500kV同塔雙回輸電線路雷電反擊仿真模型的建立與分析

宋 陽(yáng) 秦 穎 胡 可

（樂山電業(yè)局，四川 樂山 614000）

我國(guó)電力系統(tǒng)是以500kV等級(jí)輸電線路為電網(wǎng)骨干網(wǎng)架迅速發(fā)展。與此同時(shí)，輸電線路縱橫交錯(cuò)，其塔位和走廊對(duì)占地和生態(tài)環(huán)境有一定的影響。因此，為了減少500kV線路走廊占地，提高單位面積的傳輸容量，同塔架設(shè)雙回線路已成為必然趨勢(shì)。俄羅斯及我國(guó)數(shù)10年運(yùn)行數(shù)據(jù)表明[1，2]，雷擊仍然是500kV線路跳閘的主要原因。與500kV單回線路相比，同塔雙回線路桿塔較高，感應(yīng)過電壓較大，其耐雷水平大大降低，更易雷擊跳閘。國(guó)內(nèi)外運(yùn)行數(shù)據(jù)也指出500kV線路雷擊跳閘中，雷電繞擊跳閘占主要形式。于是大多數(shù)文獻(xiàn)著重研究雷電繞擊而忽略了雷電反擊部分。因此，做好500kV同塔雙回輸電線路防雷設(shè)計(jì)，加強(qiáng)500kV同塔雙回輸電線路防雷保護(hù)，提高線路耐雷水平，防止500kV同塔雙回輸電線路雷擊跳閘勢(shì)在必行。文中以南方電網(wǎng)500kV同塔雙回輸電線路-“貴福線”自然條件和線路參數(shù)為背景，基于ATP-EMTP軟件，分別建立雷電流波模型、分段傳輸線桿塔模型、輸電線路模型、絕緣子閃絡(luò)和接地電阻模型，搭建仿真電路，分別就接地電阻和線路檔距對(duì)500kV同塔雙回輸電線路反擊耐雷水平的影響進(jìn)行仿真分析。

1 仿真模型的建立

1.1 雷電流波模型

我國(guó)在電力系統(tǒng)防雷保護(hù)計(jì)算中，雷電流的標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形常用雙指數(shù)表達(dá)式表示[3]

式中，Im為雷電流的幅值（kA）；常數(shù)A、α和β由雷電流的波形確定。文中選擇2.6/50μs雙指數(shù)波形，則A=1.058，α =15000，β=1860000。線路發(fā)生反擊時(shí)，雷電通道波阻抗取為 300。圖 1 是輸電線路發(fā)生反擊時(shí)雷電流波形。

圖1 2.6/50μs雷電流波形

1.2 桿塔模型

圖2 桿塔分段傳輸線模型

正確地模擬輸電線路桿塔在輸電線路的耐雷性能研究中起著重要作用。目前存在3類桿塔仿真模型：集中電感、單一波阻抗和分段傳輸線模型。研究表明，集中電感模型和單一波阻抗模型，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，桿塔較高的線路中模擬以實(shí)際產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。本文采用分段傳輸線路模型，該模型充分考慮了雷電波在桿塔上的傳播過程，并根據(jù)桿塔距地面不同高度處的波阻抗值是不同的這一特點(diǎn)，將桿塔分割成幾個(gè)部分來模擬，計(jì)算結(jié)果與原有方法相比更加符合實(shí)際。據(jù)文獻(xiàn)[4]介紹的桿塔分段傳輸模型計(jì)算，可將500kV同塔雙回線路桿塔看成 4導(dǎo)體系統(tǒng)，其桿塔模型如圖 2和模型計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 桿塔模型計(jì)算參數(shù)（波阻抗單位：Ω）

1.3 輸電線路模型

文中的計(jì)算參數(shù)是以貴州電網(wǎng)貴福線自然條件為基礎(chǔ)[5]，引入一條典型的500kV同塔雙回線路為例，導(dǎo)線采用L GJ—630/55，為4分裂導(dǎo)線，分裂間距為 450mm，避雷線采用 LHAGJ-150/25，桿塔為Sl型，絕緣子選XP一300，絕緣子高度為195mm，爬距450mm。根據(jù)線路參數(shù)，利用ATP-EMTP/LCC模塊建立與頻率相關(guān)的Jmarti模型，將輸電線路看作是包括避雷線、三相導(dǎo)線的不換位多導(dǎo)線系統(tǒng)來處理。線路終端以20km的線路來模擬，不考慮反射波的影響。圖3是通過LCC建立的導(dǎo)線排列方式圖。

圖3 導(dǎo)線排列方式圖

1.4 絕緣子閃絡(luò)模型

本文計(jì)算仍以規(guī)程法為基礎(chǔ)，將絕緣子串的50%沖擊放電電壓作為絕緣子串的閃絡(luò)判據(jù)，將其模擬成一個(gè)電壓控制開關(guān)，當(dāng)兩端的電壓達(dá)到其 50%放電電壓時(shí)該開關(guān)即導(dǎo)通，意味著絕緣子串放電。

1.5 接地電阻模型

雷電沖擊下，接地體上會(huì)產(chǎn)生火花效應(yīng)，使得接地體周圍的土壤電離放電，因此可用沖擊接地電阻來表征雷擊桿塔后的沖擊接地特性。采用IEC推薦的下式可更好地計(jì)算沖擊接地電阻。

式中，R0為工頻接地電阻值；I為流過接地體的沖擊電流幅值；Ig是土壤發(fā)生電離的最小電流，表示為

式中，ρ為土壤電阻率，取100Ω˙m；E0為土壤電離場(chǎng)強(qiáng)，取400kV/m。

2 仿真分析

當(dāng)雷電直接擊中桿塔或者避雷線時(shí)，線路易發(fā)生反擊，圖4為雷直擊桿塔示意圖。

圖4 雷直擊桿塔示意圖

2.1 接地電阻對(duì)線路耐雷水平的影響

根據(jù)示意圖4搭建有7基桿塔的仿真電路，對(duì)500kV線路雷電反擊進(jìn)行仿真分析。雷電直擊桿塔時(shí)，考慮單回線路閃絡(luò)情況下，三種導(dǎo)線排列方式時(shí)反擊耐雷水平隨接地電阻變化關(guān)系如圖5所示。考慮雙回線路同時(shí)閃絡(luò)情況下，三種導(dǎo)線排列方式時(shí)反擊耐雷水平隨接地電阻變化關(guān)系如圖6所示。其中雙回導(dǎo)線正相序排列，如圖3所示，即左側(cè)自上而下A1B1C1，右側(cè)自上而下A2B2C2；逆相序排列即左側(cè)自上而下A1B1C1，右側(cè)自上而下C2B2A2；上下三角形排列左側(cè)自上而下A1C1B2，右側(cè)自上而下B1A2C2。

圖5 單回閃絡(luò)下三種導(dǎo)線排列時(shí)反擊耐雷水平隨接地電阻變化關(guān)系

圖6 雙回閃絡(luò)下三種導(dǎo)線排列時(shí)反擊耐雷水平隨接地電阻變化關(guān)系

由圖5和圖6可知，當(dāng)導(dǎo)線采用上述三種相序排列時(shí)均有：①隨著接地電阻阻值增大，輸電線路單回閃絡(luò)和雙回閃絡(luò)時(shí)的耐雷水平均降低；②雙回線路同時(shí)閃絡(luò)需要的雷電流值大于單回線路閃絡(luò)需要的雷電流值；③三種相序排列中，隨著接地電阻的變化，導(dǎo)線逆相序排列方式下，線路的耐雷水平始終最高。

2.2 檔距對(duì)線路耐雷水平的影響

雷擊桿塔時(shí)，導(dǎo)線排列方式采用逆相序排列，檔距分別取 50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m、500m、550m 情況下，線路的耐雷水平仿真結(jié)果如圖7所示。可知，隨著檔距的增大，單回閃絡(luò)和雙回閃絡(luò)時(shí)的耐雷水平大體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)檔距＜100m時(shí)，反擊耐雷水平隨檔距的增加急劇減小；而檔距距由100m到 400m時(shí)，反擊耐雷水平隨著檔距的增加略有增大，當(dāng)檔距＞400m時(shí)，隨著檔距的增加，反擊耐雷水平逐漸減小。

圖7 單回閃絡(luò)或雙回閃絡(luò)時(shí)反擊耐雷水平隨檔距變化關(guān)系

3 結(jié)論

1）500kV同塔雙回輸電線路，不論是單回閃絡(luò)還是雙回同時(shí)閃絡(luò)，線路反擊耐雷水平均隨著接地電阻的增大而降低。

2）導(dǎo)線排列方式對(duì) 500kV同塔雙回輸電線路反擊耐雷水平有較大影響，逆相序排列耐雷水平最高，正相序排列次之，上下三角形排列最低。因此，對(duì)于同塔雙回輸電線路，導(dǎo)線排列方式最好采用逆相序排列。

3）隨著線路檔距的增加，500kV同塔雙回輸電線路反擊耐雷水平總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

[1]維列夏金,吳維韓.俄羅斯超高壓和特高壓輸電線路雷運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析[J].高電壓技術(shù),1998,24(2):76-79.

[2]邱道尹,王愛. 500kV同塔雙回線路防雷問題的研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2009,30(2):57-59.

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[5]伍枝培.同塔雙回 500kV線路的防雷性能的研究[D].貴州:貴州大學(xué),2005.