220kV輸電線路耐雷水平仿真研究

吳 憂（國網(wǎng)湖南省電力公司岳陽供電分公司，湖南岳陽414000）

220kV輸電線路耐雷水平仿真研究

吳 憂（國網(wǎng)湖南省電力公司岳陽供電分公司，湖南岳陽414000）

國內(nèi)架空輸電線路工程設(shè)計程序水平普遍使用規(guī)程法來計算桿塔的耐雷水平，該方法簡單、實用，但沒有考慮雷電流對桿塔的傳播，也不考慮導(dǎo)線之間的耦合效應(yīng)，計算結(jié)果很保守，防雷工程成本增加的主要因素之一。

輸電線路；耐雷水平；規(guī)程法；ATP-EMTP仿真

廣泛使用的ATP-EMTP仿真程序來模擬輸電線路電磁暫態(tài)分析的各個組成部分，雷電流模型采用雙指數(shù)模型簡單高效，但會使塔頂電位比其他模型要大得多；采用單一波阻抗模型來表示桿塔雖考慮了雷電流在桿塔中的傳播過程，忽略了復(fù)雜的塔型水平和垂直方向的兩波阻抗差異；絕緣子串閃絡(luò)模型可用U50%閃絡(luò)電壓代替，這種閃絡(luò)判據(jù)并未考慮到絕緣子串伏秒特性隨時間變化的情況為簡化模型，用工頻接地電阻代替沖擊接地電阻，但這種簡化未考慮雷電流對接地電阻的影響。

1 工程概況

某輸電線路導(dǎo)線型號采用2×JL／G1A-300／40鋼芯鋁絞線，兩根避雷線一根為OPGW-14.6-120-2復(fù)合光纜，另一根為JLB35-120鋁包鋼絞線，鐵塔型號采用《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計（2011年版）》中2A1系列鐵塔，全線路考慮按C級污穢區(qū)，爬電比距按39.4mm／kV選擇絕緣子片數(shù)，年平均雷暴日為70d／年。

2 仿真模型的構(gòu)建

2.1 接地模型

雷擊電流通過接地裝置接地，接地裝置的作用是接地電阻的影響，而不是工頻接地電阻。當(dāng)沖擊雷電流通過接地體，由于接地體周圍土壤的高電位分解并有強(qiáng)烈的放電功率，這相當(dāng)于擴(kuò)大接地導(dǎo)體的直徑，從而使得接地體在沖擊雷電流下所呈現(xiàn)的沖擊接地電阻要比工頻接地電阻小得多。

2.2 鐵塔模型

考慮到某工程鐵塔高度超過40m，因此宜采用屬于分布參數(shù)模型的多波阻抗模型，針對雷電流在鐵塔的水平方向和垂直方向的傳播過程，鐵塔的水平、垂直導(dǎo)體波阻抗分別取160、140Ω，波速取0.7倍光速，鐵塔型號為國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計2A1-ZBK塔型。

2.3 線路模型

由于發(fā)生雷擊的過程在微秒級別，等效頻率很高，涵蓋的頻率范圍廣，故線路模型采用與頻率有關(guān)的JMarti模型，該模型仍有Bergeron模型分布參數(shù)的特性，忽略了對地電導(dǎo)，同時也忽略了雷電沖擊電暈的影響，為了補(bǔ)償沖擊電暈的影響，在計算反擊耐雷水平時，根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊》規(guī)定，導(dǎo)線上產(chǎn)生的雷電感應(yīng)電壓引入電暈修正系數(shù)取1.25。

2.4 雷電流模型

采用國際電工委員會（IEC）推薦的Heidler模型，計算公式為：

式中，I0為雷電流的幅值，A；η為雷電峰值修正因子，取1；n為電流陡度因子，取2；τ1為波頭時間，取2.6μs；τ2為波尾時間，取50μs。

2.5 絕緣子串模型

絕緣子串模型有兩種常用的形式：①參考國際標(biāo)準(zhǔn)的計算公式：

式中，絕緣子串有效長度是Lie，m；t為雷電沖擊發(fā)生時到絕緣子串閃絡(luò)的時間，μs。②根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的絕緣子串伏秒特性值擬合成表達(dá)式，如武漢高壓研究所提供的220kV絕緣子串伏秒特性公式為：

式中，絕緣子串閃絡(luò)電壓是U（t），V；閃絡(luò)時間是t，μs。對比兩種模型的仿真差異，利用ATP-EMTP中功能豐富的控制系統(tǒng)暫態(tài)分析（TACS）軟件，模擬出絕緣子串的伏秒特性。采用相交法來模擬絕緣子串的閃絡(luò)過程，即不斷增大雷電流的幅值，當(dāng)鐵塔橫擔(dān)和導(dǎo)線之間的電位差大于絕緣子串的伏秒特性值時，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，且閃絡(luò)狀態(tài)被鎖定。

3 實例仿真

3.1 耐雷水平

雷擊包括反擊和繞擊兩種情況，相應(yīng)的耐雷水平包括繞擊耐雷水平和反擊耐雷水平。雷電反擊又分為雷擊避雷線檔距中央和雷擊桿塔兩種情況，由于在實際工程中避雷線和導(dǎo)線之間的配合是嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，即導(dǎo)線和避雷線在檔距中央的距離滿足D≥0.012L+1（L為檔距，m），線路一般不會發(fā)生檔中閃絡(luò)，故不再仿真計算這種情況。按照式（1）～（3）建模方法對本文工程進(jìn)行建模，線路模型考慮工頻電壓源，線電壓有效值取220kV，頻率取50Hz，初相角取0°，同時為了簡化模型，除中間一基鐵塔的接地和絕緣子串模型最為細(xì)致外，前后其余鐵塔的接地模型則忽略火花效應(yīng)，接地電阻取15Ω，絕緣子串采用簡單的壓控開關(guān)代替，即當(dāng)絕緣子串兩端電壓超過50%沖擊放電電壓1200kV時，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)。

3.2 絕緣子串模型

若將絕緣子串模型由武漢高壓研究所提供的伏秒特性擬合函數(shù)改為國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE的伏秒特性擬合函數(shù)，雷擊點仍為塔頂OPGW復(fù)合光纜支架一側(cè)，仿真計算結(jié)果見表1。由表1可知，絕緣子串模型改變后，各相反擊耐雷水平均發(fā)生了變化，其中C相耐雷水平下降了12.15%，B相耐雷水平下降了12.16%，A相耐雷水平上升了4.46%，最終整體反擊耐雷水平仍由最弱的C相反擊耐雷水平?jīng)Q定，與絕緣子串模型改變之前相比下降了12.15%，可見采用IEEE絕緣子串模型仿真結(jié)果偏小，因此在耐雷水平計算時若缺乏廠家提供的絕緣子串伏秒特性參數(shù)，保守建議采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

通過詳細(xì)的ATP EMTP軟件建立了220kV輸電線路工程模型，計算并評估鐵塔每一相的反擊耐雷水平和繞擊耐雷水平，從而找出最薄弱的一相的防雷性能。雷擊塔頂不同的地線側(cè)和使用不同的絕緣子串模型對反擊耐雷水平均有影響，耐雷水平計算時為了保守起見，雷擊點應(yīng)選擇普通鋁包鋼絞線一側(cè)，若缺乏廠家提供的絕緣子串伏秒特性參數(shù)，建議選擇IEEE標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同絕緣子串模型仿真結(jié)果

[1]阮德明.220kV單回輸電線路過山段雷擊電磁暫態(tài)計算和耐雷水平研究[D].昆明理工大學(xué)，2012.

TM863

A

2095-2066（2016）36-0015-02

2016-12-8

吳 憂（1990-），男，本科，主要從事送電線路等工作。