基于ATP的輸電線路耐雷水平仿真研究

王飛龍

摘 ? 要：輸電線路避雷線保護(hù)角，桿塔所在位置地面傾角，桿塔本身的塔型及呼稱高，桿塔周圍土壤特性，輸電線路走廊雷電活動規(guī)律及雷電參數(shù)均對線路雷擊跳閘率有一定的影響。以在運(yùn)220kV線路為例，運(yùn)用電磁暫態(tài)專用分析工具ATP，逐一分析上述因素對輸電線路雷擊跳閘率的影響，仿真結(jié)果表明相同條件下酒杯塔的防雷性能要優(yōu)于貓頭塔，桿塔呼稱高、桿塔接地阻抗、避雷線保護(hù)角、桿塔所在位置地面傾角與線路雷擊跳閘率均為正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：雷擊跳閘率 ?ATP ?輸電線路 ?耐雷水平 ?仿真

中圖分類號：TM863 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0030-04

對山區(qū)輸電線路而言，雷電對其安全穩(wěn)定運(yùn)行威脅最大，近幾年該領(lǐng)域的研究相對較多，傳統(tǒng)的防雷分析對雷電活動特征、地形地貌特征以及桿塔結(jié)構(gòu)等因素考慮不全，分析結(jié)果不能準(zhǔn)確反映輸電線路遭受雷擊的概率[1]。本文以在運(yùn)220kV線路為例，運(yùn)用ATP逐一仿真分析了輸電線路避雷線保護(hù)角，桿塔所在位置地面傾角，桿塔本身的塔型及呼稱高，桿塔周圍土壤特性，輸電線路走廊雷電活動規(guī)律及雷電參數(shù)對線路雷擊跳閘率的影響，為降低該輸電線路雷擊跳閘率提供了依據(jù)。

1 ?背景資料

研究的200kV輸電線路在2017年發(fā)生了一起雷擊邊相跳閘事故，事故后相關(guān)工作人員對該線路段具有代表性的15#、22#、23#、31#和34#塔進(jìn)行了實地考察，桿塔所處的地貌地質(zhì)及接地電阻情況如表1所示。

區(qū)域雷電分布特征也是影響輸電線路耐雷水平的一個重要因素，該區(qū)域雷電情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示為負(fù)極性雷閃活動區(qū)域，雷電流幅值大多在36～48kA之間。

2 ?模型建立

采用ATP建立模型，仿真分析了本文所研究的輸電線路的耐雷水平?？紤]到高頻雷電波會沿著輸電線路傳播，因此模型中涉及的導(dǎo)線、避雷線以及桿塔均采用分布參數(shù)模型[2]，而且考慮了導(dǎo)線、避雷線修補(bǔ)情況對雷電波傳輸特性的影響，根據(jù)該220kV線路運(yùn)維記錄，導(dǎo)線上有6處大面積修補(bǔ)記錄，避雷線上有4處修補(bǔ)記錄，而且A相導(dǎo)線在28號桿塔處有搭接情況，上述情況均如實反映在仿真模型中。

建立的EGM電氣幾何模型是分析輸電線路雷擊事故的重要計算模型，其最大優(yōu)勢是在分析的過程中充分考慮了輸電線路結(jié)構(gòu)尺寸、雷電特征、空間干擾等[3]。

2.1 雷電流模型

仿真過程中在ATP-EMTP軟件中采用浪涌源模擬雷電流，雷電流波形為2.6/50 ，幅值為40kA。

2.2 線路模型

220kV架空輸電線路采用JMarti模型，該模型中可設(shè)置參數(shù)更符合實際，可以根據(jù)實際情況模擬輸電線路的集膚效應(yīng)，可以設(shè)置分裂導(dǎo)線參數(shù)，模擬間隔棒位移、脫落等情況下分裂導(dǎo)線的地抵抗雷電的能力，可以設(shè)置土壤電阻率，模擬不同接地阻抗情況下避雷線風(fēng)偏、跳躍等情況下雷擊情況[4]。

2.3 桿塔結(jié)構(gòu)模型

為了準(zhǔn)確模擬雷電活動中桿塔的特性，仿真中桿塔參數(shù)采用各部位真實參數(shù)，桿塔波阻抗選擇規(guī)程推薦值150Ω，電感為0.5μH/m，相應(yīng)的波速為300m/μs。

2.4 絕緣子模型

絕緣子串的閃絡(luò)電壓與其伏秒特性及絕緣子串上的雷電過電壓分布情況密切相關(guān)，而其伏秒特性又受到空間自然條件的影響，當(dāng)絕緣子串的過電壓幅值達(dá)到閃絡(luò)電壓值而且滿足伏秒特性曲線時即發(fā)生閃絡(luò)，專業(yè)領(lǐng)域稱該方法為相交法，仿真模型中一般選擇TACS元件模擬絕緣子閃絡(luò)。

2.5 變壓器等電氣設(shè)備模型

雷電波可分解為頻率豐富的高頻分量，而且持續(xù)時間極短，因此變電站內(nèi)的互感器、避雷器、開關(guān)類設(shè)備以及變壓器對高頻雷電波均呈現(xiàn)低阻，因此仿真中變電站內(nèi)的設(shè)備均可等值為電容元件[5]。

3 ?線路耐雷水平分析

以在運(yùn)220kV線路為例，運(yùn)用ATP逐一仿真分析了輸電線路避雷線保護(hù)角，桿塔所在位置地面傾角，桿塔本身的塔型及呼稱高，桿塔周圍土壤特性，輸電線路走廊雷電活動規(guī)律及雷電參數(shù)對線路雷擊跳閘率的影響。

3.1 保護(hù)角對耐雷水平的影響

仿真模型中塔型情況均以實際桿塔情況模擬，桿塔的參數(shù)也是實際桿塔的真實值，仿真模型中13基桿塔為干字型轉(zhuǎn)角塔，有8基桿塔為貓頭塔，20基桿塔為酒杯塔。目前該地區(qū)在運(yùn)220kV輸電線路避雷線的保護(hù)角一般為-5°～20°，仿真模型中設(shè)置保護(hù)角增大步長為5°，酒杯塔、貓頭塔、干字塔在相同雷電活動情況下發(fā)生繞擊和繞擊跳閘情況如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，繞擊率隨著保護(hù)角的變化基本穩(wěn)定，即改變保護(hù)角對降低繞擊率而言沒有直接意義。當(dāng)保護(hù)角為負(fù)角度時，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，繞擊跳閘率水平相對較低，而且沒有增長趨勢，當(dāng)保護(hù)角為正角度時，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，繞擊跳閘率會線性增大，其增大趨勢以酒杯塔最為明顯。可見，避雷線保護(hù)角的設(shè)計值會在一定程度上影響線路的繞擊跳閘率，尤其是酒杯塔支撐的線路，盡可能減小保護(hù)角以獲得雷電繞擊保護(hù)效果。

3.2 地面傾角對耐雷水平的影響

根據(jù)現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)可知，該線路所有桿塔所處位置地面傾角最小約為2.2°，最大傾角約為37.4°，因此仿真研究將地面傾角的范圍設(shè)置為0°～40°，仿真模型中設(shè)置地面傾角步長為5°，酒杯塔、貓頭塔、干字塔在相同雷電活動情況下發(fā)生繞擊和繞擊跳閘情況如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，繞擊率隨著地面傾角的變化基本穩(wěn)定，即改變地面傾角對降低繞擊率而言沒有直接意義。當(dāng)?shù)孛鎯A角在15°以下時，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，繞擊跳閘率水平相對較低，而且沒有增長趨勢，當(dāng)?shù)孛鎯A角大于15°時，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，繞擊跳閘率會指數(shù)型增大，其增大趨勢以貓頭塔最為明顯?？梢?，地面傾角會在一定程度上影響線路的繞擊跳閘率，尤其是貓頭塔支撐的線路，盡可能減小地面傾角以增大線路對地電容，有效發(fā)揮地面的屏蔽作用。

3.3 桿塔呼稱高對耐雷水平的影響

桿塔的結(jié)構(gòu)直接影響其對雷電波的感抗，從而影響到其本身的反擊跳閘率。桿塔的呼稱高是其最重要的參數(shù)之一，因此呼稱高是研究不同類型的桿塔雷擊反擊跳閘率的重點。研究的輸電線路桿塔呼稱高最小值為17.4m，最大值為42.6m，因此仿真研究將桿塔呼稱高的范圍設(shè)置為15～45m，仿真模型中設(shè)置桿塔呼稱高步長為5m，酒杯塔、貓頭塔、干字塔在相同雷電活動情況下發(fā)生雷電反擊跳閘情況如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，雷電反擊跳閘率隨著桿塔呼稱高的增大會指數(shù)型增大，其增大趨勢以干字塔最為明顯?？梢?，桿塔呼稱高對桿塔反擊跳閘率影響明顯，尤其是干字塔的位置一定要優(yōu)化好，確保干字塔的呼稱高合理，以免造成反擊跳閘率薄弱環(huán)節(jié)。

3.4 接地阻抗對耐雷水平的影響

桿塔的接地阻抗會直接影響雷電流順著桿塔流入大地時桿塔各部位的電位情況，接地阻抗越大，桿塔接地裝置的電位被抬高的越明顯，從而影響到其桿塔本身的反擊跳閘率。研究的輸電線路桿塔接地阻抗最小值為6.7Ω，改造后桿塔接地阻抗最大值為18.44Ω，因此仿真研究將桿塔接地阻抗的范圍設(shè)置為5～20Ω，仿真模型中設(shè)置桿塔接地阻抗步長為5Ω，酒杯塔、貓頭塔、干字塔在相同雷電活動情況下發(fā)生雷電反擊跳閘情況如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，雷電反擊跳閘率隨著桿塔接地阻抗的增大會增大，其增大趨勢以干字塔最為明顯。可見，桿塔接地阻抗對桿塔反擊跳閘率影響明顯，尤其是干字塔的位置一定要優(yōu)化好，確保干字塔的接地阻抗值盡可能小，必要時采取更換基坑填充土質(zhì)，擴(kuò)展接地極，使用接地模塊等措施，以免造成反擊跳閘率薄弱環(huán)節(jié)。

3.5 落雷密度對耐雷水平的影響

區(qū)域落雷密度對線路的繞擊跳閘率和反擊跳閘率構(gòu)成直接影響，研究的線路雷擊繞擊跳閘率和反擊跳閘率需要的落雷密度參數(shù)來源于該區(qū)域氣象預(yù)警系統(tǒng)統(tǒng)計值。落雷密度參考值范圍為1～5，以0.5為步長，酒杯塔、貓頭塔、干字塔繞擊跳閘率和反擊跳閘率情況如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，對酒杯塔、貓頭塔、干字塔而言，繞擊跳閘率和反擊跳閘率均會隨著落雷密度的增大線性增加，相同情況下酒杯塔繞擊跳閘率和反擊跳閘率在三者中最小?？梢?，在雷電活動頻繁的地區(qū)，酒杯塔在減小繞擊跳閘率和反擊跳閘率方面性能最佳。

4 ?結(jié)語

輸電線路的耐雷水平受到避雷線保護(hù)角，桿塔所在位置地面傾角，桿塔本身的塔型及呼稱高，桿塔周圍土壤特性，輸電線路走廊雷電活動規(guī)律及雷電參數(shù)的影響。對于在運(yùn)輸電線路而言，減小桿塔接地阻抗是最簡單、最經(jīng)濟(jì)的提高耐雷水平的方法，必要的情況下可以通過增加外絕緣的強(qiáng)度提高耐雷水平。對于新建的輸電線路而言，可以通過優(yōu)化輸電線路走廊，優(yōu)化干字塔的位置，適當(dāng)降低呼稱高，降低桿塔接地阻抗等方法提高輸電線路的耐雷水平。

參考文獻(xiàn)

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