基于改進EGM的特高壓輸電線路繞擊性能研究

吳金輝， 江全才，朱博云，譚坤僑，盧振鵬

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北　宜昌　443002)

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基于改進EGM的特高壓輸電線路繞擊性能研究

吳金輝， 江全才，朱博云，譚坤僑，盧振鵬

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002)

特高壓輸電線路桿塔高度高，雷電繞擊是危及特高壓輸電線路安全運行的主要因素之一。而現有評估輸電線路繞擊跳閘率的電氣幾何模型難以與實際運行經驗相一致。為確保我國特高壓線路安全穩定運行，考慮到風偏、雷電入射角、地形以及導線工作電壓的影響，提出了一種改進電氣幾何模型。應用改進電氣幾何模型對我國特高壓輸電線路繞擊跳閘率進行計算，結果表明，該模型更能符合輸電線路的實際運行情況。

特高壓輸電線路；改進電氣幾何模型；繞擊跳閘率

1　引言

國內外運行經驗表明，雷擊是造成特高壓輸電線路跳閘的主要原因[1]。特高壓輸電線路絕緣水平高，雷電直擊避雷線或塔頂發生反擊的可能性很低，但由于桿塔高度高，避雷線與導線間距較大，易發生繞擊。因此，準確評價輸電線路的繞擊耐雷性能對電力系統安全穩定運行具有重要意義。

計算輸電線路繞擊跳閘率的方法主要包括規程法、電氣幾何模型(EGM)、先導發展模型等[2]。規程法是依據輸電線路實際運行經驗建立的不能反映線路的具體特性，應用范圍有限，先導發展模型部分重要判據和計算參數的取值存在較大爭議，故一般只用于校驗，而不作為主要依據，而電氣幾何模型是結合輸電線路的導地線、桿塔結構、地形地貌等幾何參數，通過擊距來描述輸電線路導線、地線、大地的引雷能力，能夠將雷電放電特性與線路結構尺寸聯系起來，在輸電線路的防雷計算中得到了廣泛應用[3]。

傳統電氣幾何模型法，計算求解時，通過繪制地線、導線和大地的先導曲線，計算曲線的交點，然后將交點連線對地投影，計算投影長度，從而得到相應雷電流下行時的線路繞擊跳閘率[4-6]。對于特高壓輸電線路，由于鐵塔呼高高，當雷電流較小時，大地先導曲線的高度低于導線掛點，用傳統方法計算暴露弧投影，計算值偏小。對于繞擊計算，較小的雷電流具有較高的發生概率，因此，應用傳統方法計算，計算結果會產生一定誤差。本文綜合考慮風偏、雷電入射角、地形以及導線工作電壓的影響等，提出了綜合考慮這些因素的改進電氣幾何模型。應用改進的模型對我國實際特高壓輸電線路繞擊跳閘率進行計算，結果表明，該模型更能符合輸電線路的實際運行情況。

2　改進電氣幾何模型

改進的電氣幾何模型模型如圖1所示。S、C分別為地線、導線掛點，Hs、Hc分別為地線、導線對地的平均高度，Ls、LC分別為地線、導線掛點距桿塔中心的水平距離。rS、rc、rg分別為雷電對地線、導線、地的擊距，α為保護角，θ為地面傾角，θ1、θ2分別為地面與直線CD、BC的夾角，弧AB為屏蔽弧，弧BC為暴露弧。隨著雷電流的增加，擊距逐漸增加，各弧段的尺寸也相應發生變化，導線被擊中的暴露弧段越來越小。當雷電流增加至一定值時,B、D 兩點重合。如果雷電先導先到達導線的擊距弧段BD，則認為避雷線屏蔽失效，輸電線發生了繞擊。

圖1　改進電氣幾何模型

3　繞擊跳閘率的計算

3.1有關擊距參數的確定

雷電對避雷線的擊距采用IEEE標準所推薦的擊距公式:

rs=10I0.65

(1)

雷電對地擊距rg=krs

(2)

其中擊距系k為：

(3)

考慮工作電壓周期性變化時，雷電對導線擊距為：

rc=1.63(5.105I0.578-Uph)1.125

(4)

其中Uph為導線上工作電壓的瞬時值。

3.2考慮風偏后模型的基本參數

考慮風速后，模型的基本參數會發生變化，在一定風速下，懸垂絕緣子串和導線風偏角如圖2所示[7]。

圖2　風偏角

分裂導線絕緣子串風偏角為：

(5)

導線風偏角：

(6)

式中L、G為水平和垂直檔距，m；g1、g4為導線的自重和風荷比載，kg/mm2；M、N為絕緣子串重量及其風荷載，kg；A為導線截面積；λ為絕緣子串長度；d為導線分裂間距。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，fc、fg為導線避雷線的弧垂；ξc、ξs分別為導線、避雷線的風偏角。

由于風速分布一般為正偏態分布，雖然用于擬合風速的模型有很多，其中韋布爾雙參數分布被普遍認為適于對風速作統計描述[8]。韋布爾風速概率密度函數為：

(12)

式中，k為形狀參數，是一個無因次量；C為尺度參數，其量綱與速度相同。根據我國風速主要分布在0～10km/s，通常取k=2，C=5。

Whitehead認為，先導接近地面的入射角是隨機的，并提出了先導入射角g(ψ)的概率分布式為：

(13)

3.3繞擊跳閘率的計算

(14)

綜合考慮風偏、地形、工作電壓、雷電入射角后，可得每年每100km的繞擊跳閘率的計算公式為：

(15)

式中，Ng為地面落雷密度。

4　計算實例分析

以某1000kV輸電線路為例，導線采用鋼芯鋁鉸線，分裂導線的分裂間距為400mm，避雷線采用OPGW光纜，絕緣子閃絡電壓為4400kV，導線的瞬時電壓為815.6kV。桿塔的塔型為ZMP2,如圖3所示。在該桿塔處線路的水平檔距、垂直檔距分別為450m、300m。該地區年平均雷暴日為40天。利用上述所提到的方法分析輸電線路的繞擊性能。繞擊跳閘率計算結果如表1所示。

圖3　ZMP2 桿塔塔型

表1　繞擊跳閘率計算結果

由表1可以看出，規程法計算的線路繞擊跳閘率非常低，而利用電氣幾何模型計算的繞擊跳閘率較大，從運行統計的數據來看，電氣幾何模型的計算結果比規程法計算的結果更加符合實際情況，并且改進的電氣幾何模型比傳統的電氣幾何模型更加準確。

5　結語

運用電氣幾何模型法對線路繞擊進行分析計算具有較高的準確性。本文針對傳統電氣幾何模型計算誤差大的問題，研究了一種改進模型。該改進的電氣幾何模型綜合考慮了風偏、雷電入射角、地形以及導線工作電壓的影響。然后根據實例利用這兩種方法計算出繞擊跳閘率。結果表明，利用改進的電氣幾何模型計算得出的結果更符合實際運行情況。

[1]維列夏金,吳維韓.俄羅斯超高壓和特高壓輸電線路防雷運行經驗[J].高電壓技術，1988，24(2):76-79.

[2]王曉彤，施圍，劉文泉.改進電氣幾何模型計算輸電線路繞擊率[J].高電壓技術，1998，24(1)：85-87.

[3]李曉嵐，尹小根，余仁山，等. 基于改進電氣幾何模型的繞擊跳閘率的計算[J]. 高電壓技術，2006，32(3):42-44.

[4]周遠翔，魯斌，燕福龍. 山區復雜地形輸電線路繞擊跳閘率的研究[J]. 高電壓技術，2007，33(6):45-49.

[5]張志勁，司馬文霞，蔣興良，等.超 / 特高壓輸電線路雷電繞擊防護性能研究[J].中國電機工程學報，2005，25(10)：1-6.

[6]謝耀恒，謝偉，谷山強，等. 應用雷電參數統計分析 220kV 同塔雙回輸電線路繞擊性能[J]. 高電壓技術，2009，35(11):2657-2662.

[7]解廣潤.電力系統過電壓[M].北京：水利電力出版社，1985.

[8]陳國慶.計及風速影響的 500kV 同桿雙回線路繞擊耐雷性能計算模型研究[J].中國電機工程學報,2003,23(5):108-115.

Lightning Protection Performance of Shielding Failure of UHV Transmission Line Based on Improved EGM Model

WU Jin-hui,JIANG Quan-cai,ZHU Bo-yun,TAN Kun-qiao,LU Zhen-peng

(School of Electrical Engineering &Renewable Energy,Three Gorge University,Yichang 443002,China)

Lightning shielding failure is an important issue in addressing lightning performance of an UHVAC transmission lines.It is shown from the operating experience of UHVAC lines that the shielding failure rate predicted using the existing Electro-Geometric Model(EGM)does not match with that obtained from operation data.An improved EGM is proposed to evaluate shielding failure rate of the UHVAC transmission line.In the improved model,the striking distances to phase conductors,shielding wires and ground are differentiated.Furthermore,the influences of ground obliquity,wind deflection,lightning incidence angle and operating voltage of phase conductors are taken into account.Using Improved EGM model in UHV transmission line shielding failure flashover rate,as a results,the improved model is more in line with the actual operation of the transmission line.

UHV transmission line;improved electro-geometric model;lightning shielding failure

1004-289X(2016)01-0057-03

TM72

B

2015-05-07