基于VB的輸電線路耐雷水平與雷擊跳閘率的計(jì)算與分析

李恩佳

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021)

輸電線路是傳輸電能的“高速公路”，我國目前輸電距離最長的±800kV高壓直流輸電線路工程酒湖線全長2383km，輸電線路穿梭于崇山峻嶺之間，線路運(yùn)行海拔最高超過1900m，線路所經(jīng)過的地區(qū)地理環(huán)境多變，氣候條件復(fù)雜，輸電線路極易遭受到雷電侵襲。與此同時(shí)，雷電產(chǎn)生的強(qiáng)大電流會(huì)沿輸電線路侵入到系統(tǒng)變電所和重要的用電負(fù)荷部門，對(duì)人員和電氣設(shè)備產(chǎn)生巨大的威脅。因此，對(duì)線路的防雷保護(hù)應(yīng)該予以十分充分的重視。

1 耐雷水平和雷擊跳閘率

雷擊線路時(shí)，其絕緣尚不至于發(fā)生閃絡(luò)的最大電流幅值或能引起絕緣閃絡(luò)的最小雷電流幅值(kA)。當(dāng)耐雷水平高于雷電流擊于線路時(shí)是不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象的；而當(dāng)耐雷水平低于雷電流擊于線路時(shí)就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象的。

每百公里線路、40雷電日，由于雷擊引起的開斷數(shù)(重合成功也算一次)，稱為該線路的雷擊跳閘率。

1.1 耐雷水平的計(jì)算及耐雷水平的比較結(jié)果

1.1.1 雷擊桿塔塔頂時(shí)的耐雷水平的計(jì)算

計(jì)算公式如下：

I=U/[(1-k)b(R+L/2.6)+(1-k)h/2.6]

(1)

式中，b—設(shè)計(jì)通常長度檔距的線路桿塔所取的分流系數(shù)值，見表1；U—絕緣子串的50%沖擊閃絡(luò)電壓；L—單位桿塔電感；R—桿塔接地電阻；k—電暈下的耦合系數(shù)。

表1 分流系數(shù)表

在線路的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)降低桿塔接地電阻R，以及提高耦合系數(shù)k這兩種方法提高輸電線路的耐雷水平。

1.1.2 雷擊避雷線檔距中央時(shí)

假如雷擊避雷線檔距中央時(shí)，雷擊點(diǎn)的阻抗為z/2，雷電流為Iz=iL/(1+zb/2z0)。計(jì)算收到雷擊位置的電壓為uA=iz×zb/2=iLz0zb/(2z0+zb)，電壓波uA從遭受雷擊的位置沿著避雷線向最近的桿塔運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)過L/2vb時(shí)間(L為兩桿塔之間的距離，vb為雷電流在避雷線中傳播的速度)后到達(dá)最近的桿塔；又由于桿塔接地，將會(huì)產(chǎn)生相反的反射波回到雷擊的位置，再次經(jīng)過L/2vb時(shí)間，假如雷電流還未達(dá)幅值2×(L/2vb)，則雷擊點(diǎn)的電位自負(fù)反射波到達(dá)之時(shí)開始下降，故雷擊點(diǎn)的最高電位將出現(xiàn)在t=2×(L/2/vb)時(shí)刻。

雷電流假如是斜角波iL=at，雷擊點(diǎn)電位為：

UA=a×(/vb)×[(z0×zb)/(2z0+zb)]

(2)

考慮到避雷線和導(dǎo)線產(chǎn)生的耦合作用，會(huì)產(chǎn)生耦合電壓KuA，所以避雷線遭受雷擊的位置，與導(dǎo)線間的空氣間隙s上所承受的最大電壓Us=UA(1-k)，由此可以推斷，空氣間隙s上的電壓的高與低，與耦合系數(shù)k，雷電流陡度a以及檔距長度L是相關(guān)聯(lián)的。故當(dāng)電壓超過空氣間隙s的放電電壓時(shí)，空氣間隙會(huì)被過電壓擊穿而發(fā)生短路事故。

1.1.3 繞擊時(shí)的過電壓和耐雷水平

當(dāng)輸電線路裝有避雷線時(shí)，雷電也有可能繞過避雷線而擊中線路。在這樣的情況下，線路上的絕緣子串會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。

電氣幾何模型的特征參數(shù)如圖1所示。

圖1 電氣幾何模型的特征參數(shù)圖

臨界擊距rsc：是線路能承受繞擊雷能力的擊距。當(dāng)臨界擊距rsc大于擊距時(shí)，是不會(huì)發(fā)生絕緣子串的閃絡(luò)。繞擊耐雷水平計(jì)算式:

IFO=2×(CFO)/Z

(3)

式中，CFO—線路發(fā)生臨界閃絡(luò)電壓值，Uso%，kV；Z—線路導(dǎo)線阻抗，Ω。

最大擊距rsmax：這是由桿塔幾何尺寸及地形決定的一個(gè)擊距。當(dāng)rsmax小于擊距時(shí)，不會(huì)發(fā)生繞擊相導(dǎo)線。計(jì)算rsmax的公式如下：

(4)

暴露弧線和屏蔽弧線：一個(gè)擊距為r的先導(dǎo)頭到達(dá)弧線ab的位置時(shí)，先導(dǎo)將對(duì)導(dǎo)線閃絡(luò)；當(dāng)先導(dǎo)頭到達(dá)弧線be時(shí)，將對(duì)屏蔽線產(chǎn)生閃絡(luò)；當(dāng)先導(dǎo)頭到達(dá)弧線ad時(shí)，將對(duì)地面閃絡(luò)。故稱弧線be為屏蔽弧線，把弧線ab叫做暴露弧線。

臨界保護(hù)角θsc：指的是桿塔的外形尺寸與絕緣性能達(dá)到所要求的水平時(shí)，rsmax≤rsc暴露弧線降為零，繞擊跳閘將不會(huì)發(fā)生。

當(dāng)rsmax=rsc時(shí)，θsc=θg+arcsin(1-y/rsc)-arcsinC/2，

式中，θsc即稱臨界保護(hù)角，通常是把線路設(shè)計(jì)的保護(hù)角與臨界保護(hù)角，作對(duì)比性的分析，從而做出相應(yīng)的結(jié)論。

通過仿真計(jì)算與分析，以110kV及220kV各3種不同外形尺寸的桿塔模型，得出輸電線路耐雷水平與雷擊跳閘率是計(jì)算結(jié)果為：

110kV輸電線路，單回線路，具有雙避雷線，其耐雷水平高于只有單避雷線的線路，高39.7%～48.3%；同樣具有雙避雷線的輸電線路，雙回線路的耐雷水平要低于單回線路，低13.4%～11.6%；220kV輸電線路，杯型塔的耐雷水平均高于鋼筋混凝土單桿和雙回塔，分別高21.8%～16.6%和13.5%～8.4%。

1.2 雷擊跳閘率的計(jì)算

一條線路的雷擊跳閘次數(shù)與線路長度、雷電日的多少、以及防雷措施的好壞有關(guān)，為了分析比較二條線路防雷措施的好壞，故引入了雷擊跳閘率的概念。

在雷電過電壓的情況下，線路絕緣發(fā)生閃絡(luò)，然后從沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧，引起線路跳閘。

具體的計(jì)算如下(討論的都是有避雷線的線路)。

1.2.1 雷擊桿塔時(shí)的跳閘率

每百公里線路、40雷電日，落雷次數(shù)為N=0.28(b+4hb)次，其中hb為避雷線對(duì)地平均高度。假設(shè)擊中桿塔的概率為n，則每百公里線路每年雷擊桿塔次數(shù)為0.28(b+4hb)n次；，假設(shè)I1和P1分別為：雷擊桿塔時(shí)的耐雷水、雷電流幅值超過I1的概率，r為建弧率，則百公里線路每年雷擊桿塔的跳閘次數(shù)n1=0.28(b+4hb)n×r×P1。

建弧率以η表示，可按下式計(jì)算：

η=4.5E0.75-14(%)

(5)

對(duì)于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)有：

(6)

對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)有：

E=U/2l

(7)

式中，E—絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度。

其中擊桿率按地形的不同可以有不同的取值，具體見表2。

表2 擊桿率表

1.2.2 繞擊跳閘率

設(shè)繞擊率為Pa，百公里線路每年繞擊次數(shù)為0.28(b+4hb)Pa，假設(shè)I2和P2分別為：繞擊時(shí)的耐雷水平雷電流幅值超過I2的概率，則每百公里線路每年的繞擊跳閘次數(shù)為：

n2=0.28(b+4hb)r×Pa×P2

(8)

1.2.3 線路雷擊跳閘率

當(dāng)避雷線和導(dǎo)線的空氣間隙距離s，在檔距的中央處時(shí)，滿足式s=0.012L+1，則雷擊避雷線檔距中央一般不會(huì)發(fā)生擊穿事故，故其跳閘率可視為0。因此，線路雷擊跳閘率：

n=n1+n2=0.28(b+4hb)r(gP1+PaP2)

(9)

經(jīng)過計(jì)算結(jié)果比較，得出以下的結(jié)論：

110kV單回輸電線路，為門型鋼筋混凝土雙桿塔，雷擊跳閘率山區(qū)比平原高66.7%；220kV單回輸電線路，杯形鐵塔，雷擊跳閘率山區(qū)比平原高73.2%。

2 基于VB程序計(jì)算耐雷水平和雷擊跳閘率

各電壓等級(jí)下參數(shù)的取值見表3。

表3 各電壓等級(jí)參數(shù)表

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時(shí)，擊桿率為1/4時(shí)，程序運(yùn)行的結(jié)果見表4。

表4 運(yùn)算結(jié)果1

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時(shí)，擊桿率為1/3時(shí)，程序運(yùn)行的結(jié)果見表5。

表5 運(yùn)算結(jié)果2

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時(shí)，擊桿率為1/6時(shí)，程序運(yùn)行的結(jié)果見表6。

表6 運(yùn)算結(jié)果3

通過上面的表格中的數(shù)據(jù)可以看出，耐雷水平隨輸電線路電壓等級(jí)的升高而增加；線路總的雷擊跳閘率隨著桿塔接地沖擊電阻的增大相應(yīng)增大。同一電壓等級(jí)下，雷擊桿塔時(shí)的雷擊跳閘率隨著擊桿率的增大而相應(yīng)增大，線路總跳閘率也相應(yīng)的增加。另外，研究發(fā)現(xiàn)桿塔的沖擊接地電阻的增大，同一電壓等級(jí)下，線路雷擊跳閘率相應(yīng)增加。

3 結(jié)語

耐雷水平越高，線路的耐雷性能好，雷擊跳閘率越小，線路的耐雷性能相對(duì)也較好。通過研究桿塔沖擊接地電阻與跳閘率的關(guān)系表明，隨著桿塔沖擊接地電阻的增大，跳閘率也響應(yīng)的增大；輸電線路電壓等級(jí)越高，耐雷水平也相應(yīng)地增大。圍繞耐雷水平和雷擊跳閘率兩項(xiàng)指標(biāo)的仿真計(jì)算，將直接影響對(duì)輸電線路的設(shè)計(jì)方案，從而在設(shè)計(jì)過程中提供極其重要的設(shè)計(jì)依據(jù)和意義。在眾多的仿真計(jì)算中往往都忽略了輸電線路運(yùn)行中工頻電壓的影響，工頻電壓的影響在仿真計(jì)算中會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來誤差，越是電壓等級(jí)高的線路誤差越大，這是在未來的研究中亟待進(jìn)一步解決的問題。