包頭地區220 kV輸電線路雷擊事故分析及防雷改造

宣迪凱

(東北電力大學,吉林 吉林 132012)

包頭地區220 kV輸電線路雷擊事故分析及防雷改造

宣迪凱

(東北電力大學,吉林 吉林 132012)

近幾年,包頭地區220 kV包青Ⅰ、Ⅱ回線路兩次發生由于雷擊輸電線路引起的雙回同時閃絡跳閘事故,嚴重影響了內蒙古地區供電的可靠性。為研究該線路雷擊事故并采取特定手段來提高其耐雷性能,利用EMTP來計算和研究雷擊同桿線路的反擊過程,通過仿真來模擬復現事故,并利用EGM法求解桿塔繞擊跳閘率。

跳閘事故;反擊;繞擊;耐雷性能

內蒙古包青Ⅰ、Ⅱ回220 kV同桿雙回線路全長29.45 km,共有 95座桿塔,從2008年開始運行至今已發生兩次由于雷擊造成的雙回線路同時跳閘事故,對內蒙古地區的供電可靠性造成了嚴重影響。因此,對發生在這條線路上的跳閘事故進行調查分析,研究雷擊線路發生雙回同跳事故的機理,采取對應的防雷措施降低事故概率,能夠有效改善該線路的耐雷性能。

1 繞擊耐雷性能研究

以EGM法為基礎建模,并采用VB語言編寫相關的程序[1]。

1.1 雷繞擊時導線上的電壓

依據《行標》,計算過程中導線與雷電通道波阻抗Zo及Zc各取300 Ω及900 Ω,通過彼德遜法則可以得出

即U=IZc/2.33。E.R.Whitehead認為U=IZC/2.2,本文計算中取U=IZc/2.33。

1.2 擊距公式及系數

傳統電氣幾何模型中,擊距大小r只與雷電流幅值I有關[2],并有相關公式r=AIb。目前存在多種形式的擊距公式,常見的有如下:

Golde擊距公式為

r=3.3I0.78

Whitehead擊距公式為

r=6.72I0.8

IEEE雷電工作組擊距公式為

r=6.88I0.69

朱氏模型擊距公式為

r=8I0.65

擊距系數β可以描述雷電先導對地面和導體之間擊穿強度的大小,許多繞擊計算模型都表述了β與h間的關系,主要有

β=22/h

β=1.94-h/26

β=1.08-h/59

β=1.05-h/87

β=1.18-h/108.69

(1)

上述公式中h為導線對地平均高度,本文計算中取式(1)。

1.3 雷電流幅值概率函數

計算超過Ii的雷電流幅值概率的公式為

當h≤20時

當h>20時

1.4 繞擊跳閘率的計算

(x-X1)2+(y-Y1)2=r2

(2)

(x-X2)2+(y-Y2)2=r2

(3)

聯立式(2)和式(3),取其中x值較大的解,可得地線與上導線的擊距弧交點Bk(Xb,Yb)。

同理可得點Ck坐標(Xc,Yc)與點Dk坐標(Xd,Yd)。而Ek的坐標,可通過下述方法求得[3]。

(tanθ)x+y-b=0

(4)

(x-X4)2+(y-Y4)2=r

(5)

若d′>(1+β)r,則令點D至直線(tanθ)x+y-b=0的距離等于r并求解,即可得b值;如果d′<(1+β)r,則以原點到直線(x-X4)2+(y-Y4)2=r

圖1 雙回線路EGM模型

的距離等于βr來求解并取其中較大值為b。而通過式(4)、(5)來求解y,取其中較小的一組解即為Ek點坐標。

單根導線發生繞擊的概率隨著雷電流增大而減小,計算220 kV同桿雙回輸電線路繞擊跳閘率的具體流程如圖2所示,并依此編寫相關程序。

圖2 計算同桿雙回線路繞擊跳閘率流程圖

2 反擊耐雷性能研究

2.1 雷電流模型

雷電流模型的建立是將其物理過程看做一個沿著固定波阻抗通道通向地面的電磁波過程,圖3所示為等值電路。其中i0及I分別為流過雷電通道及被擊物體的電流,Z0和Z則分別為雷電通道和被雷擊物的波阻抗。Z0一般取300 Ω。

圖3 雷電流源等值電路

如圖3所示,模型由兩部分并聯而成,分別為波形是2.6/50 μs的電流源與被擊電路部分。防雷設計則由現行規程推薦采用波頭時間為2.6 μs,幅值為I的雷電流波形。

2.2 桿塔模型

圖4為同桿雙回輸電線路的桿塔模型。

圖4 同桿雙回輸電線路桿塔模型

桿塔主干部分波阻抗的計算公式為

支架部分波阻抗為

ZLi=9ZTi

橫擔部分波阻抗為

其中rAi為橫擔的等效半徑,約為其與主干連接寬度的1/4[4]。

橫擔和主干波阻抗可以通過上式求得,其中波速取為光速。試驗表明,當雷電進行波在桿塔內傳播時,支架中的進行波傳送與在主干中的傳送過程相比較存在延遲現象,一般將前者長度取為后者的2/3[5]。

某些線路中(例如220 kV線路)高度平均的桿塔,一般其波阻抗都遠大于接地電阻,從塔頂端到塔底部傳播的波會產生與之相反極性的波并由下至上傳播。該波瞬時即到達主干與橫擔交匯處,再與該交匯處的已有電位疊加,從而抑制了電壓升高。反射波到達時,波頭形狀為斜坡的雷電流還沒有達到它的峰值。雷電流到達峰值的時間相對于反射波由塔底返回塔頂的時間越長,且桿塔接地電阻值越小時,其能引起的雷電流幅值下降越多。

2.3 避雷器模型

目前在電力系統應用最為廣泛的避雷器材料為氧化鋅。當有雷電進行波通過時,金屬氧化物避雷器的閥片可以看成是電容與高阻值非線性電阻并聯而成。當閥片上的電壓值在一定范圍內時斜率無限大,它就相當于一個阻值極高的電阻。然而它的阻值又隨著電壓的不斷升高最終趨于零,也就是說在過電壓保護范圍內,其數值基本保持不變。表1給出了220 kV無間隙金屬氧化物避雷器的伏安特性。

表1 220 kV無間隙金屬氧化物避雷器的伏安特性

2.4 絕緣子串閃絡模型

絕緣子串的閃絡模型如圖5所示。

圖5 TACS組件模擬絕緣子串閃絡模型

當雷擊事故發生時,絕緣子串的伏秒特性和它的過電壓幅值都與時間相關,前者可由有名+固定闕限值來進行相關的模擬,后者則能用52#電平觸發開關來進行模擬,TACS包含有FORTRAN表達式,一般都應用它。隨著雷電進行波傳播,一旦某一條件得到滿足,即驅動信號達到或超過有名+固定闕限值的條件得到滿足時,52#電平觸發開關被觸發,開關合上,并導出一個正數。此結果又能控制13#TACS開關使其閉合,后者狀態又代表著絕緣子串的狀態,它打開就表明絕緣子串正常,并未發生閃絡。在52#開關及被其控制的13#TACS開關間有一個64#最小值/最大值跟蹤器,它的作用是在52#開關輸出為正數時將其鎖定,從而防止絕緣子串兩端的電壓小于伏秒特性時13#TACS開關重新斷開,使其閃絡的狀態能夠得到確認,從而保證所得到模擬結果的準確性[7-8]。

3 故障分析

3.1 故障概述

2009年8月14日11:14，包青Ⅰ、Ⅱ回縱差保護動作跳閘,此后斷路器重合,兩回線路的故障相都是C相。包北變故障錄波器測距:包青Ⅰ回257斷路器13.9 km、包青Ⅱ回258斷路器14.6 km。原因:故障線路中35#桿塔C相絕緣子發生閃絡,當天為雷雨天氣。2011年7月11日8:17，包青Ⅰ、Ⅱ回兩端RCS-931B、CSC-103B縱差保護動作跳閘,C相故障,此后斷路器重合,包北變故障錄波器測距顯示各為14.7、15.5 km。原因:故障線路37#塔C相絕緣子發生閃絡。

3.2 雙回同跳故障分析

雷電繞擊線路時,由于避雷線的屏蔽作用,導致雷電流幅值不會很大,因此通常只能引起一相導線閃絡。而反擊雷幅值則可以高達200 kA以上,能量遠大于繞擊雷,流過的雷電流非常大,足以能夠引起使線路發生多相閃絡事故,從而引起線路的雙回同跳事故[9-10]。

本項目通過對雙回同跳的故障進行分析,以電磁暫態計算程序為基礎,并以相關故障塔的檢測數據為依據進行仿真模擬,從而研究反擊雷對220 kV線路雙回同跳事故的影響,最后提出對應的解決方案來改善其防雷性能。

3.3 線路參數

根據所提供的桿塔信息可以知道,35#、37#塔均為直線塔,塔型及相應的參數如圖6、圖7和表2所示。

圖6 35#桿塔結構圖

圖7 37#桿塔結構圖

1) 導線和地線參數:導線為2×LGJ-400/35鋼芯鋁絞線,雙分裂垂直排列;架空地線型號則為JLB40-120型鋁包鋼絞線及OPGW復合光纜,兩種型號各一根。

2) 絕緣配置:類型為FXBW-220/160棒形絕緣子。

3) 接地裝置:導體采用銅包鋼的材料并采用放射式的布置方式。35#桿塔埋深2.7 m,地角螺栓型號M42,現場實測接地電阻為49 Ω;37#桿塔埋深3.6 m,地角螺栓型號M49,現場實測接地電阻為12.1 Ω。

表2 35#和37#桿塔參數

3.4 模型仿真結果

反擊發生時會在桿塔上引起各種幅值大小的雷電流,其會導致同桿雙回線路發生一相甚至多相導線絕緣子閃絡。為重現35#和37#桿塔的反擊跳閘事故,基于電磁暫態程序來建立相關的仿真模型,并以此計算桿塔的一相閃絡時的耐雷水平及兩相同時發生閃絡的耐雷水平。

在不同大小的雷電流下,35#號桿塔分別發生單相閃絡和兩相同時閃絡的情況如圖8和圖9所示。在雷擊中桿塔的一瞬間,A相工頻相位是0°,接地電阻值是49 Ω,當雷電流幅值比51 kA大時會使包青Ⅰ回線C相跳閘;而大于76 kA又會使包青Ⅰ、Ⅱ回線C相同時跳閘,Ⅰ、Ⅱ回線C相分別在對應三相的中、下相。

在不同大小的雷電流下,37#號桿塔發生單相閃絡和兩相閃絡情況(絕緣閃絡時絕緣子兩端電壓差降為零)如圖10和圖11所示。在雷擊桿塔瞬間,工頻相位為0°,現場實測接地電阻為12.1 Ω,當雷電流幅值大于102 kA時將引起包青Ⅰ回線C相(中相)跳閘;雷電流幅值大于125 kA時將引起包青Ⅰ回線C相(中相)、包青Ⅱ回線C相(下相)同時跳閘。

圖8 35#桿塔51 kA雷電流下發生單相閃絡

圖9 35#桿塔76 kA雷電流下發生兩相閃絡

圖10 37#桿塔76 kA雷電流下發生兩相閃絡

圖11 37#桿塔125 kA雷電流下發生兩相同時閃絡

4 結 論

以EMTP為基礎建立相關的仿真模型,對包青Ⅰ、Ⅱ回輸電線路的35#桿塔、37#桿塔雙回同跳事故實現故障重現。計算結果與實際情況相符,成功復現了兩起雙回同跳事故。

在考慮220 kV線路和包青線路的運行經驗之后,確定了本次對桿塔的改造以防反擊為主、防繞擊為輔來降低雷擊跳閘率的解決方案。綜合考慮線路特點及改造成本等因素,對于包青線路給出改造接地電阻和在線路易擊段架設避雷器的方案。

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(責任編輯 王小唯)

Analysis on lightning accident of 220 kV transmission line andthe protection for the lightning flash in Baotou region

XUAN Dikai

(Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

In recent years,double circuit simultaneity trip-out accident occurred two times in the first and second circuit of 220kV Baoqing transmission line in Baotou region due to lightning on transmission line.It severely influenced reliability of power supply in Inner Mongolia region.So it is significant to improve its lightning protection performance by making a research on this transmission line and taking some measures.In this paper,EMPT (Electro-Magnetic Transient Program) was used to calculate and research back flash-over process of transmission line of lightning strike on the same tower.Simulation was taken to reproduce the accident and EGM was also used to solve the tower shielding failure outage rate.

trip-out accident; back flash-over; shielding failure; lightning protection performance

2016-03-10。

宣迪凱(1992—),男,碩士研究生,研究方向為高電壓與絕緣技術。

TM863

B

2095-6843(2016)06-0510-06