基于ATP-EMTP的接地裝置對(duì)輸電線路耐雷水平影響的研究

付豪

(國網(wǎng)新疆電力公司,新疆烏魯木齊 830000)

基于ATP-EMTP的接地裝置對(duì)輸電線路耐雷水平影響的研究

付豪

(國網(wǎng)新疆電力公司,新疆烏魯木齊 830000)

桿塔接地裝置的不同形式和沖擊接地電阻值會(huì)直接影響輸電線路的耐雷水平。本文采用ATP-EMTP軟件仿真模擬雷電流沖擊試驗(yàn),對(duì)不同接地裝置和不同雷電流注入點(diǎn)對(duì)輸電線路耐雷水平的影響進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明,采用口字形接地極和水平放射型接地極能提高桿塔架空線路的耐雷水平,雷電流從接地裝置的中點(diǎn)或四角同時(shí)注入時(shí),接地裝置能被充分利用,架空線路的耐雷水平更高。

接地裝置耐雷水平ATP-EMTP

0 引言

輸電線路桿塔的有效接地對(duì)于電力系統(tǒng)防雷和保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要意義。近年來隨著超高壓輸電線路的建立和完善,桿塔高度大大增加,從而導(dǎo)致雷擊桿塔率大大增加,為輸電線路防雷帶來了很大的壓力。

雷直擊與帶避雷線的架空線路有三種情況,即雷擊桿塔頂部、雷擊避雷線檔距中央和繞擊導(dǎo)線。當(dāng)雷擊桿塔頂端時(shí),線路耐雷水平與分流系數(shù)、桿塔等值電感、桿塔沖擊接地電阻、導(dǎo)線與避雷線之間的耦合系數(shù)、絕緣子串的50%沖擊閃絡(luò)電壓有關(guān)。在工程實(shí)際中,一般以降低沖擊接地電阻和提高導(dǎo)線和避雷線間的耦合系數(shù)作為提高線路耐雷水平的主要手段[1]。接地裝置的沖擊接地電阻受多個(gè)因素共同影響,選取最有效的方式來降低沖擊接地電阻能更經(jīng)濟(jì)更有效的提高線路的耐雷水平[2,3]。本文建立了雷電流、桿塔與接地裝置的仿真模型,采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP對(duì)相同材料下不同接地裝置類型及不同的雷電流注入點(diǎn)對(duì)輸電線路耐雷水平的影響進(jìn)行了仿真研究,得出了一些結(jié)論。

1 ATP-EMTP中仿真模型的建立

1.1 雷電流模型

雷電沖擊電流波形采用雙指數(shù)波形,其解析表達(dá)式為:

1.2 桿塔模型

圖1 雷電流波形圖

本文采用Hara無損線桿塔模型[5],選取了一座220KV的輸電線路雙回鼓型耐張塔進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)桿塔各處尺寸大小的不同,采用相應(yīng)的波阻抗計(jì)算公式計(jì)算桿塔每個(gè)部分的波阻抗,根據(jù)Hara的無損線桿塔模型,就可以搭建出一個(gè)完整的桿塔多波阻抗模型。

仿真中,雷電流從桿塔塔頂注入以模擬雷擊桿塔時(shí)的情形,通過分析桿塔橫擔(dān)與絕緣子串連接處的電壓峰值大小來分析不同接地裝置及不同雷電流注入點(diǎn)對(duì)架空線路耐雷水平的影響。對(duì)于同一幅值的雷電流,在橫擔(dān)上產(chǎn)生的電壓峰值越大,表示絕緣子串兩端的電壓越大,也越容易導(dǎo)致絕緣子發(fā)生絕緣閃絡(luò),引起雷擊跳閘事故。

1.3 接地極模型

接地裝置可以用若干段π型等值電路模型來進(jìn)行模擬仿真,π型等值電路包含接地體自身電阻R,自身電感L,對(duì)地電容C,對(duì)地電導(dǎo)G四個(gè)部分[6,7],搭建的模型如圖2。

π型等值電路的四個(gè)參數(shù)按如下公式計(jì)算:

圖2 接地極π型等值電路模型

圖3 四種不同形式的接地裝置

接地體建模需要進(jìn)行合理的分段,分段越多,越能精確的反應(yīng)接地極的真實(shí)情況,但分段過多也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜和累計(jì)誤差增加等問題。本文綜合考慮各種因素,對(duì)水平接地極每一分段長度取4m,對(duì)其他形式的接地極取每一分段長度為2m。

2 接地裝置對(duì)輸電線路耐雷水平的影響

本文仿真采用了四種不同形式的接地電極進(jìn)行仿真如圖3所示,即水平接地電極、十字形接地極、口字形接地極和鐵塔水平放射型接地裝置。四種接地裝置采用的材料總長均為64m,接地極直徑、埋深、土壤電阻率等其他因素都保持相同。

2.1 水平接地電極

對(duì)水平接地極,仿真時(shí)計(jì)算了雷電流通過桿塔后經(jīng)三種不同方式注入接地裝置,即單端注入、中點(diǎn)注入和雙端注入。仿真計(jì)算的各層橫擔(dān)電壓如表1所示。

由表1所示的各層橫擔(dān)電壓值變化可知,雷電流從中點(diǎn)注入和從雙端同時(shí)注入時(shí)各橫擔(dān)電壓差別不大,而只從一端注入時(shí),同一層橫擔(dān)的橫擔(dān)電壓要高出很多,耐雷水平也大大降低。對(duì)于同一種雷電流注入方式,橫擔(dān)電壓從上層到下層依次遞減,線路耐雷水平逐漸增加。仿真結(jié)果表明,當(dāng)雷電流能均勻分布在接地極上時(shí),接地極各處能夠得到充分利用,架空線路的耐雷水平可以得到明顯提升。

表1 水平接地極不同雷電流注入點(diǎn)時(shí)的橫擔(dān)電壓

表2 十字形接地極不同雷電流注入點(diǎn)時(shí)的橫擔(dān)電壓

表3 口字形接地極不同雷電流注入點(diǎn)時(shí)的橫擔(dān)電壓

表4 水平放射型接地極不同射線長度時(shí)的橫擔(dān)電壓

表5 不同接地裝置的橫擔(dān)電壓和沖擊接地電阻

2.2 十字形接地極

對(duì)于十字型接地極,仿真計(jì)算時(shí)考慮了從中點(diǎn)注入和從射線四個(gè)端點(diǎn)注入兩種情況,得到的結(jié)果如表2所示。

表2中的仿真結(jié)果表明,對(duì)于從中點(diǎn)注入和從四角注入兩種不同的雷電流注入方式,上中下三層橫擔(dān)的電壓均相差不大,且依次遞減,這表明采用這兩種不同的雷電流注入方式是基本等效的,都能將雷電流很好的釋放到大地中,對(duì)于線路的耐雷水平?jīng)]有明顯影響,考慮到實(shí)用性,采用從中點(diǎn)注入雷電流更加方便。

2.3 口字形接地極

口字型接地極的仿真采用了從一個(gè)角注入雷電流、從對(duì)角注入雷電流和從四個(gè)角同時(shí)注入雷電流三種情況。三種不同方式的仿真結(jié)果如表3所示。

對(duì)于這三種不同的注入方式,從單點(diǎn)注入各橫擔(dān)電壓最高,從對(duì)角注入次之,而從四個(gè)角同時(shí)注入時(shí),各層橫擔(dān)電壓最小。這個(gè)結(jié)果也表明,當(dāng)電流在接地裝置中分布的更均勻,對(duì)接地極各個(gè)部分利用更充分時(shí),桿塔橫擔(dān)上電壓更低,絕緣子串上的電壓也更低,線路的耐雷水平則更高。

2.4 水平放射型接地極

采用ATP-EMTP軟件進(jìn)行仿真時(shí),對(duì)水平放射型接地極從四個(gè)角同時(shí)注入雷電流,分析了在保證接地極總長度為64m時(shí),圖3中接地極方框邊長a和射線長度b變化時(shí)的情況。仿真結(jié)果如表4所示,表4中第一行數(shù)字表示a+b的值。

表4的仿真結(jié)果表明,在保持接地極的總長度不變時(shí),適當(dāng)改變方框邊長和射線長度的比例并不會(huì)對(duì)桿塔各層橫擔(dān)電壓產(chǎn)生影響,也不會(huì)影響架空線路的耐雷水平。采用水平放射型接地極時(shí),各層橫擔(dān)的電壓都相對(duì)比較低,線路的耐雷水平較高。在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)現(xiàn)場情況決定方框邊長和射線長度。

2.5 不同接地裝置對(duì)線路耐雷水平的影響

根據(jù)上面的仿真結(jié)果,可以對(duì)采用不同的接地裝置時(shí)線路的耐雷水平進(jìn)行對(duì)比。各種接地裝置的橫擔(dān)電壓和沖擊接地電阻如表5所示,其中水平接地裝置和十字形選擇的是中點(diǎn)注入雷電流,口字形接地裝置選擇四角注入雷電流。

從仿真結(jié)果可以看到,對(duì)于這四種不同的接地裝置,水平接地極的沖擊接地電阻最大,而水平放射型接地極最小。桿塔的各層橫擔(dān)電壓也是水平接地極最高,十字形次之,口字形和水平放射型最小且相差不大。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)接地極材料一定時(shí),應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況優(yōu)先選擇口字形和水平放射型接地極,這兩種接地極能在有限的材料下盡可能地提高架空線路的耐雷水平,對(duì)保障輸電線路的供電可靠性有重要作用。從數(shù)據(jù)也可看出,隨著沖擊接地電阻的減小,各層橫擔(dān)電壓也在減小,耐雷水平不斷增加,所以降低輸電線路的沖擊接地電阻也是一個(gè)提高輸電線路耐雷水平的重要措施。

3 結(jié)論

(1)水平接地極、十字形接地極、口字形接地極和水平放射接地極這四種接地裝置,在接地極總長相同時(shí)采用后兩種接地裝置的桿塔架空線路耐雷水平較高。(2)雷電流注入點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先選擇在接地裝置的中點(diǎn)或四角同時(shí)注入,盡可能使雷電流在接地裝置中均勻分布以充分利用接地裝置,能夠提高架空線路耐雷水平。

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[7]徐偉.考慮火花效應(yīng)時(shí)桿塔接地裝置沖擊特性的研究[D].華中科技大學(xué),2008.