酒湖線湖南段特高壓直流輸電線路耐雷性能分析

周 順，周羽生，陳 輝，劉詩涵，劉超智

（長沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410114）

0 引言

甘肅酒泉至湖南湘潭的±800 kV特高壓直流線路長度2 385.6 km，是重點(diǎn)服務(wù)于我國西北部太陽能、風(fēng)能及煤電送出的跨區(qū)域輸電通道，建成投入使用后將對解決西北棄風(fēng)棄光，變輸煤為輸電的問題，優(yōu)化能源配置形式，極大緩解了湖南省用電緊張，減少霧霾，改善大氣環(huán)境質(zhì)量等具有十分重要的意義。

酒湖線±800 kV特高壓輸電線路額定輸送能力達(dá)到了雙極8 000 MW，直流額定電壓為±800 kV，直流額定電流5 kA，輸送容量巨大，一旦發(fā)生線路跳閘事故，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響極大。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計，輸電線路的跳閘事故70%為雷擊事故，酒湖線特高壓直流工程湖南段沿線走廊地形有平地、丘陵、河網(wǎng)泥沼、一般山地，地形地勢交錯復(fù)雜，防雷工作嚴(yán)峻。完善酒湖線特高壓直流工程湖南段的防雷措施等工作，降低線路閃絡(luò)率，對于酒湖線特高壓直流輸電和保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行統(tǒng)具有重要的意義。

本文結(jié)合酒湖線湖南段采用的桿塔、導(dǎo)線、絕緣子等的實(shí)際參數(shù)，以及湖南段歷年來的雷電參數(shù)統(tǒng)計分布，結(jié)合ATP-EMTP電磁暫態(tài)程序建立了桿塔多波阻抗模型、絕緣子閃絡(luò)模型、考慮火花效應(yīng)的接地電阻模型構(gòu)成了酒湖線湖南段線路的反擊耐雷模型；采用不等擊距電氣幾何法，并結(jié)合規(guī)程法搭建繞擊屏蔽模型。通過對酒湖線湖南段線路的耐雷性能分析，為線路制定科學(xué)防雷措施提供理論依據(jù)。

1 線路與雷電參數(shù)

1.1 線路參數(shù)

系統(tǒng)輸送額定電壓為800 kV，湖南段屬于輕冰區(qū)，根據(jù)國網(wǎng)公司的推薦，平丘地區(qū)導(dǎo)線宜采用JL1/G3A-1250/70，每相六分裂。全線架設(shè)雙地線，絕緣子“V”形串長為9.6 m.

1.2 雷電參數(shù)

酒湖線湖南段雷電參數(shù)數(shù)據(jù)[1]來源于湖南省閃電雷暴定位系統(tǒng)，通過對近10年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如圖1所示，湖南段地區(qū)負(fù)地閃遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于正地閃，而負(fù)極性雷電在傳播時衰減少，對設(shè)備損害更大。

圖1 湖南地區(qū)雷電分布圖Fig.1 Distribution of lightning in Hunan area

2 耐雷性能仿真計算模型

2.1 線路模型

實(shí)際雷電波中本身包含較多的高頻率諧波波段，因此考慮到線路參數(shù)隨頻率變化以及雷電流的頻變特性，選用ATPDraw中的JMARTI模型[2]，計算并輸入酒湖線線路參數(shù)，由ATPDraw進(jìn)行計算模擬。圖2為酒湖線的反擊模型電路圖[3]。

圖2 酒湖線特高壓直流輸電線路反擊模型電路圖Fig.2 Circuit diagram of back striking model of UHVDC transmission line in Jiuhu line

2.2 雷電流模型

雷電流的波形仿真選擇對輸電線路的防雷計算與設(shè)計影響較大，我國標(biāo)準(zhǔn)中的仿真雷電流是由一個電流源并聯(lián)波阻抗來模擬的，所并聯(lián)的波阻抗阻值在100 Ω至400 Ω，雷電波阻選取300 Ω。仿真選用標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形雙指數(shù)波模型，數(shù)學(xué)模型見式（1）：

式中：Im是固定的雷電流值；α、β是標(biāo)準(zhǔn)中的常數(shù)；t是雷電發(fā)生時間。

2.3 桿塔模型

桿塔模型在仿真中通常分為單一集中電感模型和多段波阻抗模型[4]。工程實(shí)際中應(yīng)考慮對地電容和線路損耗的影響，單一集中電感模型與工程實(shí)際偏差大，故本文仿真采用多段波阻抗模型。為避免單波阻抗模型均一化帶來的誤差，在計算時細(xì)分桿塔，根據(jù)桿塔結(jié)構(gòu)和各段尺寸，對桿塔的橫擔(dān)、支架等的波阻抗分段模擬，結(jié)合波速在不同位置的情況，圖3為酒湖線桿塔在ATP-EMTP仿真中的多段波阻抗電路原理圖。

圖3 酒湖線桿塔線路多波阻抗模型Fig.3 Model of Jiuhu the tower multi wave impedance

圖3中，按桿塔實(shí)際結(jié)構(gòu)細(xì)分為3段，每一段又可分為左側(cè)主體和右側(cè)支架，左側(cè)主體波阻抗[5]由下式可得：

式中：rzc為桿塔塔身所對應(yīng)的等效半徑值，其取值范圍為（1，2，3，4），如下式所示：

式中，rzc(c=1,2)，Rzc(c=1,2)，分別是桿塔對應(yīng)的長度。主體部分波阻抗約為支架部分的九分之一[6]：

橫擔(dān)波阻抗[7]由式（5）可得：

式中：hc是指第c段橫擔(dān)對地面的高度；同樣，rhc指第c段橫擔(dān)對應(yīng)的等值半徑。

由上述理論計算建立的酒湖線桿塔多波阻抗在ATP-EMTP中的仿真分析模型見圖4。

圖4 酒湖線±800 kV桿塔ATP-EMTP仿真模型Fig.4 The Jiuhu line+800 kV tower ATP-EMTP simulation model

2.4 接地電阻模型

接地電阻的取值直接決定著線路反擊耐雷性能，并與雷電流呈函數(shù)關(guān)系。雷擊桿塔頂端后，一定大小的雷電流經(jīng)接地體泄流。在計算中，采用IEC[7]推薦的公式來計算：

式中：R0為接地電阻值；I為通過接地體的雷電流值；I0為使土壤電離的最小電流值；I0可由下式可得:

式中：E0為使土壤電離時的場強(qiáng)，通常在300～400 kV取值；ρ為地區(qū)土壤電阻率。

仿真中應(yīng)用EMTP中的TACSRes模塊來仿真沖擊電阻[8-11]的受控非線性特性，該模塊考慮了線路沿線地區(qū)的土壤特性和流過接地體雷電流大小值兩個因素對接地阻抗的影響，計算精度高。仿真圖見圖5。

2.5 絕緣子閃絡(luò)模型

雷擊點(diǎn)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，導(dǎo)致雷擊點(diǎn)的閃絡(luò)判據(jù)難以獲得，應(yīng)用ATP-EMTP仿真平臺內(nèi)嵌模塊來仿真絕緣子閃絡(luò)進(jìn)程，進(jìn)行仿真雷擊時正負(fù)極導(dǎo)線處絕緣子等部位的過電壓值。

圖5 考慮火花效應(yīng)的接地電阻ATP-EMTP仿真模型Fig.5 ATP-EMTP simulation model of surge footing resistance

絕緣閃絡(luò)判據(jù)方法[12]目前有相交法、先導(dǎo)法和規(guī)程法。規(guī)程法是基于如果絕緣子兩端過電壓超過絕緣子串標(biāo)準(zhǔn)的50%放電電壓臨界值時發(fā)生閃絡(luò)，但規(guī)程法計算結(jié)果和實(shí)際情況相比偏?。幌葘?dǎo)法的原理[13]是當(dāng)滿足3個條件時發(fā)生閃絡(luò)：一是電場強(qiáng)度到達(dá)臨界值；二是導(dǎo)線絕緣子串承受的雷電沖擊電壓達(dá)到（不考慮表面電離情況）流注發(fā)展時間；三是迎面先導(dǎo)長度匹配間隙長度。3者同時滿足，絕緣子閃絡(luò)。但采用先導(dǎo)法計算時參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，容易產(chǎn)生較大誤差。大量研究表明，采用相交法計算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況較吻合。相交法的原理是當(dāng)絕緣子串上過電壓曲線與其伏秒特性曲線在某點(diǎn)相交時即判定發(fā)生閃絡(luò)。

±800 kV輸電線路絕緣子串的伏秒特性[14]由下式表示：

式中：Us-t為絕緣子串閃絡(luò)電壓；t為過電壓作用時間；L為絕緣子串長度，酒湖線絕緣子串長度為9.6 m。絕緣子閃絡(luò)模型仿真圖見圖6。

圖6 ±800 kV絕緣子閃絡(luò)模型Fig.6 ±800 kV insulator flashover model

2.6 酒湖線雷電繞擊模型

參考以往運(yùn)行數(shù)據(jù)，特高壓線路的繞擊事故多與線路保護(hù)角，沿線走廊地面傾角等地形因素有關(guān)[15]。而單獨(dú)采用ATP-EMTP無法仿真出避雷線保護(hù)角等幾何因素對酒湖線繞擊耐雷性能的影響，因此采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件與改進(jìn)后的電氣幾何模型結(jié)合分析酒湖線繞擊耐雷性能。

3 酒湖線±800 kV線路反擊耐雷性能

直流輸電不同于交流輸電的是對雷擊閃絡(luò)的防護(hù)是由控制換流閥觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)的，可以不用考慮線路跳閘率[16]，通常采用雷擊閃絡(luò)率來評價直流線路雷擊性能.

3.1 酒湖線桿塔接地阻抗對反擊耐雷性能影響

接地阻抗的合理取值在防雷設(shè)計計算中非常重要，其值的大小與橫擔(dān)上的過電壓衰減的速度密切相關(guān)，是電力部門減小雷擊閃絡(luò)率的主要方法。通過對酒湖線湖南段不同接地電阻情況下進(jìn)行正極性導(dǎo)線以及桿塔橫擔(dān)電位的仿真，采用了土壤火花效應(yīng)的接地電阻變化仿真模型，通過改變其電阻值，并計及沖擊電流對其影響。仿真圖7—10（○為正極性導(dǎo)線上電位或過電壓值，□為桿塔橫擔(dān)處電位或過電壓值）分別是雷擊桿塔時正極性導(dǎo)線和桿塔橫擔(dān)在接地電阻取30 Ω，20 Ω，10 Ω和5 Ω時電位波形。仿真參數(shù)設(shè)置時，設(shè)定雷電流幅值大小為-362 kA，模擬仿真雷擊點(diǎn)在桿塔頂部，桿塔本身電位為0，線路電位為其工作電壓，設(shè)定雷擊時間為0.000 3 s開始，而不是從0 s開始，這是因?yàn)閺?開始模型還沒穩(wěn)定，波形偏差比較大。仿真結(jié)果見圖7-10。

圖7 接地電阻30 Ω時正極線與橫擔(dān)處電位波形圖Fig.7 The waveform of positive wire and crossarm when grounding resistance value 30 Ω

圖8 接地電阻20 Ω時正極線與橫擔(dān)處電位波形Fig.8 The waveform of positive wire and crossarm when grounding resistance value 20 Ω

圖9 接地電阻10 Ω時正極線與橫擔(dān)處電位波形圖Fig.9 The waveform of positive wire and crossarm when grounding resistance value 10 Ω

圖10 接地電阻5 Ω時正極線與橫擔(dān)處電位波形圖Fig.10 The waveform of positive wire and crossarm when grounding resistance value 5 Ω

通過4個仿真波形對比可知，隨著接地電阻由30 Ω降到5 Ω時，絕緣子由閃絡(luò)變?yōu)椴婚W絡(luò)，圖9中接地電阻為30 Ω，正極性導(dǎo)線0.000 3 s后發(fā)生閃絡(luò)，正極性導(dǎo)線上過電壓達(dá)到3.5 MV，隨后電位變?yōu)?，橫擔(dān)電位在瞬間達(dá)到7 MV，隨后恢復(fù)到零電位。圖9至圖10中，正極性導(dǎo)線電位短時間畸變以后恢復(fù)正常，說明絕緣子未閃絡(luò)。因此，一定程度地降低接地電阻，可有效提高酒湖線耐雷水平，并極大地降低線路反擊閃絡(luò)率。

3.2 酒湖線桿塔呼稱高度對反擊耐雷性能影響

桿塔高度越高，導(dǎo)線與避雷線的引雷范圍也隨之增大，加之桿塔本身等效為一個大電感，更容易出現(xiàn)反擊事故。表1為桿塔接地阻抗值一定時，各個桿塔高度下的反擊閃絡(luò)率以及耐雷水平。

表1 酒湖線±800 kV不同桿塔呼稱高對應(yīng)的反擊耐雷性能Table 1 Lightning back flashover performance of±800 kV Jiuhu UHV DC line for various tower heights

由表1可知，酒湖線特高壓直流輸電工程中，桿塔的呼稱高度對線路的耐雷性能影響突出，桿塔高度的越高，相應(yīng)的耐雷水平降低以及反擊閃絡(luò)率升高。故在考慮經(jīng)濟(jì)性以及地形需要情況下，使用合適高度桿塔能提高線路的反擊耐雷水平。

3.3 酒湖線輸電線路兩種反擊情況仿真

按雷擊點(diǎn)，可將雷擊情況分為雷擊桿塔，雷擊擋距中央避雷線和雷擊極線，雷擊極線屬于繞擊情況，將在繞擊部分作討論?，F(xiàn)就雷擊桿塔和雷擊擋距中央避雷線的情況做仿真分析。

3.3.1 雷擊桿塔頂部

仿真雷擊桿塔頂部情況時，采用負(fù)極性雷電波擊桿塔頂端，在雷擊過程中，正極性導(dǎo)線的絕緣子所承受的過電壓更大，故在分析中只針對正極性導(dǎo)線絕緣子電位作仿真分析，仿真圖見圖11和圖12，接地電阻取30 Ω，且圖11中雷電流值-350 kA，圖12中雷電流-362 kA。

圖11 雷擊塔頂端時正極性導(dǎo)線絕緣子未閃絡(luò)圖Fig.11 The unflashover diagram of the positive conductor insulator at the top of the lightning tower

圖12 雷擊塔頂端時正極性導(dǎo)線絕緣子閃絡(luò)圖Fig.12 The flashover diagram of the positive conductor insulator at the top of the lightning tower

圖12中，當(dāng)雷電流為-350 kA時，0.000 3 s以后正極性導(dǎo)線電位畸變到峰值6 MV后恢復(fù)到工作電壓，絕緣子沒有發(fā)生閃絡(luò)。圖12中，雷電流幅值分別為-362 kA，正極性導(dǎo)線上電位發(fā)生畸變到峰值6 MV接著變?yōu)?，絕緣子電位發(fā)生閃絡(luò)，說明雷擊塔頂端時的耐雷水平為-362 kA。

3.3.2 雷擊避雷線擋距中央

仿真過程中，取雷擊點(diǎn)為避雷線擋距中央。同樣取接地電阻初始值為30 Ω。圖13為正極性導(dǎo)線絕緣子未閃絡(luò)時的波形圖；圖14為酒湖線正極性導(dǎo)線絕緣子閃絡(luò)波形圖。

圖13中雷電流幅值設(shè)置為-460 kA，正極性導(dǎo)線上的絕緣子未閃絡(luò)；圖14中雷電流幅值-472 kA，正極性導(dǎo)線絕緣子開始閃絡(luò)。說明雷擊避雷線擋距中央的耐雷水平為-472 kA。

圖13 雷擊避雷線擋距正極性導(dǎo)線絕緣子未閃絡(luò)圖Fig.13 Unflashover diagram of lightning rod insulator with lightning protection line

圖14 雷擊避雷線擋距正極性導(dǎo)線絕緣子閃絡(luò)圖Fig.14 The flashover diagram of lightning rod insulator with lightning protection line

4 酒湖線±800 kV線路繞擊耐雷性能

根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，超特高電壓等級線路閃絡(luò)事故多是繞擊事故[17]。而酒湖線±800 kV電壓等級更高，引雷范圍更廣，因此對酒湖線的繞擊耐雷性能分析尤為重要。

4.1 基于ATP-EMTP下的繞擊機(jī)理

ATP-EMTP仿真過程中，繞擊即雷電直接擊中導(dǎo)線。繞擊過程也分為3個過程[18]：首先雷電擊中極線，雷電流注入導(dǎo)線過程；接著導(dǎo)線上絕緣子電位開始發(fā)生變化；最后當(dāng)電壓達(dá)到絕緣子閃絡(luò)50擊穿電電壓時，導(dǎo)線絕緣子閃絡(luò)。酒湖線輸電線路正負(fù)極導(dǎo)線繞擊仿真圖見圖15和圖16。

在-20 kA雷電流繞擊導(dǎo)線時，對比圖15和圖16可知，圖15是雷擊正極性導(dǎo)線，圖16繞擊負(fù)極性導(dǎo)線，對比可以看出，繞擊時負(fù)極性導(dǎo)線更為嚴(yán)重，所有繞擊情況下考慮繞擊負(fù)極性導(dǎo)線。

圖17和圖18是接地電阻取30 Ω時，雷電流繞擊酒湖線負(fù)極線時絕緣子未閃絡(luò)和閃絡(luò)時的仿真圖。由圖17所示，雷電流為-50 kA，接地電阻30 Ω，負(fù)極性導(dǎo)線上的絕緣子沒有閃絡(luò)，極線電壓短暫升高在沒有達(dá)到閃絡(luò)電壓時恢復(fù)正常，此時極線上電壓是工作電壓和雷電沖擊電壓之和。圖18中，雷電流為-57 kA，接地電阻30 Ω，負(fù)極性導(dǎo)線上絕緣子開始閃絡(luò)，由仿真可知，酒湖線的繞擊耐雷水平為57 kA。

圖15 繞擊正極線ATP-EMTP仿真圖Fig.15 simulation diagram of the positive wire around the strike in ATP-EMTP

圖16 繞擊負(fù)極線ATP-EMTP仿真圖Fig.16 simulation diagram of the Negative wire around the strike in ATP-EMTP

圖17 繞擊時負(fù)極線絕緣子未閃絡(luò)圖Fig.17 Unflashover diagram of the negative wire insulator in the shielding failure

圖18 繞擊時負(fù)極線絕緣子閃絡(luò)圖Fig.18 Flashover diagram of the negative wire insulator in the shielding failure

4.2 地面傾角

在實(shí)際工程中，特高壓輸電線路沿線走廊地形地貌多樣，雷電到達(dá)各個雷擊點(diǎn)的擊距是不相等的[19]，地面傾角直接改變外側(cè)導(dǎo)線暴露弧弧長，圖19中，e1e2傾角為0的大地，c,e0為地面屏蔽面，當(dāng)?shù)孛鎯A角θ0變大時，地面屏蔽面變?yōu)閐e面，暴露弧度θ1變大，相應(yīng)的暴露弧長變長。

圖19 酒湖線地傾角對繞擊耐雷性能分析圖Fig.19 Lightning performance analysis chart for various slope angle of ground

酒湖線±800 kV湖南段沿線走廊從常德石門至湘潭市，湖南段線路總長354 km，沿線多為平原低山丘陵地帶，地面傾角在0°至45°之間。θ0取15°，30°和45°時計算繞擊閃絡(luò)率。計算結(jié)果見表2。

表2 酒湖線不同地傾角對不同排列下導(dǎo)線的繞擊閃絡(luò)率的影響Table 2 Lightning shielding of JiuHu line based on different conductor arrangement for various slope angle of ground

由計算結(jié)果可知，當(dāng)正極性導(dǎo)線在山坡外側(cè)時，沿線走廊地面坡度增大時，相應(yīng)的線路繞擊閃絡(luò)率也隨之增大，而內(nèi)側(cè)的負(fù)極性導(dǎo)線閃絡(luò)率由于山坡的屏蔽作用，其閃絡(luò)率較低；當(dāng)負(fù)極性導(dǎo)線在山坡外側(cè)時，相對于正極性導(dǎo)線在外側(cè)時閃絡(luò)率較小，這是由于負(fù)極性導(dǎo)線引雷能力較弱。由計算可知，相同地面傾角下，負(fù)極性導(dǎo)線在外側(cè)時的閃絡(luò)率為正極性導(dǎo)線在外側(cè)時的50%。因此，特高壓直流輸電線路在經(jīng)過山區(qū)時，使負(fù)極性導(dǎo)線在山坡外側(cè)時能降低總的閃絡(luò)率。

4.3 避雷線保護(hù)角

避雷線保護(hù)角與線路耐雷性能好壞密切相關(guān)，角度大小決定對極線的有效屏蔽范圍[20]。避雷線保護(hù)角θ變大時，θ2減小，θ1增大到θ11，使暴露弧長L2變長，使導(dǎo)線平均高度變高，繞擊閃絡(luò)率增大。酒湖線保護(hù)角對繞擊耐雷性能分析見圖20。地面傾角為0°不同保護(hù)角時酒湖線湖南段的繞擊閃絡(luò)率見表3。

圖20 酒湖線保護(hù)角對繞擊耐雷性能分析圖Fig.20 Lightning performance analysis chart for various shield angle

表3 地面傾角為0°不同保護(hù)角時酒湖線湖南段的繞擊閃絡(luò)率Table 3 Lightning shielding performance of±800 k V JiuHu HVDC line for various shield angle when various slope angle of ground value0°

由表3可知，保護(hù)角越小，其繞擊閃絡(luò)率越小，從-5°到0°時，繞擊閃絡(luò)率增加了1.7倍。避雷線保護(hù)角越大，則保護(hù)弧越短，同時增大了暴露弧區(qū)域，因此繞擊閃絡(luò)率越大。

5 結(jié)論

通過應(yīng)用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真和電氣幾何法對酒湖線±800 kV湖南段耐雷性能的分析，得出如下結(jié)論：

1）降低接地電阻值可有效控制線路反擊閃絡(luò)率。

2）桿塔高度越高，反擊閃絡(luò)率越高，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和耐雷性能，選擇合適高度桿塔能有效降低反擊閃絡(luò)率。

3）正極性導(dǎo)線承受過電壓較負(fù)極性導(dǎo)線更大，理論上酒湖線±800 kV線路雷擊桿塔時的耐雷水平為362 kA；雷擊避雷線擋距中央時的耐雷水平為472 kA。繞擊時耐雷水平為57 kA.

4）地面傾角通過直接改變外側(cè)導(dǎo)線的暴露弧弧長，使繞擊閃絡(luò)率發(fā)生變化。地面傾角越大，繞擊閃絡(luò)率越高，當(dāng)負(fù)極性導(dǎo)線在山坡外側(cè)時，總閃絡(luò)率要小于正極性導(dǎo)線在外側(cè)時的總閃絡(luò)率。

5）避雷線保護(hù)角通過影響導(dǎo)線的保護(hù)弧弧長來決定線路耐雷性能。保護(hù)角設(shè)置的越小，其繞擊率越小，從-5°到0°時，繞擊閃絡(luò)率增加了1.7倍。

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