云廣±800 kV直流輸電線路雷電過電壓的研究

梁愛武,朱文衛,顧承昱

(1.廣東電網公司系統研究中心,廣州 510600;2.廣東省電力設計研究院,廣州 510663; 3.華東電力試驗研究院有限公司,上海 200437)

1 引言

云廣直流輸電工程西起云南東至廣東,采用±800 kV直流輸電方式,按雙極設計。線路跨越云南、廣西、廣東三省,途徑地區山脈起伏、地形復雜、雷電活動頻繁,線路防雷面臨嚴峻的考驗。

根據國內外輸電線路雷擊跳閘的統計資料介紹,在總的跳閘率或閃絡率中所占的比例隨著標稱電壓的提高而增加。前蘇聯特高壓線路的運行經驗表明,雷擊跳閘是線路跳閘的主要原因。因此,對于±800 kV的特高壓直流輸電線路,由雷擊引起的事故不容忽視。

特高壓線路的雷電性能有兩個特點:(1)特高壓線路的絕緣水平較高,雷擊避雷線或塔頂引發的反擊閃絡的可能性較低;(2)特高壓線路桿塔較高,容易發生繞擊。

國內已開展了在特高壓防雷方面的計算研究,不少專家學者針對特高壓直流也做了大量的工作[1-5]。本文結合云廣線路的實際工程情況,基于“ATP-EM TP”數值模擬軟件,采用多波阻抗模型(優化了地線支架模型)和雷電先導模型,對±800 kV的特高壓直流輸電線路的反擊和繞擊耐雷水平進行研究,并根據《過電壓保護規程》[6]推薦的交流雷擊跳閘率計算方法和修正電幾何法對反擊和繞擊閃絡率進行計算,并將研究成果為云廣線路的運行提供依據,為編制特高壓直流線路設計規程提供參考。

2 模型參數

(1)絕緣子 懸垂絕緣子選用V型復合絕緣子串,結構高度10.6 m,高壓均壓環高度120 mm,低壓均壓環高度32mm。

(2)雷電流波形 雷電流波形對防雷設計影響較大,國內外的研究者通過多年的雷電流觀測,獲得大量數據。根據伯格和意大利的測量數據,推導出雷電流幅值和波頭時間的聯合概率密度,即雷電流幅值和最小波頭時間的相關關系(雷電流波頭小于最小波頭時間的概率為2%)。

根據現場運行與以往理論分析計算的經驗,利用雙指數波計算的耐雷水平結果比較符合實際情況。按照標準沖擊波與國標的定義,本文選取2.6/50μs雙指數波負極性雷作為雷電注入波進行計算。

(3)雷電通道波阻抗 前蘇聯科學家通過觀測和試驗,分析得出雷電通道的波阻Z0在300～3000Ω之間。雷電流小于5 kA時波阻抗為數千歐;雷電流在5～30 kA時為600～900Ω;在大電流(30～200 kA)時波阻抗較穩定,約為300～600Ω。因此,本文取雷電通道波阻抗為400Ω。

(4)桿塔接地電阻 接地電阻采用7Ω,沒有考慮雷電沖擊系數。一方面桿塔呼高采用54 m,接地負反饋對橫擔影響較小。俄羅斯頒布的《110～1150 kV架空線路防雷保護-99年導則》指出[7]:線路絕緣閃絡在接地裝置附近由雷電流形成火化區之前,防雷計算中不能引入沖擊系數,即不能采用沖擊接地電阻。

(5)雷擊閃絡的判據 我國規程采用的方法認為,過電壓峰值大于臨界放電電壓(U 50%),絕緣就閃絡。過去美國等國家采用相交法,相交法有可能丟失波尾放電的次數。

近年來,隨著科學技術的發展和高速照相機的廣泛應用,人們對長空氣間隙放電過程的研究也越來越深入,先導發展法研究是在此基礎上發展起來的。美國電科院(EPRI)、日本東京電力公司等在試驗研究的基礎上,采用絕緣子串和空氣間隙的先導模型來判斷雷擊時絕緣子串和空氣間隙的閃絡,明確地分析了空氣間隙擊穿的過程,已經得到廣泛的認同。本文采用美國電科院推薦的先導法進行絕緣子串和空氣間隙的仿真計算。

(6)雷擊閃絡路徑 可能發生的雷擊閃絡路徑有多種,包括絕緣子串、空氣間隙。美國電科院推薦的絕緣子串和空氣間隙的先導模型中,復合絕緣子串和空氣間隙取用相同的參數,故在仿真計算中將二者歸并考慮。

(7)桿塔波阻抗模型 目前,在傳輸線路防雷計算中,桿塔的模擬通常有兩種模型:一種是采用集中電感進行模擬,另一種是桿塔較高時把桿塔看作均勻參數,用一個波阻抗來模擬。前者忽略桿塔對地電容,由此得出的結果誤差較大,并且計算時接地電阻的影響被夸大;由于特高壓線路桿塔高度較高,將整個桿塔視為均勻參數模擬與事實不符。實際上,波沿桿塔傳播時,不同高度的桿塔部分的單位長度電感L0和單位長度電容C0是不同的,這就使得沿桿塔分布的波阻抗是變化的,也就是說在不同位置桿塔的波阻抗是不同的。

國外一些專家[8-9]使用多波阻抗來模擬輸電線路的桿塔,并建立了一些計算模型,同時研究了桿塔波阻抗的計算方法,如圖1所示。

圖1 Z27-31型直線塔和多波阻抗模型

模型既計及了桿塔參數隨高度的變化,也包含了波在桿塔上的傳播特性,因此,其計算準確度有很大提高。本文采用多波阻抗模型[10],選擇最具代表性的Z27-31型直線塔進行建模,地線對極線的保護角約為-11°,呼高選擇為54 m。

塔身具有3個坡度,上部為直線段,中部和下部具有不同的坡度,因此塔身按照3個波阻抗分段建模。導線橫擔按照塔身結構,自然分為兩段并分別建模。

Z27-31型塔身主材的計算公式:

式中:k——擊距系數,k為2,3,4;ZTk——塔身對應段主材的波阻抗,Ω;hk——塔身對應段頂端至地面的高度,m; rek——塔身對應段的等效直徑,按式(2)、式(3)計算,m。

式中:rTk——塔身對應段主材上端部的半徑,m;rT4——塔身最下段主材上端部的半徑,m;rBk′——塔身對應段的主材按照徑向尺寸線性延伸到地面時的下端部半徑,m; rB——塔身最下端主材下端部的半徑,m;RTk——塔身對應段的上端部塔身寬度,m;RT4——塔身最下段的上端部塔身寬度,m;RBk——塔身對應段按照塔身寬度尺寸線性延伸到地面時的塔身寬度,m;

RB——桿塔實際根開,m。

Z27-31型塔身斜材的等效波阻抗:

Z27-31型塔身橫擔波阻抗計算公式:

式中:h2——橫擔高度,m;rA——橫擔對應A段的等效半徑,按式rA=(r2+r3)/4計算,m;rB——橫擔對應B段的等效半徑,按式rB=(r1+r2)/4計算,m;r1,r2和r3分別為橫擔對應段端部的寬度,m。

地線支架由于傾斜角度,其建模相對復雜,既不同于直線塔身,也不同于水平橫擔。目前多波阻抗模型中,水平和垂直部分的模型具有非常好的理論基礎,而傾斜部分的模型則缺乏堅實的基礎。日本在為我國國網特高壓做咨詢時,對于地線支架采取線性延伸至地面的做法,但規定若延伸至地面的截面積大于實際桿塔根開時,取桿塔根開。經理論分析,傾斜的地線支架波阻抗應介于水平橫擔模型和垂直塔身模型波阻抗之間。因此,先將地線支架在水平和垂直方向上分別投影,對水平部分按照橫擔建模,對垂直部分按照塔身建模,然后根據傾斜角度按照差分的方法對地線支架的波阻抗進行計算。

經計算,桿塔波阻抗如表1所示。

表1 桿塔波阻抗 Ω

正如前面計算塔身波阻抗時考慮每段塔身對地電容的影響一樣,塔身上端的波阻抗較下段波阻抗大,橫擔的波阻抗大于塔身波阻抗。橫擔長達30 m,這個影響將起到非常關鍵的作用。

3 反擊耐雷水平及雷擊閃絡率

反擊耐雷水平和雷擊閃絡率的計算結果如表2所示。

表2 反擊耐雷水平和雷擊閃絡率

雷擊桿塔不同位置時的耐雷水平差異較大,這是由于線路運行電壓水平較高,在雷擊時的影響已不可忽略。

由于特高壓塔頭間隙和絕緣子尺寸較大,線路耐雷水平非常高,使得雷電流幅值概率下降較大,從而總的雷擊閃絡率非常低,遠低于500 kV超高壓線路的雷擊跳閘率。

引起兩極同時閃絡的雷電流幅值非常高,高達555 kA,此幅值的雷電流概率幾乎為零。故兩極同時閃絡的情況可以不用考慮。

接地電阻降低,線路耐雷水平提高,但由于特高壓線路的鐵塔較高,降低桿塔接地電阻對反擊耐雷水平的影響有限。雷擊正極側避雷線時,接地電阻與耐雷水平的關系如表3所示。

表3 降低接地電阻對耐雷水平的影響

由表3可見,進一步降低接地電阻來提高線路雷擊避雷線時的耐雷水平是不合適的,但是保持接地電阻在10Ω左右是有必要的。

4 繞擊耐雷水平及雷擊閃絡率

根據國外的運行經驗,特高壓系統的繞擊性能決定了線路的雷擊跳閘率,減小繞擊率是防雷保護的關鍵。

本文中,繞擊閃絡率采用電氣幾何模型法(EGM)[11-13]計算。

在傳統的電氣幾何模型中,由于所研究的線路桿塔高度較低,擊距系數k可近似取值為0.8或0.9(地面起伏可取1)。而對于超高壓、特高壓線路,桿塔較高,k再取常數就很不合適。研究結果表明,先導對大地、導線擊距是不相等的,且k隨桿塔高度的變化而變化。IEEE雷電工作組給出了以下擊距系數與導線高度相關的推薦公式:

繞擊耐雷水平和雷擊閃絡率的計算結果如表4所示。

表4 繞擊耐雷水平和雷擊閃絡率

由表4可知,由于線路桿塔的保護角較小,為-11°,且線路耐雷水平較高,所以線路總的繞擊閃絡率較低。檔中比塔頭繞擊的耐雷水平大2～4 kA。由于線路弧垂的緣故,在檔中處,地面對導線的屏蔽較塔頭處更為有利。造成兩極同時閃絡的雷電流非常高,高達373 kA。如此高幅值的雷電流概率很小,且不會繞擊到導線上。因此,不用考慮造成兩極同時閃絡的繞擊情況。

5 結語

本文采用“ATP-EM TP”+多波阻抗模型+先導模型判據的方法對±800 kV的特高壓直流輸電線路的反擊和繞擊耐雷水平進行研究,并計算了雷擊閃絡率。線路反擊耐雷水平較高,降低接地電阻對于提高反擊耐雷水平效果并不明顯。防繞擊是特高壓線路防雷擊的關鍵,保持較小的地線保護角很有必要。對于反擊和繞擊,兩極同時閃絡的情況可不予考慮。

[1] DL/T 620-1997,交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合(S).

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