220 kV同塔四回線路繞擊耐雷性能研究

林 松,楊海龍,戴玉松,邱雪梅,何傳陽

(西華大學 電氣與電子信息學院,成都 610039)

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220 kV同塔四回線路繞擊耐雷性能研究

林 松,楊海龍,戴玉松,邱雪梅,何傳陽

(西華大學 電氣與電子信息學院,成都 610039)

為深入研究220 kV同塔四回線路繞擊耐雷性能,基于充分考慮垂直排列導線間的相互屏蔽問題,建立了適合同塔多回線路的電氣幾何模型(EGM)計算方法。在考慮工作電壓的影響和雷電先導方向的分散性基礎上,對比分析了多種擊距公式對計算結果的影響。基于暴露投影距離評估了實際桿塔繞擊耐雷性能,并與運行經驗進行了對比,驗證了計算方法的合理性。計算結果表明,地面傾角、桿塔結構等對線路繞擊耐雷性能有較大的影響。

同塔四回;EGM模型;擊距公式;繞擊跳閘率

目前,評估輸電線路反擊耐雷性能比較成熟的方法是借助于EMTP程序,繞擊耐雷性能的計算廣泛采用電氣幾何模型(EGM)[1]。但是EGM模型用于同塔多回線路防雷計算時尚存在一些不足。文獻[2]中最大擊距的計算仍借助于通用公式,未考慮垂直排列導線間的相互屏蔽問題,文獻[3]中EGM的計算采用暴露弧法,假定雷擊地面的概率為零,顯然是不合理的,且未考慮導線工作電壓的影響和雷電先導的分散性。本文以同塔四回桿塔為例,針對220 kV同塔四回線特點,充分考慮垂直排列導線間的相互屏蔽問題,建立整體EGM模型。考慮工作電壓的影響和雷電先導方向的分散性,對比分析多種擊距公式對計算結果的影響,并基于暴露距離法計算實際桿塔繞擊耐雷性能,以為同塔四回線路的設計和建設提供參考。

1 同塔四回EGM模型

1.1 繞擊跳閘率計算方法

經典電氣幾何模型基本思想是由雷云向地面運動的先導通道頂端到達目標物的臨界擊距前,擊中點是隨機的。若首先抵達某物體擊距范圍之內,則此物體為放電對象。

經典EGM是基于單回線路提出的,而同塔四回線路桿塔結構復雜,同一側存在多根導線垂直排列。就一根導線而言,上下導線均可能對其產生屏蔽,起到避雷線的作用,傳統的最大擊距公式已不能直接運用,因此需要重點考慮導線間的相互屏蔽和最大擊距的計算問題。同塔四回線路整體分析EGM模型如圖1所示。對每一根導線,根據避雷線和各導線的相對位置以及擊距的大小,計算相應擊距下對應該導線的暴露弧是否為0,也就是分析該導線是否完全被屏蔽,從而避免了最大擊距的計算。

圖1 同塔四回線路EGM模型

Fig.1 Quadruple circuit transmission lines’s EGM model

該模型考慮了雷電先導方向的分散性[4],先導入射角概率密度分布函數為

g(ψ)=kmcosmψ

其中先導入射角滿足-π/2≤ψ≤π/2；取m=2，K=2/π。文獻[5]推薦通過雷電入射角方向上暴露在地面上的投影距離來表征線路屏蔽失效的現象,根據導線暴露在先導垂直方向上的有效長度在水平面上的投影,可以推算出在雷電流對應的擊距為rs時導線的暴露投影距離:

式中：ψ為先導入射角，g(ψ)為先導入射角的概率分布函數；θ1和θ2可以由幾何關系直接得出，如圖2所示；ψ2跟θ有關，ψ1與地面傾角有關。

圖2 暴露距離分析圖

繞擊跳閘率的計算式為

式中：Ng為地閃密度，次/(km2·a)；η為建弧率；X為暴露距離，m；P′(I)為雷電流幅值概率密度函數；Ic為輸電線路的繞擊耐雷水平，kA；SFFOR為繞擊跳閘率，次/(100 km·a)。

1.2 計算參數

1.2.1 繞擊耐雷水平Ic

雷繞擊導線后,線路Ic可由線路絕緣子串雷電沖擊50%放電電壓U50%、導線波阻抗、導線工作電壓以及雷電通道波阻抗來確定。在進行繞擊計算時,所取的雷電通道波阻抗比導線波阻抗大很多,則考慮系統電壓時線路的Ic可由下式進行計算:

式中:U50%為絕緣子雷電沖擊50%放電電壓,kV;U為導線工作電壓,kV;Φ為系統電壓相角;ZC為導線波阻抗,Ω。根據IEC推薦的計算模型,絕緣子雷電沖擊50%放電電壓可由下式進行計算:

U50%=533·L+100

式中L為絕緣子串絕緣長度,m。

1.2.2 擊距公式

雷電對避雷線的擊距與雷電流幅值I(kA)有如下關系：rs=a·Ib，a和b均為常數。國內外不同學者給出的(a,b)取值不同，主要有(7.1，0.75)[6]、(8，0.65)[7]、(10，0.65)[8]、(6.72，0.8)[4]。4種取值下擊距與雷電流幅值的關系如圖3所示。

圖3 擊距與雷電流幅值的關系

考慮工作電壓時擊距公式為

rs=1.63(5.015I0.578-Ucosφ)1.125

式中:U為系統相電壓幅值,Φ為系統電壓相角。擊距系數是先導對地擊距與先導對導線擊距的比率,本文取0.80。

1.2.3 雷電流幅值概率函數

雷電流幅值概率函數采用統計法,滿足下式:

式中:a、b由統計雷電流幅值累積概率曲線擬合所得,P(>I)為大于雷電流幅值I的累積概率分布函數。

2 線路繞擊耐雷性能分析

為驗證模型的合理性,以典型220 kV同塔四回SZG1型桿塔為例,呼高取21 m,其桿塔結構尺寸如圖4所示,導線型號2×LGJ-240/40,避雷線型號GJ-50,絕緣子型號FXBW4-220/100,雷暴日為40。據統計,雷電流幅值概率函數中a取35.5,b取2.6,導線弧垂取10 m,地線弧垂取8 m。為了驗證計算結果的合理性,本文統計了2007年—2009年某地區220 kV同塔四回線路的運行數據,折算到40雷暴日下的平均繞擊跳閘率為0.28次/(100 km·a)。計算中考慮系統電壓影響時,由于雷擊導線時交流周期電壓角度呈現的隨機性,因此，本文假定雷擊時刻出現于交流一個周期期間內的概率相等,將系統電壓相角12等分,然后取平均值作為繞擊跳閘率。

圖4 220 kV同塔四回SZG1型桿塔結構尺寸

2.1 擊距公式對繞擊跳閘率的影響

擊距公式是電氣幾何模型中的核心參數[9-11],擊距公式的不同必然導致計算結果的差異。分別采用國內外4種常用不同擊距公式,對220 kV同塔四回線路的繞擊跳閘率進行了計算,繞擊跳閘率與擊距的關系如表1所示,計算過程考慮了系統電壓的影響,地面傾角取0°。

表1 不同擊距時繞擊跳閘率

由表1可見,IEEE1993推薦(a=8,b=0.65)計算結果最大,其次是Japan推薦(a=7.1,b=0.75);而Whitehead推薦(a=6.72,b=0.8)計算結果最小,IEEE1997推薦(a=10,b=0.65)計算結果介于他們之間,且與實際運行經驗接近,故本文使用IEEE1997推薦公式。

2.2 導線工作電壓對繞擊跳閘率的影響

對于220kV及其以上線路,導線工作電壓的影響較為嚴重,在防雷分析中不應予以忽略[12]。擊距公式取IEEE1997推薦公式時,繞擊跳閘率隨系統電壓相角變化曲線如圖5所示。

圖5 繞擊跳閘率隨導線工作電壓相角變化曲線

從圖5可以看到,隨著導線工作電壓相角的變化,繞擊跳閘率在0.18到0.45之間變化,平均值為0.29次/(100 km·a),可見對于220 kV線路,系統電壓對繞擊跳閘率有一定的影響。進一步計算可知,未考慮導線工作電壓時,繞擊跳閘率為0.25次/(100 km·a)。計算結果表明,未考慮導線工作電壓影響時計算結果稍偏低。

2.3 未考慮導線相互屏蔽時的繞擊跳閘率

傳統電氣幾何模型未考慮導線間相互屏蔽,而本文所采用改進電氣幾何模型考慮了導線間相互屏蔽。為了對比兩者之間的差異,進行了對比計算。計算中擊距公式采用IEEE1997推薦公式,同時考慮系統電壓影響,地面傾角取為0°,可得自上而下導線(編號依次為1～6號)的繞擊跳閘率如表2所示。

表2 分別采用兩種計算方法的繞擊跳閘率

由表2可見,如果不考慮導線之間的相互屏蔽,將導致下層導線的繞擊跳閘率比正常值大,進而引起總的桿塔繞擊跳閘率比正常值大,這是由于傳統EGM把擊中相鄰導線繞擊的概率算到了目標導線中,即夸大了導線的屏蔽范圍。因此,考慮導線之間相互屏蔽的改進EGM模型更加符合同塔多回輸電線路的實際情況。

2.4 地面傾角θ對雷電繞擊跳閘率的影響

地面傾角直接影響大地對導線的屏蔽特性[13],繞擊跳閘率隨θ變化曲線如圖6所示。

圖6 繞擊跳閘率隨地面傾角變化曲線

由圖6可見,θ與饒擊跳閘率呈非線性正相關,當θ較小(低于10°)時,輸電線路的繞擊跳閘率受山坡地形的影響不是很明顯;當θ超過某一值時,輸電線路的繞擊跳閘率受山坡地形的影響較大,而且隨著θ的增加,這種影響越大,線路的繞擊跳閘率越高。因此,經過山區地段的輸電線路,應加強雷電繞擊防護工作,采取差異化防雷措施,限制其繞擊跳閘率在一定范圍內,使得輸電線路能夠安全可靠運行。

2.5 桿塔結構對繞擊跳閘率的影響

本文建立的EGM整體分析模型考慮了同塔四回線路桿塔的結構特點,整體考慮各導線間的相互屏蔽問題。不同的桿塔結構,各導線的相對位置不同,將導致各導線最大繞擊電流和繞擊跳閘率不同。同塔四回線路單側存在6根導線垂直排列,地面傾角取10°時,單側每根導線最大繞擊電流和繞擊跳閘率如表3所示。

表3 單側桿塔不同導線繞擊耐雷性能

由表3可見,對于此種“傘形塔”,自上而下最大繞擊電流和繞擊跳閘率依次降低,這是由于導線位置越低,越容易被屏蔽。因此,此種塔型繞擊防護應先針對最上層導線進行。

3 結 論

1) 本文充分考慮垂直排列導線間的相互屏蔽問題,建立了同塔四回線路整體EGM分析模型,考慮了工作電壓的影響和雷電先導方向的分散性,通過對實際桿塔的計算,驗證了模型的合理性。

2) 通過對比不同擊距公式對計算結果的影響,認為IEEE1997推薦公式計算結果更符合實際運行經驗。

3) 對于220 kV線路,系統電壓對繞擊跳閘率有影響,不應忽略;地面傾角對繞擊跳閘率的影響較大,線路經過山坡地段時,應加強雷電繞擊保護;桿塔結構對繞擊跳閘率有一定的影響,“傘形塔”應加強最上層導線的繞擊防護。

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(責任編輯 郭金光)

Research on lightning shielding performance for 220 kV quadruple circuit transmission lines

LIN Song, YANG Hailong, DAI Yusong, QIU Xuemei, HE Chuanyang

(School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In order to study the lightning shielding failure performance for 220 kV quadruple circuit transmission lines more deeply and exactly, this paper proposed, considering mutual shielding between any two vertical conductors, the revised electro-geometric model (EGM) calculation method for multi-circuit transmission lines. Taking into account the operating voltage of the system and the dispersion of the lightning leader angle distribution, the paper compared the influence of some striking distance formulas on the calculation results, and evaluated the lightning performance of the actual quadruple circuit tower on the basis of the exposure distance concept, and then made a comparison with operation experience, which verified the rationality of calculation method. The calculation results show that the factors, such as the ground slope angle, tower structure and so on, have a major influence on the lightning performance.

quadruple circuit; EGM model; striking distance formula; shielding failure trip-out rates

2015-09-11。

林 松(1990—)，男，碩士研究生，主要從事輸電線路過電壓方面研究。

TN713

A

2095-6843(2016)01-0056-05