基于PSCAD的某輸電線路耐雷水平的仿真研究*

郭昆麗 宋曉菲 王建波 王 猛 張永宜

(1.西安工程大學 西安 710048)(2.國網陜西省電力公司電力科學研究院 西安 710054)

基于PSCAD的某輸電線路耐雷水平的仿真研究*

郭昆麗1宋曉菲1王建波2王 猛1張永宜1

(1.西安工程大學 西安 710048)(2.國網陜西省電力公司電力科學研究院 西安 710054)

雷擊經常造成輸電線路桿塔絕緣子串閃絡,給電力運行帶來很大的影響。論文建立了35kV架空輸電線路桿塔的雷電流模型、線路模型和桿塔模型,采用PSCAD/EMTDC仿真軟件,分析安裝線路避雷器、降低接地電阻等措施的防雷效果。當雷擊桿塔頂時,與線路未采取任何防雷措施相比,易擊桿兩側安裝三組避雷器耐雷水平可提髙5倍,效果明顯。仿真分析可為該輸電線路防雷措施提供重要的參考。

輸電線路; 防雷措施; PSCAD/EMTDC; 線路避雷器

Class Number TP391.9

1 引言

輸電線路的安全性直接影響電力系統的穩定運行,而耐雷水平[1]又是衡量安全性的重要技術指標。它反映輸電線路抵抗雷擊的能力,用雷電流的大小來表示。一般情況下,多發生雷擊線路桿塔的情況。當擊中桿塔塔頂時,大部分雷電流流入大地,由于桿塔及接地電阻的存在,電位陡升。當絕緣子串兩端所承受的電位差超過其沖擊閃絡電壓時,絕緣子串被擊穿,雷電流注入到輸電線路中。因此,桿塔過電壓的仿真對工程有現實意義。

本文研究某輸電線路,地處陜西省漢中市寧強縣,是引嘉入漢工程天生橋電站、二郎壩水電站的專用送出輸電線路。線路起點位于秦巴山區的寧強縣天生橋電站,中間“T”接二郎壩水電站,終點為寧強縣臥龍臺水電站的110kV升壓變電站35kV母線。所以,該35kV架空輸電線路在當地電力網絡中的地位舉足輕重,但是由于35kV架空輸電線路絕緣水平不高,該地地理環境惡劣,雷害事故頻繁發生,線路投運后多次、多線路段出現雷擊跳閘。線路檢修人員巡查發現,線路23#桿塔絕緣子串被擊中斷聯,26#桿塔絕緣子串被擊中出現破損及灼燒痕跡。該線路的防雷措施還不夠完善,雷擊災害預防體系還不夠健全,所以對電力系統的穩定運行造成很大的威脅。

2 輸電線路雷擊過電壓

2.1 直擊雷過電壓形成機理與計算方法

直擊雷,是指雷電直接擊中輸電線路的桿塔或導線。而直擊雷過電壓則是指雷擊過程所產生的較大的過電壓。圖1為直擊雷過電壓電路模型及等值電路。

通過實測特性可知：絕緣子串擊穿后,輸電線路的電流大幅躍升。根據彼得遜等效電路所示,絕緣子串相當于等值電路的開關,當開關閉合后,雷電流注入輸電線路通道。如圖1(b)、1(c)所示。

由圖 1(c)的電流源等值電路得：

(1)

其中,iz為流過被擊物體的電流；iL為雷電流；z0為雷道波阻抗；zj為接地電阻。由式(1)可知,電流iz與接地電阻zj大小成反比。

圖1 直擊雷過電壓電路模型及等值電路

2.2 基于經驗公式的計算方法

首先確定輸電線路的雷擊區域D,當雷擊點距線路垂直距離SD時,雷擊大地。雷擊耐雷水平為

(2)

其中,BIL為線路絕緣水平,kV；我國除少數地區雷電流幅值概率分布：

(3)

其中,I為雷電流幅值；P為大于I的雷電流幅值的概率。則絕緣子閃絡的概率：

PF=10-ID/88

(4)

直擊雷跳閘率：

FD=0.2γTdD10-ID/88

(5)

式中,γ為地面落雷密度,Td為雷暴日。其中,單位為次/(100km·a)。

3 建立某架空輸電線路模型

本文以某35kV架空輸電線路為例,屬于鐵塔-砼桿架空混合線路,導線采用LGJ-185/30型鋼芯鋁絞線,兩端約1.5km的線路段均架設避雷線,型號GJ-35。線路總長9.6km,共用桿塔46基,其中鐵塔25基,砼桿21基,相鄰桿塔間隔為200m。在PSCAD軟件中建立雷電流、桿塔、輸電線路閃絡模型。

圖2 雷擊線路模型

3.1 雷電流模型

雷電流波形呈脈沖形式。按照標準雷電沖擊波有：雙指數波形、斜角波形和半余弦波形等波形。其中本文采用雙指數函數波形[6]來對線路模型進行仿真計算,表達式為

i(t)=AIm(e-αt-e-βt)

(6)

其中：Im為雷電流幅值；α、β分別為時間常數,由t1、t2確定。

圖3 雷電流仿真電路

通過仿真分析,一般情況下35kV輸電線路的耐雷水平在30kA左右。其中雷電流的幅值是由雷云中的電荷決定的,符合實際情況。本文中的雷電通道模型選用一個Z0=300Ω的雷電通道波阻抗和一個受控電流源并聯,該并聯后的電路作為等效雷電通道。雷電通道波阻抗取300Ω。雷電流幅值為30kA,波形參數取2.6/50μs。

圖4 2.6/50μs雷電流仿真波形

3.2 桿塔模型

雷擊桿塔時,雷電流沿桿塔流入大地,由于先導過程使電位升高,形成反擊過電壓。若該電壓的幅值超過絕緣子耐壓水平,絕緣子即發生閃絡。因此,桿塔模型的選擇對直擊雷過電壓的分析十分重要。

根據標準[2]該輸電線路有門型桿和直線桿兩種類型的桿塔[8]。其中該線路所用的桿塔為門型桿。通過PSCAD的仿真模型,雷擊情況下的輸電線路桿塔波阻抗對其塔頂電位有直接的影響。因此桿塔采用單一波阻抗模型來模擬。根據DL/T620-1997,選取門型波阻抗為250Ω,波速為290m/μs。考慮到橫擔的影響,門型桿橫擔波阻抗取300Ω。其中波阻抗用PSCAD/EMTDC中線路的Bergeron模型等效。

圖5 門型桿塔仿真模型

將雷電流直接加在門型桿塔塔頂上,可得到桿塔塔頂電壓的仿真波形。

圖6 塔頂過電壓波形

3.3 絕緣子閃絡模型

防雷仿真中,取絕緣子的閃絡特性,模型采用壓控開關模型來模擬。通過控制絕緣子兩端的電壓,當達到絕緣子50%沖擊擊穿電壓幅值時,開關即閉合,意味著絕緣子閃絡放電。

表1 懸式絕緣子串雷電沖擊閃絡電壓

常用絕緣子的50%沖擊閃絡電壓U50%的計算公式：

U50%=533LX+132

(7)

式中,U50%為絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓；LX為絕緣子串長度。

絕緣子伏秒特性公式：

US(t)=(1+1.28/t)U50%

(8)

圖7 絕緣子串閃絡

判據絕緣子閃絡方法：絕緣子串電壓幅值在放電過程中逐漸增加,與伏秒特性曲線相交時,絕緣子即發生閃絡。

4 防雷水平仿真分析

現有階段該輸電線路已經采取了一定的措施,但是從實際運行情況來看,這些措施的防雷效果不盡理想。線路耐雷水平是指保證絕緣子不發生閃絡所能承受的最大雷電流。

4.1 接地電阻對耐雷水平的分析

圖8 雷擊仿真模型

將接地電阻以5Ω、10Ω、15Ω、25Ω不同的情況進行仿真,得到線路耐雷水平結果如表2所示：

表2 接地電阻對耐雷水平的影響

仿真結果表明：在線路未采取任何措施時,桿塔的接地電阻是影響輸電線路反擊耐雷水平的重要參數[10～13]。當雷電流通過桿塔及其接地裝置向大地散流時,使塔頂電位升高起主要作用的是沖擊接地電阻而不是工頻接地電阻。因此要降低線路的雷擊跳閘率,主要措施之一是降低線路桿塔的沖擊接地電阻。改造實施時必須最好接地,使電阻達到規定[2]10Ω要求以下。

4.2 避雷器對線路耐雷水平的分析

4.2.1 避雷器仿真模型

在PSCAD中搭建的避雷器模型如圖9所示。其中電阻R取1MΩ,非線性電阻伏安特性數據按表取值：

(9)

(10)

其中：Ur1/T2為陡波沖擊電流殘壓,Ur8/20為雷電沖擊電流殘壓,Un為額定電壓,單位均為kV。

求得電感L0=0.67μH;L1=2.01μH。

表2 避雷器參數

圖9 HY5WX-54/142避雷器模型電路圖

4.2.2 安裝線路避雷器對耐雷水平仿真分析和改造

1) 避雷器對線路耐雷水平的影響

圖10 雷擊桿塔示意圖

為保證避雷器能夠有效地保護絕緣子串,在避雷器保護范圍外也盡量避免發生雷擊事故,首先要依據運行經驗選出整條線路中易受雷擊的桿塔,確定雷擊的幾個段落,分別在該段落遭受雷擊桿塔處裝設新型懸掛式線路避雷器,以保護線路絕緣不在雷擊過電壓下閃絡。雷擊中間桿塔頂,在雷擊桿的兩側鄰桿集中安裝三組避雷器,并同時改變接地電阻,通過仿真觀察避雷器對線路耐雷水平的影響。

圖11 避雷器、接地電阻對耐雷水平的綜合影響

根據仿真可以看出,安裝避雷器線路耐雷水平明顯優于不安裝避雷器,如果適當控制接地電阻,線路可以達到很高的耐雷水平,從而達到很好的避雷效果。

2) 避雷器安裝方案

根據已發生雷擊的地形,結合運行檢修人員巡線情況,建議該輸電線路2#～10#、11#～18#、21#～26#、30#～36#線路段共計13基桿塔加裝線路避雷器,每基每相各安裝一個,如表4所示。

表4 避雷器安裝桿塔表

5 結語

1) 本文利用PSCAD軟件對雷電流、桿塔和絕緣子串進行建模,建立雷擊輸電線路仿真模型。以某35kV輸電線路為例,對影響線路桿塔防雷水平的接地電阻和避雷器進行仿真分析。結果顯示：雷擊桿塔時,安裝一組和三組線路避雷器時的耐雷水平最高可達到未安裝的2.1和5.6倍。因此,在安裝線路避雷器的同時控制接地電阻的大小可有效提高線路的耐雷水平。

2) 結合現場勘查情況,鑒于大部分線路段均未架設避雷線,且塔位地勢突出,后續全線30基鐵塔均加裝避雷器；將直線串絕緣子數量由3片提高到4片,將耐張絕緣子數量由4片增加到5片,來加強線路絕緣；將桿塔的工頻接地電阻降到規程規定的10Ω以下。

3) 采取以上防雷改造措施后,實際運行表明效果良好。

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Lightning simulation of A Transmission Line Based on PSCAD

GUO Kunli1SONG Xiaofei1WANG Jianbo2WANG Meng1ZHANG Yongyi1

(School of Electronic and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048)

Lightning often cause is flashover of transmission line tower insulator string, which has brought great influence to the electric power operation. The lightning 35kV overhead transmission lines lightning current model, circuit model and the tower model is established. PSCAD/EMTDC simulation software is used to analyze lightning withstand level effect of the lightning arrester and the reduction of grounding resistance. When the rod tower is struck by lightning, the lightning protection level increases 5 times after installing lightning arrester compared with the lightning protection, and the direct effect is obvious. The simulation analysis can provide an important reference for the lightning protection of the 35kV overhead transmission line.

over head transmission line, lightning protection, PSCAD/EMTDC, line surge arresters

2016年9月10日,

2016年10月27日

2016年大學生創新創業訓練計劃項目

郭昆麗,女,副教授,研究方向：電力系統運行分析與控制。宋曉菲,女,碩士研究生,研究方向：控制工程。

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.031