吳金輝， 江全才，朱博云，譚坤僑，盧振鵬

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北　宜昌　443002)

?

基于改進(jìn)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(xué)電氣與新能源學(xué)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(yùn)行的主要因素之一。而現(xiàn)有評(píng)估輸電線路繞擊跳閘率的電氣幾何模型難以與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相一致。為確保我國(guó)特高壓線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，考慮到風(fēng)偏、雷電入射角、地形以及導(dǎo)線工作電壓的影響，提出了一種改進(jìn)電氣幾何模型。應(yīng)用改進(jìn)電氣幾何模型對(duì)我國(guó)特高壓輸電線路繞擊跳閘率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，該模型更能符合輸電線路的實(shí)際運(yùn)行情況。

特高壓輸電線路；改進(jìn)電氣幾何模型；繞擊跳閘率

1　引言

國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(fā)生反擊的可能性很低，但由于桿塔高度高，避雷線與導(dǎo)線間距較大，易發(fā)生繞擊。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)輸電線路的繞擊耐雷性能對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

計(jì)算輸電線路繞擊跳閘率的方法主要包括規(guī)程法、電氣幾何模型(EGM)、先導(dǎo)發(fā)展模型等[2]。規(guī)程法是依據(jù)輸電線路實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)建立的不能反映線路的具體特性，應(yīng)用范圍有限，先導(dǎo)發(fā)展模型部分重要判據(jù)和計(jì)算參數(shù)的取值存在較大爭(zhēng)議，故一般只用于校驗(yàn)，而不作為主要依據(jù)，而電氣幾何模型是結(jié)合輸電線路的導(dǎo)地線、桿塔結(jié)構(gòu)、地形地貌等幾何參數(shù)，通過(guò)擊距來(lái)描述輸電線路導(dǎo)線、地線、大地的引雷能力，能夠?qū)⒗纂姺烹娞匦耘c線路結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來(lái)，在輸電線路的防雷計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用[3]。

傳統(tǒng)電氣幾何模型法，計(jì)算求解時(shí)，通過(guò)繪制地線、導(dǎo)線和大地的先導(dǎo)曲線，計(jì)算曲線的交點(diǎn)，然后將交點(diǎn)連線對(duì)地投影，計(jì)算投影長(zhǎng)度，從而得到相應(yīng)雷電流下行時(shí)的線路繞擊跳閘率[4-6]。對(duì)于特高壓輸電線路，由于鐵塔呼高高，當(dāng)雷電流較小時(shí)，大地先導(dǎo)曲線的高度低于導(dǎo)線掛點(diǎn)，用傳統(tǒng)方法計(jì)算暴露弧投影，計(jì)算值偏小。對(duì)于繞擊計(jì)算，較小的雷電流具有較高的發(fā)生概率，因此，應(yīng)用傳統(tǒng)方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定誤差。本文綜合考慮風(fēng)偏、雷電入射角、地形以及導(dǎo)線工作電壓的影響等，提出了綜合考慮這些因素的改進(jìn)電氣幾何模型。應(yīng)用改進(jìn)的模型對(duì)我國(guó)實(shí)際特高壓輸電線路繞擊跳閘率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，該模型更能符合輸電線路的實(shí)際運(yùn)行情況。

2　改進(jìn)電氣幾何模型

改進(jìn)的電氣幾何模型模型如圖1所示。S、C分別為地線、導(dǎo)線掛點(diǎn)，Hs、Hc分別為地線、導(dǎo)線對(duì)地的平均高度，Ls、LC分別為地線、導(dǎo)線掛點(diǎn)距桿塔中心的水平距離。rS、rc、rg分別為雷電對(duì)地線、導(dǎo)線、地的擊距，α為保護(hù)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(yīng)發(fā)生變化，導(dǎo)線被擊中的暴露弧段越來(lái)越小。當(dāng)雷電流增加至一定值時(shí),B、D 兩點(diǎn)重合。如果雷電先導(dǎo)先到達(dá)導(dǎo)線的擊距弧段BD，則認(rèn)為避雷線屏蔽失效，輸電線發(fā)生了繞擊。

圖1　改進(jìn)電氣幾何模型

3　繞擊跳閘率的計(jì)算

3.1有關(guān)擊距參數(shù)的確定

雷電對(duì)避雷線的擊距采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)所推薦的擊距公式:

rs=10I0.65

(1)

雷電對(duì)地?fù)艟鄏g=krs

(2)

其中擊距系k為：

(3)

考慮工作電壓周期性變化時(shí)，雷電對(duì)導(dǎo)線擊距為：

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

(4)

其中Uph為導(dǎo)線上工作電壓的瞬時(shí)值。

3.2考慮風(fēng)偏后模型的基本參數(shù)

考慮風(fēng)速后，模型的基本參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，在一定風(fēng)速下，懸垂絕緣子串和導(dǎo)線風(fēng)偏角如圖2所示[7]。

圖2　風(fēng)偏角

分裂導(dǎo)線絕緣子串風(fēng)偏角為：

(5)

導(dǎo)線風(fēng)偏角：

(6)

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

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，fc、fg為導(dǎo)線避雷線的弧垂；ξc、ξs分別為導(dǎo)線、避雷線的風(fēng)偏角。

由于風(fēng)速分布一般為正偏態(tài)分布，雖然用于擬合風(fēng)速的模型有很多，其中韋布爾雙參數(shù)分布被普遍認(rèn)為適于對(duì)風(fēng)速作統(tǒng)計(jì)描述[8]。韋布爾風(fēng)速概率密度函數(shù)為：

(12)

式中，k為形狀參數(shù)，是一個(gè)無(wú)因次量；C為尺度參數(shù)，其量綱與速度相同。根據(jù)我國(guó)風(fēng)速主要分布在0～10km/s，通常取k=2，C=5。

Whitehead認(rèn)為，先導(dǎo)接近地面的入射角是隨機(jī)的，并提出了先導(dǎo)入射角g(ψ)的概率分布式為：

(13)

3.3繞擊跳閘率的計(jì)算

(14)

綜合考慮風(fēng)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(jì)算公式為：

(15)

式中，Ng為地面落雷密度。

4　計(jì)算實(shí)例分析

以某1000kV輸電線路為例，導(dǎo)線采用鋼芯鋁鉸線，分裂導(dǎo)線的分裂間距為400mm，避雷線采用OPGW光纜，絕緣子閃絡(luò)電壓為4400kV，導(dǎo)線的瞬時(shí)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(qū)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(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖3　ZMP2 桿塔塔型

表1　繞擊跳閘率計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，規(guī)程法計(jì)算的線路繞擊跳閘率非常低，而利用電氣幾何模型計(jì)算的繞擊跳閘率較大，從運(yùn)行統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)看，電氣幾何模型的計(jì)算結(jié)果比規(guī)程法計(jì)算的結(jié)果更加符合實(shí)際情況，并且改進(jìn)的電氣幾何模型比傳統(tǒng)的電氣幾何模型更加準(zhǔn)確。

5　結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用電氣幾何模型法對(duì)線路繞擊進(jìn)行分析計(jì)算具有較高的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)傳統(tǒng)電氣幾何模型計(jì)算誤差大的問(wèn)題，研究了一種改進(jìn)模型。該改進(jìn)的電氣幾何模型綜合考慮了風(fēng)偏、雷電入射角、地形以及導(dǎo)線工作電壓的影響。然后根據(jù)實(shí)例利用這兩種方法計(jì)算出繞擊跳閘率。結(jié)果表明，利用改進(jìn)的電氣幾何模型計(jì)算得出的結(jié)果更符合實(shí)際運(yùn)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[J].高電壓技術(shù)，1988，24(2):76-79.

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

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

[4]周遠(yuǎn)翔，魯斌，燕福龍. 山區(qū)復(fù)雜地形輸電線路繞擊跳閘率的研究[J]. 高電壓技術(shù)，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(hù)性能研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(10)：1-6.

[6]謝耀恒，謝偉，谷山強(qiáng)，等. 應(yīng)用雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析 220kV 同塔雙回輸電線路繞擊性能[J]. 高電壓技術(shù)，2009，35(11):2657-2662.

[7]解廣潤(rùn).電力系統(tǒng)過(guò)電壓[M].北京：水利電力出版社，1985.

[8]陳國(guó)慶.計(jì)及風(fēng)速影響的 500kV 同桿雙回線路繞擊耐雷性能計(jì)算模型研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),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