±800 kV錫泰線黃河大跨越區(qū)段耐雷性能分析

李永明，逯文佳，高彬桓，杜 遠(yuǎn)

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250018；2.華北電力大學(xué)（北京）電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

±800 kV錫泰線黃河大跨越處于微氣象、微地形區(qū)段，受惡劣天氣條件影響較大，具有一定的特殊性和代表性?？缭蕉蔚臈U塔高度高、檔距長(zhǎng)，落雷概率大且雷擊事故不易修復(fù)，因此發(fā)生雷擊故障的概率高于一般區(qū)段［1-3］。除此之外，從防雷保護(hù)的角度來(lái)看，一是黃河大跨越段受微氣象條件的影響，比一般段桿塔更易落雷，二是雷直擊跨越桿塔時(shí)由于桿塔波阻抗大且桿塔較高增加了絕緣閃絡(luò)概率，三是發(fā)生雷電繞擊導(dǎo)線的可能性增加，因此，黃河大跨越區(qū)段比一般段更容易發(fā)生雷擊故障［4-6］。綜上所述，準(zhǔn)確地模擬出雷擊桿塔或?qū)Ь€的電磁暫態(tài)過(guò)程，分析、研究現(xiàn)階段的桿塔耐雷水平，并根據(jù)結(jié)果對(duì)線路防雷能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出防雷建議，對(duì)于提高±800 kV錫泰線整體健康水平，避免因雷擊故障導(dǎo)致的大面積停電事故具有極為重要的意義［7-9］。

針對(duì)±800 kV錫泰線黃河大跨越區(qū)段，基于電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP 研究計(jì)算了不同接地電阻、不同呼高、不同的避雷器加裝方案等情況下跨越段的耐雷性能；并結(jié)合超、特高壓交直流輸電線路的實(shí)際運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，提出了進(jìn)一步改善其耐雷水平的可行性措施。

1 ±800 kV錫泰線黃河大跨越區(qū)段線路概況

±800 kV錫泰線起于內(nèi)蒙古錫盟換流站，止于江蘇泰州換流站，是山東地區(qū)首條包含黃河大跨越特殊區(qū)段的特高壓直流過(guò)境輸電線路工程。黃河大跨越區(qū)段長(zhǎng)3.734 km，新建鐵塔5 基，采用耐—直—直—直—耐跨越方式跨越黃河?？缭蕉蔚钠綌嗝嫒鐖D1所示，塔型如圖2所示。

圖1 ±800 kV錫泰線大跨越平斷面

2 基于EMTP的雷擊暫態(tài)過(guò)程仿真分析

2.1 雷電流模型

由于自然界中負(fù)極性雷的出現(xiàn)概率遠(yuǎn)大于正極性雷，因此分析中以負(fù)極性雷為例。雷電流波形采用GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的2.6/50 μs。ATPEMTP 中選用Heidler type 19 型原件與雷電通道波阻抗Z并聯(lián)的方式，雷電流I＜100 kA 時(shí)，Z取800 Ω；I≥100 kA時(shí)，Z取300 Ω［10］。

2.2 改進(jìn)的桿塔多波阻抗模型

大跨越區(qū)段直線塔結(jié)構(gòu)及幾何尺寸如圖2 所示，可見(jiàn)，跨越塔的橫擔(dān)以下部分非常長(zhǎng)，是跨越塔的主體，為了減小計(jì)算誤差，計(jì)算模型采用改進(jìn)的多波阻抗模型［11-12］，將橫擔(dān)下的塔身分成7 段，模型如圖3所示。分別計(jì)算各段波阻抗并用無(wú)損線路模型來(lái)模擬。第k段主架部分波阻抗ZTk和第k段支架部分波阻抗ZLk的計(jì)算公式為：

圖2 大跨越處直線塔塔型結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)的多波阻抗桿塔模型

式中：rek為桿塔第k段的等效半徑；hk為第k段離地面的高度。

橫擔(dān)部分波阻抗被分為3 段，第m段波阻抗ZAm計(jì)算公式為

式中：hm為第m段橫擔(dān)的對(duì)地高度；rAm指第m段橫擔(dān)的等效半徑，取單個(gè)塔臂長(zhǎng)度的1/4。

模型參數(shù)取值如表1所示。

2.3 線路模型

考慮到雷電流波形中包含大量高次諧波，仿真中線路模型采用頻率相關(guān)模型中JMARTI線路模型。詳細(xì)線路參數(shù)［13-15］如表2所示。

2.4 接地電阻模型

接地電阻在ATP-EMTP 中可通過(guò)TACARes 模塊來(lái)仿真計(jì)算。

接地電極中流過(guò)大電流時(shí)，其接地電阻值小于流過(guò)通常電流時(shí)的值。為了計(jì)算更加精確，計(jì)算模型采用CIGRE推薦的公式，即

式中：R0為工頻電阻；I為流過(guò)塔腳電阻的雷電流；Ig為對(duì)應(yīng)土壤電離梯度E0的臨界電流，可用式（5）計(jì)算。

式中：ρ為土壤電阻率，仿真中取100 Ω·m；E0為土壤電離電場(chǎng)強(qiáng)度，取400 kV/m［16］。

2.5 絕緣子閃絡(luò)模型

采用更切合實(shí)際情況的相交法作為絕緣子閃絡(luò)判據(jù)，即絕緣子串上過(guò)電壓曲線與其秒伏特性曲線相交時(shí)為閃絡(luò)。用ATP-EMTP 中的Flash Model 作為絕緣子串閃絡(luò)模型，通過(guò)對(duì)Model模塊的編程進(jìn)行模擬，±800 kV 輸電線路絕緣子串的秒伏特性表達(dá)式為［17］

式中：Us-t為絕緣子閃絡(luò)電壓；t為過(guò)電壓作用時(shí)間；L為絕緣子串長(zhǎng)度，根據(jù)±800 kV 錫泰線黃河大跨越段絕緣子安裝情況，直線塔L取19.92 m，耐張塔L取8.145 m。

2.6 避雷器模型

避雷器模型參數(shù)采用文獻(xiàn)［18-19］中的計(jì)算值，避雷器串聯(lián)間隙設(shè)定為1.8 m，直流參考電壓960 kV，工頻參考電壓679 kV，標(biāo)稱放電電流下殘壓1 900 kV。ATP-EMTP中用非線性電阻元件來(lái)模擬。

3 仿真結(jié)果分析

由于仿真中雷電流為負(fù)極性，發(fā)生反擊時(shí)正極線絕緣子串兩端所受過(guò)電壓值更高，因此以正極線的反擊耐雷水平作為±800 kV 輸電線路的反擊耐雷水平。而發(fā)生繞擊時(shí)，由于正極線對(duì)負(fù)極性雷的吸引作用導(dǎo)致正極線遭受雷擊的概率遠(yuǎn)大于負(fù)極線，因此，在研究避雷器加裝方案時(shí)，只計(jì)算加裝在正極線的情況。

3.1 反擊耐雷性能仿真分析

桿塔的接地電阻會(huì)影響塔頂及橫擔(dān)處的電位從而影響桿塔的耐雷水平。將接地電阻變化范圍設(shè)為1～30 Ω，分別得出耐張塔1（呼高68 m）、直線塔2（呼高142 m）、直線塔3（呼高90 m）、耐張塔2（呼高48 m）的反擊耐雷水平，如圖4所示。

圖4 不同接地電阻下的反擊耐雷水平

由圖4 可知，降低接地電阻可以有效提高反擊耐雷水平，接地電阻值在1 Ω 時(shí)，仿真的跨越段桿塔耐雷水平均達(dá)到300 kA 以上。此外，由于耐張塔1和耐張塔2、直線塔2 和直線塔3 的絕緣子配置情況相同，可以看出桿塔呼高對(duì)反擊耐雷水平影響也很明顯。

為了研究安裝線路避雷器對(duì)反擊耐雷性能的影響，對(duì)不同避雷器加裝方案下的反擊耐雷水平進(jìn)行仿真。方案Ⅰ是在直線塔2 處加裝一組避雷器，方案Ⅱ是在直線塔1 和直線塔3 處分別加裝一組避雷器，方案Ⅲ是在直線塔1、直線塔2、直線塔3 處各加裝一組避雷器。加裝前后反擊耐雷水平如表3 所示。對(duì)比3 組方案可以看出加裝避雷器后本基桿塔反擊性能提升明顯，但其通流能力有限，因而相鄰桿塔耐雷水平提升有限。其中方案Ⅲ對(duì)于提高耐雷水平最為明顯，基本能夠?qū)崿F(xiàn)跨越段的反擊雷保護(hù)。

表3 加裝避雷器前后桿塔反擊耐雷水平比較 單位：kV

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，300 kA 以上的雷電流發(fā)生概率較低，加之目前有條件的桿塔接地電阻值基本控制在1 Ω 左右，錫泰線黃河大跨越區(qū)段桿塔接地電阻實(shí)測(cè)值如表4 所示。因此在線路運(yùn)行工況良好的情況下，跨越段的反擊耐雷水平較高，發(fā)生反擊事故的概率極低。

表4 錫泰線黃河大跨越區(qū)段桿塔接地電阻值頭 單位：Ω

3.2 繞擊耐雷水平分析

雷電流避開(kāi)地線直接擊中導(dǎo)線的情況稱為繞擊，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，繞擊閃絡(luò)對(duì)±800 kV直流輸電線路影響更大，而多發(fā)的負(fù)極性雷使正極線路遭受雷擊的概率更大。因此仿真時(shí)，以雷電流直擊正極線而不會(huì)引起絕緣子閃絡(luò)的最大雷電流值為繞擊耐雷水平。

根據(jù)改進(jìn)的電氣幾何模型（Electrical Geometric Model，EGM），如圖5 所示，擊距計(jì)算時(shí)計(jì)及導(dǎo)線工作電壓及導(dǎo)線平均高度的影響，地面傾斜角為0°，計(jì)算采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)所推薦的擊距公式［20］。

圖5 40 kA雷電流的繞擊EGM模型

雷電對(duì)避雷線的擊距rs為

雷電對(duì)大地的擊距rg為

雷電對(duì)導(dǎo)線的擊距rc為

式中：I為雷電流；yc為導(dǎo)線平均高度；UDC為導(dǎo)線工作電壓。

由于擊距與雷電流幅值相關(guān)，因此當(dāng)雷電擊中地線屏蔽弧時(shí)，雷擊避雷線，導(dǎo)線得到保護(hù)，而當(dāng)雷電擊中暴露弧時(shí)，雷擊導(dǎo)線，即此時(shí)發(fā)生繞擊。隨著雷電流幅值的增大，暴露弧隨之減小，當(dāng)雷電流幅值增大到暴露弧剛好為零時(shí)，此時(shí)的雷電流稱之為最大繞擊電流Imax。

計(jì)算得出，跨越段的兩基耐張塔繞擊耐雷水平高于最大繞擊電流，理論上不會(huì)出現(xiàn)繞擊事故。按照反擊耐雷水平時(shí)避雷器的加裝方案進(jìn)行繞擊仿真，仿真結(jié)果如表5 所示?？梢?jiàn)加裝線路避雷器的桿塔的最大繞擊電流值均大于150 kA，而按照方案Ⅲ的布置，跨越段的繞擊耐雷水平已遠(yuǎn)大于電氣幾何模型計(jì)算得到的最大繞擊電流值，已經(jīng)能夠滿足運(yùn)行要求。

表5 加裝避雷器前后桿塔繞擊耐雷水平比較 單位：kV

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析±800 kV 錫泰線黃河大跨越段的耐雷水平，得出以下結(jié)論，可為山東境內(nèi)特高壓直流輸電線路運(yùn)行維護(hù)工作提供參考。

1）接地電阻1 Ω左右時(shí)，跨越段整體的反擊耐雷水平較高，發(fā)生反擊故障的概率很低。降低桿塔接地電阻對(duì)于提高跨越區(qū)段的反擊耐雷水平意義明顯。因此，運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)關(guān)注桿塔接地電阻值的變化。

2）大跨越區(qū)段的現(xiàn)有的防雷措施基本滿足雷電過(guò)電壓的要求，考慮到雷擊事故發(fā)生的隨機(jī)性，進(jìn)一步提升跨越段耐雷水平十分必要。

3）仿真結(jié)果表明，加裝跨越區(qū)段的3 個(gè)跨越塔均加裝避雷器時(shí)，反擊與繞擊耐雷水平均有顯著提高，為了獲得足夠的雷擊保護(hù)，跨越段的3 基直線塔的正極線可加裝線路避雷器。