1000kV桿塔防雷研究

歐陽仁樂

（西華大學(xué)，成都 610039）

我國電力工程顧問集團公司在2005年3月提出的特高壓交流線路工程草案中闡述了4 種經(jīng)典特高壓單回輸電桿塔，分別為3M 型水平排列、3M 型三角排列、3V 型水平排列、3V 型三角排列。為了最大程度限制雷害的發(fā)生，分析不同桿塔在相同條件下發(fā)生雷害的概率以及嚴重程度在特高壓防雷計算中應(yīng)該占據(jù)重要地位。本文主要采用多波阻抗模型分析研究以上四種桿塔發(fā)生雷害的概率以及對雷電波在線路中傳播的影響。

1 不同桿塔繞擊分析

1.1 電氣幾何模型

以前，在評估輸電線路避雷線屏蔽性能 的時候，主要是根據(jù)保護角的大小來判斷，并且僅僅考慮了避雷線保護角，后來又引入了桿塔高度因素。自1968年后，E.R.Withehead 等提出了研究避雷線屏蔽性能的電氣幾何模型（EGM）。它是將雷電放電特點同線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來而建立的一種集合分析計算模型，它將擊距與雷電流關(guān)聯(lián)起來，使雷電屏蔽技術(shù)走上了幾何參數(shù)與電氣參數(shù)聯(lián)合的研究軌道。它的基本原理為：當(dāng)雷云的先導(dǎo)放電通道頭部達到被擊中物體（擊距）之前，擊中點是不確定的，先達到哪個物體相應(yīng)的擊距時，就向該物體放電[2]。

圖1 電氣幾何模型

圖1顯示了雷電繞擊線路的電氣幾何模型。若雷電先導(dǎo)落入AB弧段，則雷電將直擊避雷線；若 雷電先導(dǎo)落入BD弧段，則繞擊導(dǎo)線，所以BD段成為暴露??；若雷電先導(dǎo)擊中落入DE平面，則擊中大地。

1.2 繞擊閃絡(luò)率計算

隨著雷電流幅值增大，BD段將逐漸減小，當(dāng)雷電流幅值增大到Imax時，BD段縮小為0，不再發(fā)生繞擊。

并非所有繞擊都會引起絕緣閃絡(luò)，只有當(dāng)雷電流幅值大于線路耐雷水平Imin時才會發(fā)生閃絡(luò)。耐雷水平可由以下公式確定

式中，Zc為導(dǎo)線波阻抗；Z0為閃電通道波阻抗；Uph為導(dǎo)線工作電壓；U-50%為絕緣子50%閃絡(luò)電壓絕 對值。

根據(jù)前蘇聯(lián)觀測計算出的雷電流波阻抗和雷電 流關(guān)系曲線求得Z0= 1.6I1.345+ 21120/I- 1 48.4

雷電流I下繞擊概率X(I) 可由下式?jīng)Q定

繞擊閃絡(luò)率P1可由下式計算

式中，F(xiàn)(I)為雷電流概率密度，F(xiàn)(I)=0.026166×10-I/88。 根據(jù)計算得出四種桿塔的繞擊閃絡(luò)率見表1。

表1 繞擊閃絡(luò)率

由表1可看出，M 型與3V 型比較，在相近的保護角下M 型的繞擊閃絡(luò)率較低，而水平排列的導(dǎo)線較三角排列的導(dǎo)線保護角更大，繞擊閃絡(luò)率也較大。相比之下，M 型三角排列的導(dǎo)線防繞擊閃絡(luò)能力更強。

2 不同桿塔反擊分析

2.1 仿真模型的建立

1）桿塔模型

在防雷計算中，桿塔的沖擊響應(yīng)是非常重要的，塔頂點位的計算結(jié)果將受到直接影響。輸電線路耐雷水平和跳閘率的計算準確與否也被直接影響，目前采用的桿塔模型主要有以下幾種[4]：

集中電感模型：該模型往往是針對低電壓等級的線路進行理論研究，忽略了桿塔上的波過程，在高電壓等級的研究中集中電感模型遠遠不能達到防雷設(shè)計要求[4]。

單一波阻抗模型：該模型僅用單一波阻抗來模擬桿塔，把桿塔視作均勻參數(shù)，忽略了桿塔結(jié)構(gòu)的不同，這在研究特高壓雷電波過程的時候會帶來一定的誤差[4]。

多波阻抗模型：該模型是根據(jù)垂直導(dǎo)體不同高度波阻抗不同的原理而建，相比單一波阻抗模型，多波阻抗模型更好地考慮了波在桿塔中的傳播過程，有較高的精度，并且能廣泛應(yīng)用于各種電壓等級仿真模型中[4]。

本文使用多波阻抗多層傳輸塔模型來建立M 型水平排列、3M 型三角排列、3V 型水平排列、3V 型三角排列這四種桿塔的線路仿真模型。具體桿塔模型如圖2至圖5所示。

圖2 3V 型水平排列

圖3 3V 型三角排列

圖4 M 型水平排列

圖5 M 型三角排列

上圖中L和R是用來模擬在桿塔中傳播的行波的變形和衰減，其方程為

式中，Zti為桿塔波阻抗，Zt1=Zt2=220 Ω,Zt3= 150Ω；衰減系數(shù)γ= 0.7，阻尼系數(shù)α= 1，波速Vt取光速。

計算結(jié)果見表2至表5。

表2 3V 型水平排列

表3 3V 型三角排列

表4 M 型水平排列

表5 M 型三角排列

2）雷電流模型

雷電流波形主要有斜角波，雙指數(shù)波和heidler三種模型。電力系統(tǒng)中目前廣泛采用的是雙指數(shù)波， 其表達式為

仿真雷電流幅值取 250kA，通過計算得α= 15000,β= 1860000,A= 1.058。

3）輸電線路模型

輸電線路模型有貝杰龍模型、Pi 型等效模型、RL 耦合模型、JMarti 模型、Semlyen 模型、Noda模型等。目前，架空輸電線路一般采用JMarti 模型來仿真，這種模型已經(jīng)考慮了集膚效應(yīng)還有避雷線與導(dǎo)線的耦合系數(shù)，在仿真雷電波反擊時有比較高的運算精度，因此在本文中利用LCC 的JMarti 模型，將輸電線路看做是包括，避雷線的不換位多導(dǎo)線系統(tǒng)來處理。

4）絕緣子閃絡(luò)模型

絕緣子閃絡(luò)模型主要有三種，規(guī)程法、相交法和先導(dǎo)法。規(guī)程法是按照標準推薦的50%閃絡(luò)電壓來判斷是否閃絡(luò)；相交法根據(jù)絕緣死伏秒特性和電壓波形的交點來判斷閃絡(luò)。以上這兩種方法目前也在我國輸電線路防雷中廣泛應(yīng)用，不過規(guī)程法在研究超、特高壓耐雷水平的時候會忽略工作電壓作用，得到的耐雷水平不準確，而且其本身精度也不夠高；相交法相比規(guī)程法更為合理，它考慮了雷電過電壓的隨時間變化，但是它沒有考慮到作用在絕緣子兩端的過電壓并不是標準波，而是短尾波，實驗表明，在短尾波的作用下，以上兩種模型都會導(dǎo)致耐雷水平偏低，誤差較大。先導(dǎo)法是基于間隙先導(dǎo)發(fā)展的計算閃絡(luò)的方法，它結(jié)合空寂長間隙放電的物理過程來判斷絕緣子閃絡(luò)。它將氣體放電的物理過程引入閃絡(luò)模型，更加直觀，更加合理，更加精確，為了在特高壓防雷計算中使計算結(jié)果更加符合實際，因此本文采用先導(dǎo)法來判斷絕緣子閃絡(luò)。

2.2 仿真計算

當(dāng)所有模型條件給定，運用ATP-EMTP 可以畫出雷電波反擊線路的仿真電路圖，如圖6所示，由于篇幅原因，本文只截取雷擊桿塔附近線路。

圖6 仿真接線圖

圖7為不同類型桿塔雷擊1#塔B 相閃絡(luò)時線路1 的反擊過電壓波形圖。

圖7 不同桿塔線路1 反擊過電壓波形

表6 不同桿塔排列反擊過電壓幅值

由圖7和表6可看出，當(dāng)桿塔同為水平排列或者是三角排列時，雷擊相雷電過電壓幅值和波峰出現(xiàn)時間都很接近，而三角排列的過電壓幅值比水平排列過電壓幅值更大，提高了1900kV，波峰出現(xiàn)時間也更早。

3 結(jié)論

通過利用電氣幾何模型，將雷電放電特性同線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來，計算比較了四種經(jīng)典桿塔在相同情況下的繞擊閃絡(luò)率，計算結(jié)果表明，3V 三角桿塔的繞擊閃絡(luò)率最高，M 三角桿塔繞擊閃絡(luò)率最低。

利用ATP-EMTP 仿真，分別為四種經(jīng)典桿塔建立了線路模型，仿真結(jié)果表明三角排列的反擊過電壓幅值較水平排列更大，波峰出現(xiàn)時間更早，其中M 三角排列桿塔過電壓幅值最高，3V 水平桿塔過電壓幅值最低。

綜合繞擊閃絡(luò)率以及雷反擊幅值，在四種經(jīng)典桿塔中M 水平桿塔是綜合耐雷性能最好的1000kV線路桿塔。

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