兩種常用輸電線路防雷性能計算方法的比較

兩種常用輸電線路防雷性能計算方法的比較

1桿塔模型的計算電力線路的可靠運行是供電線路設計階段應考慮的主要因素。閃電是造成供電線路故障的主要原因。因此，要對供電線路進行防洪工程的性能評估，是供電線路設計部門的一項重要任務。防雷性能評估主要是線路耐雷水平和雷擊跳閘率的計算。近年來隨著同桿并架技術的成熟,線路的同時跳閘率也成為考核線路防雷性能的一項重要指標。根據(jù)以往對架空輸電線路的觀察統(tǒng)計,雷電直擊架空導線的機會很少,大部分雷擊發(fā)生在傳輸桿塔的頂部。桿塔頂部的雷電流沿桿塔進入大地時,會在桿塔上產生電壓,使桿塔電位升高,絕緣子串發(fā)生反擊閃絡。因此在電力系統(tǒng)中,桿塔模型的選擇對于進行反擊閃絡時的雷電性能分析十分重要。近幾十年,世界各國都非常重視這方面的研究,且已研究出了許多輸電線路的計算模型。其中最具有代表性的是傳輸線桿塔的波阻抗模型和電感模型。我國現(xiàn)行規(guī)程的防雷計算方法采用的是桿塔電感模型,它是對單回輸電線路進行理論研究、運行統(tǒng)計總結后得出的,采用該方法進行高桿塔或同桿雙回線路防雷性能的計算時,計算結果往往過于保守,造成線路建設投資過大。20世紀70、80年代武漢高壓研究所曾對高塔波阻抗進行了測量研究,并用測量所得波阻抗進行了高壓輸電線路仿真計算,但國內有關專家對此沒有達成共識,也就沒有形成國家標準。因此按照國外常用的桿塔波阻抗模型進行計算,既不符合國家標準,計算出的耐雷水平又普遍偏大,且這兩種方法的計算結果都是雙回同時跳閘,這與實際情況不符。因此研究適應同桿雙回輸配電技術的防雷計算方法,尤其是對同桿雙回線路雷擊同時跳閘率計算方法的研究已成為現(xiàn)代防雷和過電壓研究的重要課題。本文將對波阻抗模型和電感模型在基本原理、計算方法、使用的難易程度、計算的誤差及存在的問題這幾方面進行討論和比較,為線路設計部門進行防雷計算提供參考,最終目的是強調這兩種方法的不足之處,指出研究新的防雷性能計算方法的迫切性。2這兩種模型的基本原則2.1桿塔應力電壓桿塔的電感等效模型如圖1所示。圖中,Ri為桿塔沖擊接地電阻;LT為桿塔等效電感;Ls為避雷線等效電感;Up為桿塔橫擔電壓;Uin為絕緣子兩端電壓;Utop為桿塔頂部電壓;Uc3為相導線3上的電壓;Ic為相導線中通過的電流;Zc為導線的波阻抗。雷電流i(i=at,a為時間系數(shù))擊于桿塔頂部時,一部分通過桿塔流入大地,即iT,另一部分經避雷線分流為is。如桿塔分流系數(shù)用b表示,則通過桿塔的電流為根據(jù)分壓原理,桿塔橫擔電壓Up為沖擊接地電阻上的電壓與相應橫擔高度電感的電壓之和,即式中L0為桿塔單位長度的電感值,μH/m;hp為橫擔高度。雷擊桿塔在導線上產生的電壓Uc為由雷擊桿塔時避雷線與導線之間的耦合電壓和雷擊通道對導線的感應電壓共同決定。工程計算中規(guī)程推薦的計算公式為式中k為計及電暈影響的耦合系數(shù);Utop為桿塔頂部電壓,,hT為桿塔高度;a取值為雷電流平均陡度值,kA/μs;hc為導線離地平均高度;k0為避雷線與導線之間的幾何耦合系數(shù);hg為避雷線對地平均高度;τf為雷電流波頭,τf=2.6μs;t為時間,表明感應電壓隨時間呈線性變化。絕緣子串電壓等于桿塔橫擔電壓與導線電壓之差,其表達式為求出每一絕緣子串電壓后,通過比較絕緣子電壓與絕緣子的伏秒特性,可確定絕緣子閃絡的雷電流幅值,即耐雷水平。2.2桿塔、避雷線合并抗桿塔傳輸線波阻抗模型的計算原理如下:(1)雷電流通過桿塔的波阻抗、接地電阻以及與桿塔相連的避雷線時,產生初始塔頂電壓分量。在兩倍的桿塔傳播時間后,從桿塔底部返回的雷電流反射波開始使塔頂電壓降低。這也使得塔頂電壓波形比注入電流源波形的持續(xù)時間短得多。(2)經兩倍的檔距傳播時間后,從鄰近桿塔傳來的連續(xù)反射波開始對桿塔電壓產生影響,這些分量使塔頂電壓進一步降低,但計算中一般認為避雷線在鄰近桿塔處接匹配阻抗,因此可以不考慮這個反射波。(3)避雷線與導線之間的耦合給導線引入一個重要的電壓分量。當避雷線尚未發(fā)生電暈時,耦合系數(shù)等于通常的互阻抗與自阻抗之間的比值,而將電暈條件視為待修正的偏差。輸電線路桿塔的傳輸參數(shù)波阻抗模型如圖2所示。圖2中,ZT為桿塔波阻抗,ZA為桿塔橫擔波阻抗,Zs為避雷線波阻抗。設塔頂波阻抗Z0包括與桿塔、避雷線以及桿塔接地系統(tǒng)有關的各分量。塔頂雷電流為i(f),在桿塔底部反射波未到達之前,塔頂電壓為式中t為時間。當電流經過時間τ傳到桿塔底部時,由于桿塔波阻抗ZT與沖擊接地電阻Ri不匹配,會產生折射和反射。設塔底處的折射系數(shù)為α,則沖擊電阻上的電壓為反射回塔頂?shù)碾妷翰樵摲瓷洳ń洉r間τ后返回塔頂,由于桿塔波阻抗與避雷線波阻抗不匹配,在塔頂處又發(fā)生折射的和反射,則經過2τ時間后塔頂處的電壓為設塔頂處的反射系數(shù)為β,則此時塔頂處反射回桿塔的電壓為該電壓到達塔底時,塔底電壓變?yōu)槿绱朔磸驼鄯瓷?任意時刻塔底電壓為任意時刻塔頂?shù)碾妷簽槭街蠳為計算時間內雷電流在桿塔中的最大反射次數(shù),;Ak由塔底和塔頂反射系數(shù)決定。橫擔電壓為式中hpn為計算相橫擔高度。相導線的電壓為最后得出絕緣子兩端電壓為3采用兩種桿塔模型示例進行模擬計算3.1鋼管桿塔沖擊接地電阻的計算計算用的500kV傳輸線桿塔基本數(shù)據(jù)列于表1。各橫擔與主干連接處的寬度為2.2m;主干均采用鋼管結構,鋼管直徑約為120mm;檔距取為450m;采用25片XP-160型絕緣子,單片高160mm,絕緣子串長為4m,U50%=2135kV;桿塔沖擊接地電阻分別取為15?;所用導線為ACSR-720/50型、避雷線為LHBGJ-150/25型,導線的弧垂取為18m、避雷線的弧垂取為14m。3.2磁暫態(tài)仿真計算程序采用雷電流幅值為100kA的斜角波進行計算,波頭長度取為τf=2.6μs。利用電磁暫態(tài)仿真計算程序(EMTP)對圖1和圖2進行仿真計算,計算結果如圖3中的虛線所示。圖3的實線為兩種模型計及工頻電壓時的絕緣子電壓。電感參數(shù)根據(jù)規(guī)范規(guī)定取值,波阻抗則根據(jù)文獻、方法求出。表2為利用仿真結果計算的耐雷水平及計及感應電壓影響的計算電感模型。4其他計算方法的比較(1)從計算的可靠性角度分析雖然兩種模型采用的計算方法都是時域解析法,但桿塔電感模型中絕緣子兩端電壓的計算只與計算時刻輸入到桿塔的雷電流有關,通過電感計算時刻總儲能的形式來體現(xiàn)之前的輸入影響。而桿塔波阻抗模型中絕緣子兩端電壓的計算,既與計算時刻輸入的雷電流有關,又與計算時刻以前輸入的雷電流有關,是前2nτ個時刻輸入雷電流的函數(shù)。由于計算時刻之前的雷電流是通過反射波形式作用于塔頂電壓的,因此塔頂電位比電感模型計算值小,從而降低了絕緣子串的反擊電壓,這從圖3及表2可以看出。因此即使在不考慮感應電壓的情況下,波阻抗模型計算出的同一種桿塔的耐雷水平也比電感模型計算出的耐雷水平高出許多。(2)從解析算法的可操作性角度分析電感模型計算方法概念清楚,且計算簡單,用一般的計算器就可方便地進行工程計算,便于工程中的計算操作。波阻抗模型中的計算方法,由于需要反復計算波的折射、反射,計算任意時刻的電壓時,必須將計算時刻之前的雷電流影響計算進去,塔頂電壓及橫擔電壓的計算公式中都包含一長串等比級數(shù)。此外,該方法的解析計算一般都要指定計算的時間,如計算雷擊2μs時的絕緣子兩端電壓和6μs時的絕緣子兩端電壓,然后取較大值作為耐雷水平計算值。顯然,指定時刻不一定是絕緣子兩端電壓的最大時刻,這種誤差與電感模型相比可能更大。如圖3(a)上、中、下三相絕緣子的電壓在2.6μs取得最大值,雷擊2μs時和6μs時的絕緣子電壓列于表3,與表2對比發(fā)現(xiàn)其誤差比電感模型的大得多,這是由模型的固有特性造成的。桿塔的波阻抗模型適于進行仿真分析,但它并不是工程計算的好方法。(3)從導線上感應電壓的影響角度分析表2中的第一列和第二列數(shù)據(jù)分別是桿塔波阻抗模型和電感模型的仿真計算結果。仿真計算中由于無法確切給出引入感應電壓后的等效電路,無法考慮雷擊桿塔時導線上感應電壓的影響,所得計算結果過于理想化;而電感模型的計算解析公式簡單,可以方便計及感應電壓的影響,表2中的第三列為考慮感應電壓的計算結果,波阻抗模型計算方法不方便考慮感應電壓的影響,實際計算中也沒有考慮其影響。雖然目前對感應電壓大小的確定還有爭議,但完全不考慮感應電壓的影響是不科學的。研究表明,雷擊桿塔時,避雷線可以完全屏蔽導線不受直擊雷通道電荷的電場影響,但對于側擊雷的通道電荷電場起不到完全屏蔽的作用,因此在整個引雷區(qū)間認為導線感應電壓為零是不對的。特別是對于同桿雙回輸電線路,側擊雷時兩條回路的感應電壓肯定是不相等的。(4)從計入工頻電壓的角度分析文獻提出了計及導線上工頻電壓對耐雷水平影響的公式,認為工頻電壓是影響跳閘相的主要原因。例如不計及工頻電壓時計算的耐雷水平最低相導線為垂直排列的下相導線,計入工頻電壓的影響時,可能上相導線處于電壓低峰而使上相導線絕緣子電壓最高導致閃絡跳閘。事實上當不改變上、中、下導線的相序時,工頻電壓只影響總的耐雷水平,而不會影響上、中、下三相垂直排列導線的耐雷水平的大小順序。由圖3中的實曲線可見,工頻電壓對各相耐雷水平的影響是不同的,降低了下面一相絕緣子的耐雷水平,提高了最上面一相的耐雷水平。(5)兩種模型計算的耐雷水平都有相同的局限性兩種模型都無法計算同桿并架輸電線路的同時跳閘率。由前述計算方法可知,除了繞擊造成單回路跳閘外,反擊均引發(fā)雙回或多回同時跳閘,這顯然不符合實際。這是兩種模型都需解決的問題。至于通過調整相序和采用不平衡絕緣來降低同時跳閘率的方法也均不符合實際。實際運行中沒有那么高的同時跳閘率,而計算結果中的同時跳閘率幾乎是100%,這顯然是計算方法的問題,而不是實際線路防雷性能的問題。因此通過調整相序和采用不平衡絕緣是不科學的,計算發(fā)現(xiàn)這兩種方法都會增加線路總跳閘率,經過實踐證明也是不可行的。實際上,同時跳閘率與感應電壓的計算方法很有關系,作者已對同桿并架輸電線路的同時跳閘率和感應電壓的計算方法進行了研究,得知垂直雷擊時基本發(fā)生同時跳閘,側擊雷時多發(fā)生單回路跳閘。5感應電壓的計算桿塔的電感模型計算方法在實際工程應用中可操作