輸電線路桿塔接地電阻對(duì)線路反擊跳閘率影響研究

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.云南宇恬防雷材料有限公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

近年來(lái)，超、特高壓輸電線路的規(guī)模迅速擴(kuò)展，由于不同地理?xiàng)l件和輸電走廊寬度的限制，線路桿塔的形式也多種多樣[1-3]。輸電線路規(guī)模的擴(kuò)大，在雷害高發(fā)區(qū)域，線路遭受雷擊事故的概率將隨之增加，雷擊不僅會(huì)引起線路跳閘導(dǎo)致供電中斷，同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。因此針對(duì)不同塔型線路的耐雷性能分析就顯得格外重要[4-8]。

由于超、特高壓輸電線路的里程比較長(zhǎng)，其桿塔跨越的地理環(huán)境差異很大，故在一條線路中，桿塔的接地電阻存在很大差別[9-10]。根據(jù)DL/T 620-1997[11]標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容可以看出，繞擊跳閘率主要與桿塔高度以及地線保護(hù)角等有關(guān)，并沒(méi)有具體分析接地電阻對(duì)反擊跳閘率的影響。然而桿塔接地電阻是最直接影響桿塔反擊耐雷水平和反擊跳閘率的因素。在同一走廊的輸電線路桿塔包含不同類(lèi)型的塔頭，從而不同類(lèi)型塔頭可能處于不同大氣環(huán)境和土壤環(huán)境中，桿塔接地電阻存在很大差異。因此有必要對(duì)不同塔頭類(lèi)型的桿塔在不同接地電阻值下的耐雷水平和反擊跳閘率進(jìn)行研究。其實(shí)，針對(duì)線路反擊有多種分析方法，但每種方法都有其對(duì)應(yīng)的適用條件，因此對(duì)線路耐雷水平進(jìn)行研究時(shí)需要考慮具體的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境，建立合適的反擊模型[11-15]。

下面建立了貓頭塔、酒杯塔以及鼓形塔的仿真模型，并分析了3種模型條件下接地電阻對(duì)線路耐雷性能的影響，重點(diǎn)研究了3種塔頭模型的跳閘率，定量分析了塔型對(duì)反擊跳閘率的影響程度。

1 輸電線路反擊耐雷模型

1)雷電流模型

雷電流模型采用的Heidler模型，波形取2.6/50 μs，模擬表達(dá)式為

(1)

式中：I0為雷電流幅值；n為電流陡度因子；tf為波前時(shí)間；th為波長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)公式(1)擬合的雷電流曲線如圖1所示。

圖1 雷電流波形

2)桿塔模型

采用單波阻抗模型，波阻抗默認(rèn)值取為規(guī)程推薦的150 Ω，桿塔波速計(jì)算公式一般取：

(2)

式中：c為光速，取3×108m/s；H為桿塔高度，m；L為最長(zhǎng)橫擔(dān)長(zhǎng)度，m。

3)絕緣子串的閃絡(luò)模型

交流輸電線路采用JMarti架空線模型，并采用絕緣子串壓降分布與伏秒特性曲線的對(duì)比來(lái)分析閃絡(luò)發(fā)生情況，如圖2所示。

圖2 閃絡(luò)判斷方法

4)感應(yīng)電壓

采用場(chǎng)抵消法的簡(jiǎn)化算法，感應(yīng)電壓波形為

(3)

式(3)中的感應(yīng)電壓最大值計(jì)算公式為

(4)

式中：hc為導(dǎo)線對(duì)地平均高度；k為修正系數(shù)，k=k0k1，k0為避雷線對(duì)導(dǎo)線的幾何耦合系數(shù)，k1為電暈修正系數(shù)。

5)反擊跳閘率的計(jì)算

線路的反擊跳閘率可表示為

N1=NηgPI1

(5)

式中：η為建弧率；g為擊桿率；PI1為雷電流超過(guò)I1的概率；N為每年每100 km線路雷擊的總次數(shù)。

2 貓頭塔反擊跳閘率分析

2.1 線路參數(shù)

搭建500 kV用貓頭塔，模型結(jié)構(gòu)如下所示：

桿塔：塔型DFZ1，呼高32.5 m。

絕緣子串：類(lèi)型XP-160。

導(dǎo)線：型號(hào)LGJQ-300，直流電阻0.108 Ω/km，4分裂，導(dǎo)線半徑2.37 cm。

地線：型號(hào)LBGJ-120-40AC，地線半徑1.425 cm，直流電阻0.360 6 Ω/km

大地：土壤電阻率1000 Ω·m。

2.2 仿真模型

ATP仿真模型如圖3和圖4所示。

圖3 500 kV貓頭塔與酒杯塔仿真模型

圖4 500 kV貓頭塔與酒杯塔線路電路仿真模型

2.3 貓頭塔反擊耐雷性能分析

圖5 貓頭塔反擊耐雷性能分析

對(duì)典型貓頭桿塔進(jìn)行仿真計(jì)算，接地電阻從5 Ω到50 Ω范圍內(nèi)，每次增加5 Ω，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。當(dāng)電阻由5 Ω增加到15 Ω，反擊耐雷電流由146 kA降至138 kA；當(dāng)由35 Ω遞增到45 Ω時(shí)，耐雷水平由123 kA下降至108 kA，降值由5.5%升至12.2%；當(dāng)電阻在更大范圍內(nèi)增加，反擊耐雷水平下降得更快。

此外，當(dāng)電阻值由5 Ω上升到15 Ω，反擊跳閘率從0.243 5上升到0.300 2，上升了23.3%；電阻值由35 Ω上升到45 Ω，線路反擊跳閘率從0.444 5上升到0.658 2，上升48.1%；當(dāng)電阻在更大范圍內(nèi)遞增時(shí)，反擊跳閘率增加的陡度會(huì)更大。

3 酒杯塔反擊跳閘率分析

3.1 線路參數(shù)

搭建500 kV酒杯塔模型，模型參數(shù)如下所示。

桿塔：塔型ZB1，呼高36 m

絕緣子：型號(hào)XP-160

導(dǎo)線：型號(hào)LGJ-300/25，直流電阻0.0943 3 Ω/km，4分裂，導(dǎo)線半徑2.376 cm

地線：型號(hào)GJ-70，地線半徑1.425 cm，直流電阻0.360 1 Ω/km

大地：土壤電阻率1000 Ω·m

3.2 仿真模型

500 kV酒杯塔仿真模型及交流線路放著模型與貓頭塔類(lèi)似，主要差異在于各模塊之間的幾何尺寸，從而表現(xiàn)出阻抗的差異。

3.3 酒杯塔反擊耐雷性能分析

圖6 酒杯塔反擊耐雷性能分析

對(duì)典型酒杯塔進(jìn)行仿真計(jì)算，接地電阻取從5 Ω到50 Ω范圍內(nèi)，每次增加5 Ω，分析結(jié)果如圖6所示。反擊耐雷水平由5 Ω時(shí)的200 kA降至15 Ω時(shí)的185 kA，減小約7.5%；當(dāng)電阻值由35 Ω變化至45 Ω時(shí)，反擊耐雷水平由146 kA將至121 kA，減小了17.1%。從仿真結(jié)果分析，接地電阻值變化相同時(shí)，酒杯塔的耐雷水平比貓頭塔耐雷水平下降更明顯。

對(duì)于典型的酒杯塔，當(dāng)電阻值由5 Ω上升到15 Ω，反擊跳閘率從0.049 5上升到0.073 2，上升了47.8%；接地電阻值由35 Ω上升到45 Ω時(shí)，跳閘率從0.203 2上升到0.390 8，上升了92.3%；當(dāng)桿塔接地電阻在更大范圍內(nèi)遞增，反擊跳閘率增加陡度會(huì)更大，這也意味著跳閘率增加的會(huì)更快。

4 同塔雙回鼓型塔反擊跳閘率分析

4.1 線路參數(shù)

搭建500 kV鼓型塔模型，參數(shù)如下所示。

桿塔：型號(hào)S1，呼高33 m

絕緣子：型號(hào)XP-300

導(dǎo)線：型號(hào)LGJ-630/55，直流電阻0.013 Ω/km，4分裂，導(dǎo)線半徑3.432 cm

地線：型號(hào)LHAGJ-150/25，地線半徑1.71 cm，直流電阻0.229 19 Ω/km

大地：土壤電阻率1000 Ω·m

4.2 仿真模型

500 kV雙回鼓型塔ATP仿真模型見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 500 kV同塔雙回鼓型塔仿真模型

圖8 500 kV同塔雙回鼓型塔線路仿真模型

4.3 鼓型塔反擊耐雷性能分析

圖9給出了同塔雙回鼓型桿塔模型條件下，單回及雙回閃絡(luò)情況下的耐雷性能分析。

圖9 鼓型塔耐雷水平分析

當(dāng)電阻值由5 Ω遞增至15 Ω時(shí)，單回閃絡(luò)耐雷水平下降了約5.6%，雙回閃絡(luò)下降約16.3%。當(dāng)電阻由35 Ω增加至45 Ω時(shí)，線路的單回閃絡(luò)情況耐雷水平由159 kA降至131 kA，降低了17.6%；雙回閃絡(luò)情況由167 kA下降到155 kA，降低了7.2%。

從圖10鼓型塔反擊跳閘率分析可以看出，當(dāng)接地電阻值由5 Ω上升到15 Ω，單回線路閃絡(luò)反擊跳閘率從0.079 4上升到0.105 9，上升了33.4%；雙回線路閃絡(luò)反擊跳閘率從0.030 2上升到0.081 5，上升了169.9%。電阻值由35 Ω上升到45 Ω，鼓型單回線路閃絡(luò)反擊跳閘率從0.209 2上升到0.435 2，上升了108%；雙回反擊跳閘率從0.169 7上升到0.232 2，上升了36.8%。

圖10 鼓型塔反擊跳閘率分析

5 不同塔頭模型的反擊跳閘率對(duì)比分析

對(duì)比分析了貓頭塔、酒杯塔、鼓型單回以及鼓型雙回閃絡(luò)模型下接地電阻變化對(duì)反擊跳閘率的影響，如表1所示。

表1 不同塔型對(duì)線路反擊的影響

不同塔型反擊跳閘率對(duì)比如圖11所示，酒杯塔反擊跳閘率的規(guī)律與鼓型雙回閃絡(luò)情況類(lèi)似。鼓型單回閃絡(luò)情況的反擊跳閘率最大，其次是鼓型雙回閃絡(luò)和酒杯塔，影響最小的是貓頭塔。

圖11 不同塔型反擊跳閘率的對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

前面根據(jù)具體的運(yùn)行參數(shù)，建立了500 kV貓頭塔、酒杯塔、同塔雙回鼓型塔3種桿塔的ATP電氣仿真模型和相應(yīng)線路的仿真模型，并進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)理論計(jì)算研究了3種塔頭模型下接地電阻對(duì)耐雷性能的影響，并得出其規(guī)律：接地電阻與反擊耐雷水平負(fù)相關(guān)，與跳閘率正相關(guān)，當(dāng)電阻在更大范圍內(nèi)遞增時(shí)，反擊耐雷水平下降的陡度以及跳閘率增加的陡度會(huì)更大；酒杯塔的耐雷水平受接地電阻的作用比貓頭塔更敏感。

2)對(duì)比分析多種塔型耐雷性能的影響，酒杯塔反擊跳閘率的規(guī)律與鼓型雙回閃絡(luò)情況類(lèi)似。鼓型單回閃絡(luò)情況的反擊跳閘率最大，其次是鼓型雙回閃絡(luò)和酒杯塔，影響最小的是貓頭塔。