輸電線路桿塔接地電阻對線路反擊跳閘率影響研究

(1.云南電網有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.云南宇恬防雷材料有限公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

近年來，超、特高壓輸電線路的規模迅速擴展，由于不同地理條件和輸電走廊寬度的限制，線路桿塔的形式也多種多樣[1-3]。輸電線路規模的擴大，在雷害高發區域，線路遭受雷擊事故的概率將隨之增加，雷擊不僅會引起線路跳閘導致供電中斷，同時也對電網安全穩定運行造成影響。因此針對不同塔型線路的耐雷性能分析就顯得格外重要[4-8]。

由于超、特高壓輸電線路的里程比較長，其桿塔跨越的地理環境差異很大，故在一條線路中，桿塔的接地電阻存在很大差別[9-10]。根據DL/T 620-1997[11]標準的相關內容可以看出，繞擊跳閘率主要與桿塔高度以及地線保護角等有關，并沒有具體分析接地電阻對反擊跳閘率的影響。然而桿塔接地電阻是最直接影響桿塔反擊耐雷水平和反擊跳閘率的因素。在同一走廊的輸電線路桿塔包含不同類型的塔頭，從而不同類型塔頭可能處于不同大氣環境和土壤環境中，桿塔接地電阻存在很大差異。因此有必要對不同塔頭類型的桿塔在不同接地電阻值下的耐雷水平和反擊跳閘率進行研究。其實，針對線路反擊有多種分析方法，但每種方法都有其對應的適用條件，因此對線路耐雷水平進行研究時需要考慮具體的現場運行環境，建立合適的反擊模型[11-15]。

下面建立了貓頭塔、酒杯塔以及鼓形塔的仿真模型，并分析了3種模型條件下接地電阻對線路耐雷性能的影響，重點研究了3種塔頭模型的跳閘率，定量分析了塔型對反擊跳閘率的影響程度。

1 輸電線路反擊耐雷模型

1)雷電流模型

雷電流模型采用的Heidler模型，波形取2.6/50 μs，模擬表達式為

(1)

式中：I0為雷電流幅值；n為電流陡度因子；tf為波前時間；th為波長時間。根據公式(1)擬合的雷電流曲線如圖1所示。

圖1 雷電流波形

2)桿塔模型

采用單波阻抗模型，波阻抗默認值取為規程推薦的150 Ω，桿塔波速計算公式一般取：

(2)

式中：c為光速，取3×108m/s；H為桿塔高度，m；L為最長橫擔長度，m。

3)絕緣子串的閃絡模型

交流輸電線路采用JMarti架空線模型，并采用絕緣子串壓降分布與伏秒特性曲線的對比來分析閃絡發生情況，如圖2所示。

圖2 閃絡判斷方法

4)感應電壓

采用場抵消法的簡化算法，感應電壓波形為

(3)

式(3)中的感應電壓最大值計算公式為

(4)

式中：hc為導線對地平均高度；k為修正系數，k=k0k1，k0為避雷線對導線的幾何耦合系數，k1為電暈修正系數。

5)反擊跳閘率的計算

線路的反擊跳閘率可表示為

N1=NηgPI1

(5)

式中：η為建弧率；g為擊桿率；PI1為雷電流超過I1的概率；N為每年每100 km線路雷擊的總次數。

2 貓頭塔反擊跳閘率分析

2.1 線路參數

搭建500 kV用貓頭塔，模型結構如下所示：

桿塔：塔型DFZ1，呼高32.5 m。

絕緣子串：類型XP-160。

導線：型號LGJQ-300，直流電阻0.108 Ω/km，4分裂，導線半徑2.37 cm。

地線：型號LBGJ-120-40AC，地線半徑1.425 cm，直流電阻0.360 6 Ω/km

大地：土壤電阻率1000 Ω·m。

2.2 仿真模型

ATP仿真模型如圖3和圖4所示。

圖3 500 kV貓頭塔與酒杯塔仿真模型

圖4 500 kV貓頭塔與酒杯塔線路電路仿真模型

2.3 貓頭塔反擊耐雷性能分析

圖5 貓頭塔反擊耐雷性能分析

對典型貓頭桿塔進行仿真計算，接地電阻從5 Ω到50 Ω范圍內，每次增加5 Ω，計算結果如圖5所示。當電阻由5 Ω增加到15 Ω，反擊耐雷電流由146 kA降至138 kA；當由35 Ω遞增到45 Ω時，耐雷水平由123 kA下降至108 kA，降值由5.5%升至12.2%；當電阻在更大范圍內增加，反擊耐雷水平下降得更快。

此外，當電阻值由5 Ω上升到15 Ω，反擊跳閘率從0.243 5上升到0.300 2，上升了23.3%；電阻值由35 Ω上升到45 Ω，線路反擊跳閘率從0.444 5上升到0.658 2，上升48.1%；當電阻在更大范圍內遞增時，反擊跳閘率增加的陡度會更大。

3 酒杯塔反擊跳閘率分析

3.1 線路參數

搭建500 kV酒杯塔模型，模型參數如下所示。

桿塔：塔型ZB1，呼高36 m

絕緣子：型號XP-160

導線：型號LGJ-300/25，直流電阻0.0943 3 Ω/km，4分裂，導線半徑2.376 cm

地線：型號GJ-70，地線半徑1.425 cm，直流電阻0.360 1 Ω/km

大地：土壤電阻率1000 Ω·m

3.2 仿真模型

500 kV酒杯塔仿真模型及交流線路放著模型與貓頭塔類似，主要差異在于各模塊之間的幾何尺寸，從而表現出阻抗的差異。

3.3 酒杯塔反擊耐雷性能分析

圖6 酒杯塔反擊耐雷性能分析

對典型酒杯塔進行仿真計算，接地電阻取從5 Ω到50 Ω范圍內，每次增加5 Ω，分析結果如圖6所示。反擊耐雷水平由5 Ω時的200 kA降至15 Ω時的185 kA，減小約7.5%；當電阻值由35 Ω變化至45 Ω時，反擊耐雷水平由146 kA將至121 kA，減小了17.1%。從仿真結果分析，接地電阻值變化相同時，酒杯塔的耐雷水平比貓頭塔耐雷水平下降更明顯。

對于典型的酒杯塔，當電阻值由5 Ω上升到15 Ω，反擊跳閘率從0.049 5上升到0.073 2，上升了47.8%；接地電阻值由35 Ω上升到45 Ω時，跳閘率從0.203 2上升到0.390 8，上升了92.3%；當桿塔接地電阻在更大范圍內遞增，反擊跳閘率增加陡度會更大，這也意味著跳閘率增加的會更快。

4 同塔雙回鼓型塔反擊跳閘率分析

4.1 線路參數

搭建500 kV鼓型塔模型，參數如下所示。

桿塔：型號S1，呼高33 m

絕緣子：型號XP-300

導線：型號LGJ-630/55，直流電阻0.013 Ω/km，4分裂，導線半徑3.432 cm

地線：型號LHAGJ-150/25，地線半徑1.71 cm，直流電阻0.229 19 Ω/km

大地：土壤電阻率1000 Ω·m

4.2 仿真模型

500 kV雙回鼓型塔ATP仿真模型見圖7和圖8。

圖7 500 kV同塔雙回鼓型塔仿真模型

圖8 500 kV同塔雙回鼓型塔線路仿真模型

4.3 鼓型塔反擊耐雷性能分析

圖9給出了同塔雙回鼓型桿塔模型條件下，單回及雙回閃絡情況下的耐雷性能分析。

圖9 鼓型塔耐雷水平分析

當電阻值由5 Ω遞增至15 Ω時，單回閃絡耐雷水平下降了約5.6%，雙回閃絡下降約16.3%。當電阻由35 Ω增加至45 Ω時，線路的單回閃絡情況耐雷水平由159 kA降至131 kA，降低了17.6%；雙回閃絡情況由167 kA下降到155 kA，降低了7.2%。

從圖10鼓型塔反擊跳閘率分析可以看出，當接地電阻值由5 Ω上升到15 Ω，單回線路閃絡反擊跳閘率從0.079 4上升到0.105 9，上升了33.4%；雙回線路閃絡反擊跳閘率從0.030 2上升到0.081 5，上升了169.9%。電阻值由35 Ω上升到45 Ω，鼓型單回線路閃絡反擊跳閘率從0.209 2上升到0.435 2，上升了108%；雙回反擊跳閘率從0.169 7上升到0.232 2，上升了36.8%。

圖10 鼓型塔反擊跳閘率分析

5 不同塔頭模型的反擊跳閘率對比分析

對比分析了貓頭塔、酒杯塔、鼓型單回以及鼓型雙回閃絡模型下接地電阻變化對反擊跳閘率的影響，如表1所示。

表1 不同塔型對線路反擊的影響

不同塔型反擊跳閘率對比如圖11所示，酒杯塔反擊跳閘率的規律與鼓型雙回閃絡情況類似。鼓型單回閃絡情況的反擊跳閘率最大，其次是鼓型雙回閃絡和酒杯塔，影響最小的是貓頭塔。

圖11 不同塔型反擊跳閘率的對比

6 結 語

前面根據具體的運行參數，建立了500 kV貓頭塔、酒杯塔、同塔雙回鼓型塔3種桿塔的ATP電氣仿真模型和相應線路的仿真模型，并進行研究，得出以下結論：

1)通過理論計算研究了3種塔頭模型下接地電阻對耐雷性能的影響，并得出其規律：接地電阻與反擊耐雷水平負相關，與跳閘率正相關，當電阻在更大范圍內遞增時，反擊耐雷水平下降的陡度以及跳閘率增加的陡度會更大；酒杯塔的耐雷水平受接地電阻的作用比貓頭塔更敏感。

2)對比分析多種塔型耐雷性能的影響，酒杯塔反擊跳閘率的規律與鼓型雙回閃絡情況類似。鼓型單回閃絡情況的反擊跳閘率最大，其次是鼓型雙回閃絡和酒杯塔，影響最小的是貓頭塔。