超_特高压输电线路耐雷性能计算方法探讨

超/特高压输电线路耐雷性能计算方法探讨StudyonCalculationsforEHV/UHVTransmissionLineLightningPerformance广东省电力设计研究院杜颖GuangdongElectricPowerDesignInstituteDuYing摘要：防雷电性能是输电线路安全运行的关键。通过对行波法、蒙特卡洛法、故障树法、EMTP法、绕击耐雷水平的规程法、电气几何模型法、改进电气几何模型法、雷电绕击的先导发展模型法和输击概率模型等架空线路反击耐雷水平计算方法的归纳比较，分析超/特高压输电线路的反击耐雷性能、绕击耐雷性能，最后对上述诸计算方法评价和展望。Abstract:LightningprotectionisoneofthekeyissuesrelatingtotheEHV/UHVtransmissionlinesecurityandstability.Recentlythecalculationsofback-strikelightningperformanceforover-headtransmissionlinehave:travelingwavemethod,MonteCarlomethod,fault-treeanalysis,EMTPmethod,calculationmethodforback-strikelightningwithstandviatechnicalcodes,electricalgeometricmodeling,improvedgeometricmodelmethod,methodofleaderpropagatingback-strikemodelandmethodofback-strikeprobabilitymodel.Withsummarizingupandcomparingtheaforesaidmethods,back-flashoverwithstandperformanceandshieldingfailurewithstandperformanceofEHV/UHVtransmissionlinesareanalyzed,andfinallytheaforesaidmethodsareevaluatedandprospected.关键词：超/特高压输电线路耐雷性能绕击计算方法Keywords:EHV/UHVtransmissionlineBackstrikingShieldingfailureCalculation中图分类号：TM863文献标识码：A1.引言2.超/特高压输电线路反击耐雷性能计算超/特高压输电线路结构尺寸大，杆塔高，再方法加上线路运行电压高等因素，使得超/特高压输电目前用于输电线路反击耐雷性能的计算方法有以下几种：线路特别引雷，受雷电击概率比其它较低电压级2.1规程法线路大。所以，超/特高压输电线路防雷水平是保《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规障运行安全的关键。由于结构尺寸大，超/特高压程的耐雷水平的计算模型，定义为绝缘子串的耐受输电线路的杆塔波阻抗分布和雷电暂态响应特性电压由导线感应电压和悬挂点塔身电压叠加而成。更为复杂。为此，须重新建立符合超/特高压输电杆塔耐雷水平计算如下式：线路特点的反击耐雷性能研究模型。超/特高压输电线路绝缘水平较高，绕击成为主要的雷害形式。降低输电线路绕击跳闸率是降低超/特高压输电线路跳闸率有效途径之一。因此，建立更为符式中：u为绝缘子串的50％冲击放电电压合雷电发展规律的线路绕击模型是超/特高压输电50%(kV)；k—为导线和避雷线间的耦合系数；—为线路防雷研究的重要课题。—β(1)6.2)1(6.2)()1(c0cgtta%50hkhhLβkhhβRkuIi-+-+-=(上接第8页)[6]刘相枪，姜宪法，陈忠伟,等，平果可控串补装置控制系统的介绍和应用，2004,9[3]ABB,Seriescapacitorsforsafepowersupplytothe[7]周敏，李毅山.无熔丝电容器在串补输电装置中的Beijingarea应用.广东电力设计，2008,4(12)[4]王健.串联补偿技术应用浅析.机械管理开发，[8]JonathanWoodworth,MOVprotectionofseries2005,5(10)capacitorbanks,ArresterFactors008,July2008.[5]PerterH.Thiel,JohnE.Harder,GeorgeE.Taylor.作者简介：Fuselesscapacitorbanks.IEEETransactiononpowerdelivery,周敏(1983-)，男，江苏苏州人，工学硕士，工程1992,7(2)师，主要从事输变电设计、FACTS技术方面的工作。CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC9研究与专论●的波阻抗。杆塔分流系数；R为杆塔冲击接地电阻(Ω)；i2.3蒙特卡洛法h为横担对地高度(m)；h为杆塔高度(m)；atMonteCarlo法又称统计模拟法或统计试验L—杆塔电感(H)；h—地线平均高度(m)；h—导tgc[2]法，就是用数学的方法统计出各种不同分布的线平均高度(m)；k—导线和避雷线间的几何耦合0随机变量抽样序列，来模拟给定问题的概率统系数。计模型，然后给出问题的渐进统计估计值的数规程的线路反击计算比较简单方便，能够满值解。其原理是由计算机产生代表雷电流幅值足目前我国一般输电线路的耐受雷电反击设计要和波前长度等统计量，计算线路耐雷性，验算求。但该方法将杆塔视为一等值电感，杆塔上所和确定线路绝缘水平，效验防雷措施的性能。有点的电位相同，既不能反映在雷击塔顶时雷电1962年，我国利用概率论方法，提出了考虑雷流在杆塔上的传播过程，以及反射波对杆塔各节电流幅值和陡度两个随机变量的线路雷击跳闸点电位的差异，也不能反映绝缘子串上的电压随率计算方法。用这种分析法计算危险参数曲线时间的变化。因此，规程法只算是一种简化的方和跳闸率，与取某一固定陡度计算耐雷水平和法，不能详实地反映实际的雷击过程。跳闸率相比，更能符合实际，在高杆塔线路和2.2行波法超高压线路更是如此。防雷计算中的很多参数[1]行波法将杆塔的各段视为线路段，把线路的变化是随机的，用MonteCarlo法的优点是可的分布参数简化成各节点间的集中参数，再用集以产生随机数来模拟实际雷电流、雷击部位和中参数电路的节点作分析，然后求出杆塔各节点线电压等。缺点是雷击中部位的判据难找，雷电压，得出绝缘子串的电位差随时间的变化过击中部位的闪络判据也不好找，目前尚无一个程，并与绝缘子串伏秒特性比较，判断绝缘子串统一的判据。是否闪络。这种计算反映了雷电波在杆塔上的传2.4故障树法播过程，以及反射波对杆塔各节点电位的影响。[3]“故障树”囊括了“雷击送电线路跳闸”这种方法是基于线路的贝杰龙数学模型作出的，这个故障命题中的基本事件、自然事件、控制事故又称贝杰龙法。利用行波法分析线路反击耐雷件和必然事件等全部可能性因果关系。显然易性能，杆塔波阻抗的正确选取非常重要，选取不见，故障树法分析解是定性的，考虑因素较为全当会产生较大误差。我国规程推荐的铁塔波阻抗面。但它的缺点就是不能定量计算，任何情况下为150Ω，杆塔电感为0.5μH/m，行波速为光速的跳闸都只能作定性分析。300,000km/s。但实测的波阻抗和波速一般小于上2.5EMTP法述值，不同形状的铁塔的波阻抗和波速也不同。EMTP(Electro-magnetictransientprocess电磁日本的做法甚至在一个铁塔的不同部位采用不同———μ地线支架波阻抗先导模型J.Marti模型雷电流雷电流波阻抗图1EMTP雷电仿真模型J.Marti模型地线支架波阻抗塔身波阻抗冲击接地电阻塔身波阻抗冲击接地电阻先导模型J.Marti模型地线支架波阻抗塔身波阻抗冲击接地电阻先导模型J.Marti模型地线支架波阻抗塔身波阻抗冲击接地电阻先导模型J.Marti模型地线支架波阻抗塔身波阻抗先导模型J.Marti模型地线支架波阻抗塔身波阻抗地线支架波阻抗塔身波阻抗冲击接地电阻冲击接地电阻冲击接地电阻10超/特高压输电线路耐雷性能计算方法探讨暂态过程)将求解分布参数线路波过程的特性线法和求解集中参数电路暂态过程的梯行法结合起来，形成的一种数值计算方法。目前EMTP程序已经被国内外研究机构、设计单位广泛使用，是[4]电力系统雷电过电压的数值分析较精确的手段。2.5.1线路模型选择“ATP/EMTP”(ATP，Alternativetransientprocess，交变暂态过程。ATP/EMTP是最通用的EMTP版本)计算模型，见图1。它首先把分布参数线路和集中参数储能元件(L、C)等值成为集中参数的电阻性网络，然后用求解电阻网络的通用方法，计算实际电路的波过程。过的地形、地貌和地质条件有关，平原和山区线路2.5.2雷电流波形及波头时间选择的绕率与保护角和杆塔高度的关系如下：雷电流波头时间(波头陡度)对高杆塔的耐雷性能计算影响较敏感。根据伯格和意大利学者的测量结果，推导了雷电流幅值和波头时间的联合概率密度。给定某一幅值，可以求出平均波头时间。表1给出了在参考概率为2％时(即雷电流波头式中:α为避雷线对边导线的保护角(˚)；h为杆小于最小波头时间的概率为2％)不同幅值雷电流塔高度(m)；P为线路雷电绕击率。α对应的波头时间(μs)。规程法中的线路绕击率计算简单方便，经过一定的实践检验，能够满足一般线路的防雷屏蔽设计要求。但其缺点也很明显。由于规程法中的线路绕击率计算公式，是根据多年的运行经验和小电流下的模型试验结果而提出的，属于综合的平均值的性质，对于杆塔较高的超/特高压线路，规程法的结果与实际情况会有较大出入。3.2经典电气几何模型2.5.3杆塔的多波阻抗模型电气几何模型(EGM，Electricgeometry日本学者YamadaT，HaraT，西班牙学者method)是将雷电的放电特性与线路的结构尺寸联[4-7]Martinez.J.A.等对杆塔进行了冲击试验研究，系起来而建立的一种几何分析计算模型。其基本测量了杆塔不同部位的阻抗值，并在试验基础建假设是：由雷云向地面发展的先导放电通道头部立了多波阻抗模型来模拟输电线路的杆塔。多波到达被击物体的临界击穿距离(击距)以前，击中阻抗模型不仅考虑了波在杆塔上的行进，还考虑点是不确定的。先到达哪个物体的击距之内，即到了杆塔的自身结构、不同高度对地电容的变向该物体放电。击距仅同雷电流幅值有关，而与化，所以它得到的结果更符合高杆塔的波过程(见其它因素无关。先导对杆塔、避雷线和导线的击图2)。[8-9]距相等。3.超/特高压输电线路绕击耐雷性能计算图3为EGM用于输电线路屏蔽保护计算的几目前用于分析输电线路绕击耐雷性能的方法何作图分析法图形。雷电流强度为I的雷电先导的k和模型主要有以下几种：定位位置为曲线ABCD，弧段AC和AB分别是kkkkkkkk3.1规程法以地线和导线为圆心，以r为半径(击距)的弧sck规程法认为：雷电绕过避雷线直击导线的概率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及线路经线，BD为平行于地面，高度为r的直线。弧段kksck9.386lg-=hαPα平原线路(2)35.386lg-=hαPα山区线路(3)表1不同幅值的雷电流对应的波头时间计算用的平均波头时间τfa雷电流幅值(kA)6080100120200最小波头时间(μs)伯格的数据伯格的数据意大利的数据意大利的数据平均波头时间(μs)2.73.33.894.386.262.393.253.914.857.68.9310.9312.7814.5120.7515.0919.8924.6429.3547.936.748.369.8811.3316.62图2同塔双回路杆塔波阻抗Z0Z0Za1Za1Zt1Za