基于ATP-EMTP的接地裝置對輸電線路耐雷水平影響的研究

付豪

(國網新疆電力公司,新疆烏魯木齊 830000)

基于ATP-EMTP的接地裝置對輸電線路耐雷水平影響的研究

付豪

(國網新疆電力公司,新疆烏魯木齊 830000)

桿塔接地裝置的不同形式和沖擊接地電阻值會直接影響輸電線路的耐雷水平。本文采用ATP-EMTP軟件仿真模擬雷電流沖擊試驗,對不同接地裝置和不同雷電流注入點對輸電線路耐雷水平的影響進行了研究。仿真結果表明,采用口字形接地極和水平放射型接地極能提高桿塔架空線路的耐雷水平,雷電流從接地裝置的中點或四角同時注入時,接地裝置能被充分利用,架空線路的耐雷水平更高。

接地裝置耐雷水平ATP-EMTP

0 引言

輸電線路桿塔的有效接地對于電力系統防雷和保障電力系統的正常運行具有重要意義。近年來隨著超高壓輸電線路的建立和完善,桿塔高度大大增加,從而導致雷擊桿塔率大大增加,為輸電線路防雷帶來了很大的壓力。

雷直擊與帶避雷線的架空線路有三種情況,即雷擊桿塔頂部、雷擊避雷線檔距中央和繞擊導線。當雷擊桿塔頂端時,線路耐雷水平與分流系數、桿塔等值電感、桿塔沖擊接地電阻、導線與避雷線之間的耦合系數、絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓有關。在工程實際中,一般以降低沖擊接地電阻和提高導線和避雷線間的耦合系數作為提高線路耐雷水平的主要手段[1]。接地裝置的沖擊接地電阻受多個因素共同影響,選取最有效的方式來降低沖擊接地電阻能更經濟更有效的提高線路的耐雷水平[2,3]。本文建立了雷電流、桿塔與接地裝置的仿真模型,采用電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP對相同材料下不同接地裝置類型及不同的雷電流注入點對輸電線路耐雷水平的影響進行了仿真研究,得出了一些結論。

1 ATP-EMTP中仿真模型的建立

1.1 雷電流模型

雷電沖擊電流波形采用雙指數波形,其解析表達式為:

1.2 桿塔模型

圖1 雷電流波形圖

本文采用Hara無損線桿塔模型[5],選取了一座220KV的輸電線路雙回鼓型耐張塔進行模擬仿真。根據桿塔各處尺寸大小的不同,采用相應的波阻抗計算公式計算桿塔每個部分的波阻抗,根據Hara的無損線桿塔模型,就可以搭建出一個完整的桿塔多波阻抗模型。

仿真中,雷電流從桿塔塔頂注入以模擬雷擊桿塔時的情形,通過分析桿塔橫擔與絕緣子串連接處的電壓峰值大小來分析不同接地裝置及不同雷電流注入點對架空線路耐雷水平的影響。對于同一幅值的雷電流,在橫擔上產生的電壓峰值越大,表示絕緣子串兩端的電壓越大,也越容易導致絕緣子發生絕緣閃絡,引起雷擊跳閘事故。

1.3 接地極模型

接地裝置可以用若干段π型等值電路模型來進行模擬仿真,π型等值電路包含接地體自身電阻R,自身電感L,對地電容C,對地電導G四個部分[6,7],搭建的模型如圖2。

π型等值電路的四個參數按如下公式計算:

圖2 接地極π型等值電路模型

圖3 四種不同形式的接地裝置

接地體建模需要進行合理的分段,分段越多,越能精確的反應接地極的真實情況,但分段過多也會導致計算復雜和累計誤差增加等問題。本文綜合考慮各種因素,對水平接地極每一分段長度取4m,對其他形式的接地極取每一分段長度為2m。

2 接地裝置對輸電線路耐雷水平的影響

本文仿真采用了四種不同形式的接地電極進行仿真如圖3所示,即水平接地電極、十字形接地極、口字形接地極和鐵塔水平放射型接地裝置。四種接地裝置采用的材料總長均為64m,接地極直徑、埋深、土壤電阻率等其他因素都保持相同。

2.1 水平接地電極

對水平接地極,仿真時計算了雷電流通過桿塔后經三種不同方式注入接地裝置,即單端注入、中點注入和雙端注入。仿真計算的各層橫擔電壓如表1所示。

由表1所示的各層橫擔電壓值變化可知,雷電流從中點注入和從雙端同時注入時各橫擔電壓差別不大,而只從一端注入時,同一層橫擔的橫擔電壓要高出很多,耐雷水平也大大降低。對于同一種雷電流注入方式,橫擔電壓從上層到下層依次遞減,線路耐雷水平逐漸增加。仿真結果表明,當雷電流能均勻分布在接地極上時,接地極各處能夠得到充分利用,架空線路的耐雷水平可以得到明顯提升。

表1 水平接地極不同雷電流注入點時的橫擔電壓

表2 十字形接地極不同雷電流注入點時的橫擔電壓

表3 口字形接地極不同雷電流注入點時的橫擔電壓

表4 水平放射型接地極不同射線長度時的橫擔電壓

表5 不同接地裝置的橫擔電壓和沖擊接地電阻

2.2 十字形接地極

對于十字型接地極,仿真計算時考慮了從中點注入和從射線四個端點注入兩種情況,得到的結果如表2所示。

表2中的仿真結果表明,對于從中點注入和從四角注入兩種不同的雷電流注入方式,上中下三層橫擔的電壓均相差不大,且依次遞減,這表明采用這兩種不同的雷電流注入方式是基本等效的,都能將雷電流很好的釋放到大地中,對于線路的耐雷水平沒有明顯影響,考慮到實用性,采用從中點注入雷電流更加方便。

2.3 口字形接地極

口字型接地極的仿真采用了從一個角注入雷電流、從對角注入雷電流和從四個角同時注入雷電流三種情況。三種不同方式的仿真結果如表3所示。

對于這三種不同的注入方式,從單點注入各橫擔電壓最高,從對角注入次之,而從四個角同時注入時,各層橫擔電壓最小。這個結果也表明,當電流在接地裝置中分布的更均勻,對接地極各個部分利用更充分時,桿塔橫擔上電壓更低,絕緣子串上的電壓也更低,線路的耐雷水平則更高。

2.4 水平放射型接地極

采用ATP-EMTP軟件進行仿真時,對水平放射型接地極從四個角同時注入雷電流,分析了在保證接地極總長度為64m時,圖3中接地極方框邊長a和射線長度b變化時的情況。仿真結果如表4所示,表4中第一行數字表示a+b的值。

表4的仿真結果表明,在保持接地極的總長度不變時,適當改變方框邊長和射線長度的比例并不會對桿塔各層橫擔電壓產生影響,也不會影響架空線路的耐雷水平。采用水平放射型接地極時,各層橫擔的電壓都相對比較低,線路的耐雷水平較高。在實際應用中,可根據現場情況決定方框邊長和射線長度。

2.5 不同接地裝置對線路耐雷水平的影響

根據上面的仿真結果,可以對采用不同的接地裝置時線路的耐雷水平進行對比。各種接地裝置的橫擔電壓和沖擊接地電阻如表5所示,其中水平接地裝置和十字形選擇的是中點注入雷電流,口字形接地裝置選擇四角注入雷電流。

從仿真結果可以看到,對于這四種不同的接地裝置,水平接地極的沖擊接地電阻最大,而水平放射型接地極最小。桿塔的各層橫擔電壓也是水平接地極最高,十字形次之,口字形和水平放射型最小且相差不大。因此,在實際應用中,當接地極材料一定時,應根據現場的實際情況優先選擇口字形和水平放射型接地極,這兩種接地極能在有限的材料下盡可能地提高架空線路的耐雷水平,對保障輸電線路的供電可靠性有重要作用。從數據也可看出,隨著沖擊接地電阻的減小,各層橫擔電壓也在減小,耐雷水平不斷增加,所以降低輸電線路的沖擊接地電阻也是一個提高輸電線路耐雷水平的重要措施。

3 結論

(1)水平接地極、十字形接地極、口字形接地極和水平放射接地極這四種接地裝置,在接地極總長相同時采用后兩種接地裝置的桿塔架空線路耐雷水平較高。(2)雷電流注入點應優先選擇在接地裝置的中點或四角同時注入,盡可能使雷電流在接地裝置中均勻分布以充分利用接地裝置,能夠提高架空線路耐雷水平。

[1]解廣潤.電力系統過電壓[M].1985年6月第1版.水利水電出版社,1983.

[2]陳加清,周璧華,趙斐,等.輻射狀接地體沖擊接地阻抗特性的實驗[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2010,11(2):142-146.

[3]楊琳,吳廣寧,田曉菲.基于EMTP的水平接地體沖擊時-頻特性分析[J].電工技術學報.2011(06):194-198.

[4]孫建虎,劉穎芳,尹平.雷電流數學模型分析[J].后勤工程學院學報,2012(02):86-91.

[5]Hara T,Yamamoto O.Modelling of a transmission tower for lightning-surge analysis[J].IEE Proceedings-Generation,Transmission and Distribution.1996,no.3(vol.143):283-289.

[6]葉海峰.雷電流流過接地電極時的沖擊特性研究[D].華中科技大學,2007.

[7]徐偉.考慮火花效應時桿塔接地裝置沖擊特性的研究[D].華中科技大學,2008.