage；lightning withstand level；impact earthing resistance；height of iron tower cross arm

TM862

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．03．014

1671－6906（2012）03－0062－04

2012－05－17

邵俊楠（1981－），男，河南淮陽人，工程師．