雷电绕击跳闸率（通用3篇）
雷电绕击跳闸率 篇1
近年来, 随着我国的社会经济得到了快速的发展, 国民的用电负荷也不断增加, 输电距离和输送容量大大增加是电力系统发展的趋势。输电走廊越来越长, 来由此带来的输电走廊与耕地资源保护的矛盾问题越来越严峻。同塔并架多回输电线路与常规单回架空线路相比, 因其所需的输电尺寸和走廊明显减少、投资少、单位输送容量明显提高、带来的经济效益十分显著等特点, 可以很好的改善输电走廊与耕地资源保护这一矛盾。在我国, 500k V、750k V同塔并架多回输电线路在南方已经得到大力推进和运行。由此带来的经济效益也是十分显著的, 例如500k V伊冯双回输电线路, 此线路经过大兴安岭林区, 由于采用同塔并架双回输电线路, 很大程度上减少了需要砍伐的树木数量, 不仅环保, 也节约了输电走廊的建设成本达到上亿元人民币。
架设多回输电线路也遇到一些新问题。主要有以下两个, 一是由于同塔并架多回线的杆塔比传统单回线路的杆塔更高, 其引雷宽度更大、雷击塔顶引起反击跳闸的概率更高, 同时由于此类杆塔的电感更大, 感应过电压更高, 杆塔塔顶的电位也将更高, 这对防止雷电反击是十分不利的。二是由于多回输电线路架设在同一杆塔上, 当遭遇幅值较大的雷击时, 很有可能发生两回及以上多回线路同时跳闸的故障, 与单回输电线路跳闸故障相比, 此故障对系统的可靠运行的影响更为严重。综上所述, 为了有效的降低线路的雷击跳闸率, 减轻这类雷害跨线故障的影响, 深入研究同塔 (杆) 多回输电线路的雷电跳闸率的影响因素, 探究如何从改变绝缘方式、导线排列位置、杆塔接地点等角度提高线路运行的稳定性具有重要意义。
1 雷电反击仿真模型的建立
本文基于垂直导体不同高度处的波阻抗是不同的原理, 建立500k V韩汕甲乙线路中铁塔的等效多波阻抗电磁暂态仿真模型, 如图1中用不同的波阻抗构成的杆塔模型。将雷电的物理过程简化为一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地面传播的电磁波过程, 用带有阻抗的电流源I等效。采用LCC中计及线路频率效应的JMarti模型仿真输电线路, LCC的设置与线路的长度、土壤电阻率、导线悬挂位置有关。将绝缘子串等效为动作电压为临界放电电压U50%的压控开关, 通过分析绝缘子串两端电压是否大于临界放电电压U50%, 确定线路的耐雷水平, 用与杆塔臂相连的压控开关等效。同时, 本次计算中为使防雷分析更加准确, 计入线路工作电压、耦合和感应电压U’的影响, 具体表现在绝缘子串压控开关的电压重新设置为 (U50%-U’) 上。
本文通过改变线路的绝缘方式、绝缘子片数、接地电阻以及两回线路导线的排列相序, 研究对线路的跳闸率的影响。首先对本章以下在计算中所采取的默认计算条件加以说明, 凡是在表格中没有特别注明的都是在默认条件下计算的。默认计算条件为绝缘子片数29/29 (表示一回路每相绝缘子片数为29片, 另一回路每相绝缘子片数为29片) 、逆相序排列如图1所示, 杆塔接地电阻为10Ω。
2 雷电反击跳闸率的影响因素
2.1 绝缘方式对反击跳闸率的影响
本文研究的500k V韩汕甲乙双回输电线路的I型悬垂串为单联组合, 采用玻璃绝缘型号为LXY4-210, 每片长度170mm, 每串29片, 采用平衡绝缘。通过使绝缘差异化, 采用29/28、29/29、29/30等方式, 得到不同的反击跳闸结果, 如表1所示。
由表1可以发现, 线路的绝缘方式对反击跳闸有一定的影响, 当线路采用不平衡高绝缘方式时, 即加强一回线路的绝缘强度如29/30时, 单回反击跳闸率几乎不变, 双回跳闸率降低了45.0%。原因是由于一回路的绝缘水平比二回路的低, 故一回路先发生闪络, 所以位于一回路上横担的A相决定线路的绝缘水平, 一回路的绝缘水平并未改变, 故单回反击跳闸率的几乎没变, 由于二回路的绝缘水平提高, 所以双回跳闸率大大降低。若采用不平衡低绝缘方式, 即降低二回路的绝缘强度如29/28, 单回反击跳闸率将升高了34.4%, 双回反击跳闸率将升高了34.4%, 双回反击跳闸率提高的原因是由于二回路的绝缘强度降低, 单回线路也提高的原因是一回路的绝缘水平比二回路的高, 故二回路先发生闪络, 所以位于二回路上横担的B相决定线路的绝缘水平, 二回路的绝缘水平降低, 故单回反击跳闸率提高。由于由此可见, 通过采用不平衡高绝缘方式, 可以有效的降低线路的双回反击跳闸, 减小跨线故障的产生。
2.2 绝缘子片数的影响
在默许条件下, 将每相导线悬垂串的绝缘子片数依次设置为28片、29片、30片, 得到的反击跳闸结果如表2所示。
表2可知, 当线路采用平衡绝缘时, 不同绝缘子片数对反击跳闸率的影响也很大, 例如绝缘子片数由28片变到29片, 单回反击跳闸率降低了25.6%, 双回反击跳闸率降低了25.6%, 由29片变到30片, 单回反击跳闸率降低了25.8%, 双回反击跳闸率降低了45.0%。通过在一定经济范围内, 增加每相导线的绝缘子片数, 提高线路的绝缘水平, 可以有效的降低线路单回和双回反击跳闸率, 提高线路的可靠性。
2.3 接地电阻的影响
杆塔的接地电阻与所处位置的土壤的电阻率、土质以及潮湿程度等因素有关, 各个杆塔所处位置的土壤情况是不一样的, 因此研究接地电阻对跳闸率的影响是有重要意义的。接下来, 在其它条件不变的情况下, 分别选取5Ω、10Ω、15Ω、20Ω作为杆塔的接地电阻, 线路的反击跳闸情况如表3所示。
从表3中可以看出, 接地电阻值对反击跳闸率的影响很大, 当接地电阻从5Ω、10Ω、15Ω, 依次增加到20Ω时, 单回闪络的雷击跳闸率依次增加了524.4%、119.2%、119.2%, 双回闪络的雷击跳闸率依次增加了38倍、380.6%、217.2%, 原因是, 接地电阻越高, 使得绝缘子与杆塔相连一侧的负极性电压的幅值更高, 绝缘子两端的电压差越高, 更容易发生闪络, 因此雷击跳闸率越高。通过选择合适的杆塔位置, 减小杆塔的接地电阻, 可以有效地降低线路的反击跳闸率, 改善反击跳闸情况。
2.4 导线排列相序的影响
对于同塔并架双回输电线路, 两回线路导线的排列方式主要有两种相序, 一个两回线路的导线不对称排列, 被称为逆相序;二是两回线路的导线对称排列, 被称为同相序。接下来我们对三个不同相序的排列方式下的线路反击跳闸率进行研究, 其中两个排列方式属于逆相序, 如图2 (a) 、图2 (b) 所示, 另外一个排列方式属于同相序, 如图2 (c) 所示, 线路的反击跳闸情况如表4所示。
由表4, 可以发现对于不同的导线逆相序排列的线路, 单回闪络跳闸率和双回闪络跳闸率均相同。同相序线路和逆相序线路的单回闪络跳闸率相同, 但是同相序线路的双回闪络跳闸率比逆相序线路的高出119.2%, 原因是同相序的两根导线排列在同一水平位置, 发生闪络的概率相近, 所以双回同时闪络的概率大大提高, 故在双回线路的布置上, 要尽量避免同相序, 应选择逆相序排列导线。
3 总结
本文利用电磁暂态仿真软件EMTP-ATP对500k V的同塔并架多回线路的反击跳闸率进行研究, 得到以下四个结论:相同条件下, 相比于平衡绝缘的线路, 采用不平衡高绝缘的绝缘方式, 双回反击跳闸率将得到有效的降低;相同条件下, 绝缘子片数对跳闸率有显著影响, 每增加一片绝缘子, 可以使单回反击跳闸率降低约25%, 双回反击跳闸率降低约40%;相同条件下, 接地电阻对跳闸率的影响十分明显, 接地电阻越大, 单回及双回同时反击跳闸率越高, 当接地电阻选为5Ω时, 反击跳闸率将大大降低;相同条件下, 同相序排列的线路与逆相序排列的线路相比, 单回闪络跳闸率相同, 但是同相位线路的双回同时闪络跳闸率约为逆相序线路的双倍。因此通过合理的选择杆塔的位置、合理布置导线的排列方式、综合绝缘的成本及产生的效益, 能够有效的降低反击跳闸率, 改善线路的反击耐雷性能。
摘要：本文利用电磁暂态仿真软件EMTP-ATP 500kV同塔并架多回线路进行仿真, 考虑到结合同塔双回线路的特点, 建立杆塔的多波阻抗模型, 输电线路的JMarti模型。仿真计算中计入了雷击时瞬时的工作电压、导线上的感应电压、避雷线对导线的耦合电压等因素。本文对500kV电压等级同塔并架双回线路的反击跳闸率进行了计算, 分析了绝缘方式、绝缘子片数、接地电阻和导线排列相序对线路反击跳闸率的影响, 并提出了合理的建议。
关键词：同塔并架多回线,反击,跳闸率
参考文献
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超高压输电线路雷电绕击探讨 篇2
关键词：改进电气几何模型,雷电绕击跳闸率,超高压线路
0 引言
线路运行经验表明,架空输电线路的雷击跳闸率随着电压等级升高而增加,对超高压线路达到20%～35%,且其绕击跳闸率所占的比例远大于反击跳闸率[1,2,3,4,5]。目前评估输电线路绕击耐雷性能的方法主要有规程法、电气几何模型法和先导发展模型法。规程法认为绕击率与雷电流大小无关,对地面倾角影响只以平原和山区来分;电气几何模型法(EGM)提出了绕击率与雷电流幅值有关,并考虑杆塔尺寸、地形等因素的影响,其结果与近年来的运行经验基本符合;先导发展模型(LPM)尚待运行数据验证。目前,工程上评估输电线路绕击跳闸率主要还是用规程法和电气几何模型法相结合的办法来实施。本文以锦屏一级电站—西昌换流站500 kV同塔双回输电线路为例,基于改进电气几何模型,应用自编软件来评估线路雷电绕击跳闸率水平。
1 改进电气几何模型
经典的电气几何模型没有考虑放电的分散性,没有考虑其它因素对击距的影响,而是假定先导对大地、避雷线、导线的击距相等(即β=1),且是根据杆塔高度较低、保护角较大及接地良好的线路运行数据和模拟试验得到的模型。研究结果表明,对于超高压线路杆塔较高,先导对大地、避雷线和导线的击距是不相等的。随着雷电流幅值的增加,雷电先导对导地线、地面的击距都将增加,但雷电流幅值的变化对击距系数基本没有影响[3,4,5,6]。
1.1 击距与击距系数公式的选择
研究认为先导对避雷线、导线的击距相差不大,在软件中为方便计算,取导地线击距相等,击距公式选择Whitehead模型[7,8,9],它的成功之处是源于输电线路的运行统计数据的大量归纳,且很好地应用于输电线路的屏蔽设计,其击距公式为:
式中:I为雷电流幅值,A;S为击距,m。击距系数取为:
1.2 基于暴露弧投影模型的绕击计算
在经典电气几何模型中,认为雷电流方向垂直于导线,在计算中没有考虑雷电的分散性。本文计算时引入先导入射角的概率分布函数,见图1所示[10,11,12]。其中:ψ为先导入射角;yC、yG分别为导、地线对地距离;Sg为对大地击距;θs为保护角;θ1、θ2为暴露弧的范围;θ3为先导入射点处与圆弧关径的夹角。
由电气几何模型的原理知,可得到线路的暴露弧AB与屏蔽弧AB',如图1所示,B'为屏蔽弧与杆塔纵向轴线的交点。
先导入射角概率分布函数参考国家电网武汉电力科学研究院推荐公式:
可以计算或者画图求出单位长度暴露弧投影长度XS,则基于暴露弧投影模型的绕击跳闸率为:
式中:η为建弧率;Ng为线路每100 km每年遭受雷击的次数;p(I)为雷电流概率分布函数,这里取IEEE推荐公式:
应用中南电力设计院开发的输电线路防雷计算软件,计算评估线路绕击跳闸率,输电线路防雷软件绕击计算流程如图2所示。
2 绕击实例计算
以锦屏一级电站一西昌换流站500 kV同塔双回送出线路为例,导线为4×LGJ-500/45,地线为GJ-100,海拔2 500 m,塔位坡度15°,雷暴日80,杆塔呼高42 m,保护角0°,绝缘子串采用29片U160BP/155(海拔2 500 m),计算典型塔示意图见图3。
应用规程法与改进电气几何模型法,分别计算其绕击跳闸率值,结果见表1。
从表1可知,规程法计算的结果远低于改进电气几何模型,主要原因是规程法只是按山区与平地来计算线路绕击跳闸率,没有考虑杆塔尺寸、雷电流幅值等的影响。
2.1 杆塔高度对绕击跳闸率的影响
大量运行经验表明,当杆塔高度增加时,绕击跳闸率也会增加。以图3的典型杆塔为例,改变杆塔呼高,绕击跳闸率计算结果见表2。雷电绕击跳闸率随杆塔高度变化趋势图如图4所示。
从表2、图4可以看出,随着杆塔高度上升,绕击跳闸率随之也增大。杆塔呼高大于36 m时,雷电绕击跳闸率基本成线性上升趋势。建议在地势较高塔位,尽可能降低杆塔呼高。
2.2 保护角对绕击跳闸率的影响
保护角对输电线路雷电屏蔽性能的影响较大。改变典型塔的保护角大小,绕击跳闸率计算结果见表3。雷电绕击跳闸率随保护角变化趋势图如图5所示。
由表3、图5可知,保护角越大,绕击跳闸率越高,保护角小于-5°时绕击跳闸率小于0.1次/100 km·a,建议雷电活动频繁山区超高压双回路杆塔保护角小于-5°,一般地区双回路不宜大于0°。
2.3 地面倾角对绕击跳闸率的影响
输电线路运行经验表明,地面倾角对输电线路的雷电屏蔽性能有较大影响,山区地段的线路绕击跳闸率大于平原地带。其主要原因在靠近高边坡线路,由于雷电下行先导与大地距离变近,下行先导与上坡侧更容易满足最后跃变发生雷击山坡,故山坡对雷电屏蔽作用加强,而对于下坡侧的线路情况相反。改变地面倾角大小,计算线路的雷击绕击跳闸率,结果见表4。雷电绕击跳闸率随地面倾角变化趋势图见图6所示。
由表4、图6分析可知,当地面倾角大于15°时,绕击跳闸率变化较快,成线性上升趋势;在小于15°时,绕击跳闸率较小,建议线路选线定位时,宜于在不大于15°地形处立塔。
4 结论
基于改进电气几何模型,本文应用自编软件对锦屏一级电站—西昌换流站500 kV同塔双回输电线路的雷电绕击跳闸率进行了相关计算,结果如下:
(1)改进电气几荷模型的计算结果较符合工程实际,规程法的计算结果偏小,工程设计中,建议以改进电气几荷模型法为主,辅以规程法进行相关防雷计算与评估工作。
(2)保护角对雷电绕击跳闸率的影响较大。线路设计时,宜首要考虑减小保护角来提高线路的雷电绕击屏蔽性能。建议雷电活动频繁山区超高压同塔双回路杆塔保护角小于-5°,一般地区不大于0°。
(3)地形因素对雷电屏蔽性能影响较大。当地面倾角大于15°时,绕击跳闸率变化较快,且成线性上升趋势,建议线路选线定位时,于不大于15°地形处立塔。
(4)杆塔越高,雷电绕击跳闸率越大。在塔位地势较高时,宜降低杆塔高度。
参考文献
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山区输电线路的防雷电绕击措施 篇3
电压等级为500kV及其以上的线路跳闸主要不是雷击杆塔时引起的反击而是绕击导线所致。目前评估输电线路绕击耐雷性能方法较多, 对于线路的防雷设计, 主要还是利用规程法和电气几何模型法相结合的办法来实施。
某局输电线路雷击跳闸率占总跳闸率的80%～90%, 其中雷电绕击跳闸率占总雷击跳闸率的90%以上, 如何降低山区输电线路雷电绕击跳闸率一直是个难题。以下在比较多种防雷措施的基础上, 结合辖区线路的具体情况, 提出了适用于山区输电线路的防雷电绕击综合治理新措施。
2 常规防雷措施
2.1 常规防雷措施
1) 架设避雷线:
这是高压超高压线路防雷的基本措施。其作用主要是防止直接雷击导线。同时还有分流作用以减小流经杆塔入地的电流, 从而降低塔顶电位;通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘承受的电压;对导线还有屏蔽作用, 可以降低感应过电压。对于接地电阻难以降低的区域, 甚至可以采取3根避雷线的方式来提高线路的耐雷水平。
2) 降低杆塔接地电阻:
对于一般高度的杆塔, 降低杆塔冲击接地电阻是提高线路耐雷水平降低雷击跳闸率的有效措施。
3) 减小保护角或采用负保护角:
500kV及以上的超高压、特高压线路一般保护角在15度及以下。国外许多超高压线路还根据电气几何模型确定保护角, 要求绕击闪络区为零。
但实际工作中, 在输电线路设计阶段, 由于对成本的控制, 防雷保护角普遍较大。而输电线路防雷运行维护工作中主要是对杆塔接地电阻的检测及改造。另外, 降低杆塔接地电阻只能对杆塔防雷击反击有一定效果。因此, 对于处于强雷区的输电线路由于其防雷措施的单一性, 无法达到防雷要求。
2.2 非常规防雷措施
1) 增强线路绝缘水平、安装耦合地线的防雷措施。
该措施受到一定的条件限制而无法得到有效实施, 如通常采用增加绝缘子片数或更换为大爬距的合成绝缘子的方法来提高线路绝缘, 对防止雷击塔顶反击过电压效果较好, 但对于防止绕击则效果较差, 且增加绝缘子片数受杆塔头部绝缘间隙及导线对地安全距离的限制, 因此线路绝缘的增强也是有限的。而安装耦合地线则一般适用于丘陵或山区跨越档, 可以对导线起到有效的屏蔽保护作用, 用等击距原理也就是降低了导线的暴露弧段。但其受杆塔强度、对地安全距离、交叉跨越及线路下方的交通运输等因素的影响, 因此架设耦合地线对于旧线路不易实施。
2) 安装线路氧化锌避雷器及可控放电避雷针。
这两种方法也有一定的局限性。在所有杆塔上安装成本较高。而可控放电避雷针的效果不是太理想, 安装线路氧化锌避雷器及可控放电避雷针的防雷措施只能选择性的采用。
3) 在避雷线上安装防绕击避雷针:
这种方法的原理是减小防雷保护角, 效果比较好, 但是在我局所辖线路上安装后, 由于避雷线震动经常出现针尖朝上或朝下的现象, 不会始终是45°角。
由于以上措施的局限性, 研究不受条件限制的线路防雷措施就显得十分重要。
3 雷击跳闸分析
输电线路遭受雷击的事故主要与四个因素有关:线路绝缘子的50%放电电压;有无架空地线;雷电流强度;杆塔的接地电阻。输电线路各种防雷措施都有其针对性, 因此, 在进行输电线路设计时, 我们选择防雷方式首先要明确高压送电线路遭雷击跳闸原因。
输电线路绕击成因分析:根据输电线路的运行经验、现场实测和模拟试验均证明, 雷电绕击率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及高压送电线路经过的地形、地貌和地质条件有关。对山区的杆塔, 计算公式是:
lgundefined-3.35
从上面的公式可以看出, 对已经运行的线路, 要想减小绕击率就要减小避雷线在杆塔上的悬挂点高度h或保护角α, 对于运行单位来说, 减小h比较困难。因此, 减小绕击率就必须减小防雷保护角。
4 防雷电绕击措施
防雷电绕击措施就是减小保护角, 减小保护角的措施有两种:一是针对转角塔外角侧保护角较大的情况, 加大地线支架的尺寸, 加装地线绕跳;二是在地线支架上加装横向避雷针。加装地线绕跳的措施在设计阶段比较实用, 在运行线路上改造比较困难, 安全风险比较高。下面着重说明地线支架上安装横向避雷针的防雷电绕击的措施:
1) 输电线路绕击区域的界定:根据模拟试验、运行经验和分析计算认为, 因线路杆塔的引雷作用和档距中间的弧垂效应, 沿输电线路的档距, 绕击可划分为安全区、危险区和正常区。由于500kV线路引起绕击跳闸的雷电强度多为十几kA到二十几kA, 这种弱雷绕击时定位于距线路40～60m处[11]。
2) 横向避雷针针长确定:当地线支架上所架设侧针的长度大于相应间隙下地线的临界电晕半径时, 侧针就能显著提高地线的引雷能力, 从而大大降低绕击的概率;当针长小于线的临界电晕半径时, 针是淹没在线形成的电晕层之中, 针的存在并未形成突出的尖端, 而针长大于线的临界电晕半径后, 针就能突出在电晕层之外, 且针比线更易产生迎面上行先导, 于是可提前拦截渗透至低处可能发生绕击的弱雷。
防绕击避雷针的针长是其能否应用于工程实际的关键问题。试验对多长的侧针能起到效果及能保护多大的范围进行研究[12], 结果表明:水平侧向短针防止绕击效果随针长的增加而显著。文[13]推算出地线一支20cm水平侧针可保护6m的范围。
采用电气几何模型, 对辖区内典型杆塔和典型绝缘配置 (保护角取15°, 绕击耐雷水平取30kA) 安装不同长度侧针下塔头两端有效屏蔽范围进行了计算, 结果如表1所示。
考虑到线路所处地形条件及耐张转角塔跳线多次遭受绕击的情况, 确定选用长2000mm的侧针。这样的布置, 理论上将会对离塔近40m范围的导线得到完全保护。
该局对843基杆塔中保护角大于15°的276基杆塔安装了线路横向避雷针, 在此之前输电线路共发生32次雷击故障跳闸, 在安装横向避雷针后, 未曾发生雷击故障。
5 结束语