输电线路绕击跳闸率分析计算

唐 震

(山西电力科学研究院,山西太原 030001)

输电线路绕击跳闸率分析计算

唐 震

(山西电力科学研究院,山西太原 030001)

根据电力行业标准以及改进电气几何模型算法,对山西北部电网一起因雷击引起的220 kV输电线路跳闸故障进行了分析计算,结果表明是一起典型的大电流绕击跳闸故障。并根据计算结果对两种算法进行了比较,进而提出改进措施,并用改进电气几何模型算法对改进措施进行了分析计算。

改进电气几何模型;绕击跳闸率;电力行业标准

0 引言

电力工业是国民经济的重要部门之一,它既为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力,又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系,是国民经济高速发展的前提和基础。架空输电线路是电力工业 “发、输、变”三大主要组成部分之一,而架空输电线路纵横延伸,地处旷野,大都是暴露在大气中,同时也暴露在雷电危害之下。雷击输电线路是造成线路跳闸停电事故的主要原因之一,电力系统事故中雷害事故一般占50%以上[1]。瑞典1986年由于雷击而引起的事故占所有事故的51%;日本50%以上的电力系统事故是由于雷击输电线路引起的;国际大电网会议公布的美国、前苏联等12个国家的电压为275～500 kV,总长3.27万km输电线路连续3 a运行资料中指出,雷害事故占总事故的60%[2-3]。

在我国,雷击输电线路引起的事故也占很大比例,根据我国1991年—1996年合计60 149 km的500 kV的输电线路 (几乎全部为单回路)统计,雷击跳闸率为0.136次/100 km·a[3]。随着电网的发展,输电线路的电压等级越高,除了输送容量的增大在系统中所占的重要性相对增加以外,其杆塔高度也增加,线路走廊的尺寸也随之增大,引雷半径自然也增大,这样,雷电流引起的输电线路跳闸事故所占的比例也越来越大。目前,评估输电线路绕击耐雷性能的方法主要有规程法、电气几何法等,本文主要根据山西北部电网发生的一起雷击跳闸事故对防雷性能进行分析。

1 防雷性能计算

山西北部电网发生一起220 kV线路雷击跳闸故障,其杆塔示意图见图1,杆塔参数见表1。

图1 220 kV L-V塔示意图,m

表1 雷击故障L-V塔参数

1.1 反击耐雷水平计算

雷电直击杆塔或避雷线是造成反击跳闸的主要形式。目前,对反击跳闸主要采用电力行业标准法和电磁暂态计算EM TP(Electro Magnetic T ransient Program)法。

根据雷击故障的杆塔资料,杆塔接地电阻较小,相邻三基塔的接地电阻分别为6.7、4.5、4.3(冲击系数取≤0.5),故反击耐雷水平较高。根据行业标准,雷击杆塔时的耐雷水平由式 (1)计算。

式中:I1——反击耐雷水平,kA;

k ——耦合系数;

β ——杆塔分流系数;

U 50%——50%绝缘子串闪络电压,kV;

R ch ——冲击接地电阻,Ω;

Lgt——杆塔电感,μH/m;

h d ——杆塔高度,m。

雷电流超过I1的概率P1=1.94%,可见超过此幅值的雷电流出现的概率较小。而雷电定位系统显示实测雷电流为约60 kA,远小于耐雷水平。根据国内外高压线路的运行经验表明,对于杆塔高度小于50 m、冲击接地电阻小于5Ω的输电线路,雷电反击跳闸的可能性很小。

1.2 绕击率计算

绕击率计算按规程法、电气几何模型法及改进的电气几何模型法进行分析。

1.2.1 规程法

中华人民共和国电力行业标准 《交流电气装置的过电压和绝缘配合》DL/T620—1997(以下简称 《电力行业标准》)是国内线路防雷的设计准则。《电力行业标准》根据模拟实验与运行经验指出,绕击率与避雷线对导线外侧的保护角、杆塔高度以及沿线路的地形地貌有关,山区线路可以按近似公式 (2)计算。

式中:pα——绕击率;

α ——保护角,(°);

h ——杆塔高度,m。

根据式 (2)计算山区线路绕击率 (当α=30°时)。

由此可见,发生绕击跳闸事故的可能性也极小。

1.2.2 电气几何模型法[1]

20 世纪60年代出现的电气几何模型 EGM(Electric Geometry Model)是当今国际上流行的分析绕击率的方法,以雷击机理的现代知识作为基础,基本原理建立在下列基本概念和假设基础之上。

a)由雷云向地面发展的先导放电通道头部到达被击物体的临界击穿距离 (击距)以前,击中点是不确定的,先到达哪个物体的击距之内,即向该物体放电。

b)击距的大小与先导头部的电位有关,击距rs是雷电流幅值I的函数。各国采用此函数关系不完全相同。

式中k、p是两个常数。这里取Whitehead推荐的系数k=6.72,p=0.8。

c)不考虑雷击目的物体形状和邻近效应等其他因素对击距的影响,假定先导对杆塔、避雷线、导线的击距rs相等。

d)假定先导接近地面时的入射角服从某一给定概率分布函数g(ψ)。

图2 雷击线路的电气几何模型

以地面倾角 θ=0°,ψ=0°。根据以上假设作图,见图2。线路周围的空间被划分为三个区域,沿OK直线形成的斜面以上是雷击避雷线的区域;OK斜面与C1 CiK抛物线沿线路形成的曲面所包围的区域是雷绕击导线的区域;C1 Ci K曲面以下是雷击地面的区域;当雷电流幅值大于I sm时,雷或击中避雷线,或击中大地,不再发生绕击,此时的Ism称为最大绕击电流,相应的击距rsm称为最大击距,r sm可以通过图2中的几何关系导出[4]。

由上述可以看出,I max=3.8 kA＜I sc=12 kA,即本杆塔线路挡达到了有效屏蔽。按照EGM理论,在有效屏蔽条件下绕击闪络次数为零。

电力行业标准是建立在高压线路经验累积的基础上制定的,在计算线路绕击率时并未考虑雷电流的过程及地面倾角等对屏蔽效果的影响。电气几何法虽然引入了绕击率与雷电流幅值相关的观点,考虑了线路结构和雷电流参数对绕击率的影响,但也未能考虑地面倾角、地面场强与导线平均场强等一系列因素。

1.2.3 改进的电气几何模型法

根据改进的电气几何模型法计算线路绕击率,首先假定雷电先导放电时均匀垂直地从高空向地面发展的,即 ψ=0°。如图2所示,幅值 Ii的雷电流击于保护弧AiBi和暴露弧BiCi上的概率,分别与该两弧在水平面的投影宽度成比例。因此其投影之比即为幅值为 Ii雷电流的绕击率。由图2可见,绕击率与雷电流的幅值的大小有关,幅值低的雷电流具有较大的绕击率,幅值高的雷电流具有较小的绕击率。在理想条件下,当幅值达到最大绕击电流Imax时,绕击率为零,大于最大绕击电流 Imax时不发生绕击。当然,在山区地形、气象等不利条件下,并不排除发生大电流绕击的例外情况。

根据击距与地面倾角的几何关系,可以推导出考虑地面倾角以及击距系数的最大击距通用公式,见式 (5)。

按IEEE导则推荐,当避雷线高度小于40 m时,雷击导线与雷击地面时的平均临界场强之比系数k取0.7;如k取1,则意味着不考虑平均场强的不同,仅考虑地面倾角的情况。这里取k=0.7,由此可由式 (6)计算出线路绕击跳闸率[4]。

图3 计算绕击率程序框图

式中: η ——建弧率,取0.8;

γ ——落雷密度,取0.07;

ΔI ——电流变化量;

ρ(Ii) ——超过 Ii电流幅值的概率;

GiD i ——弧投影;

n ——绕击跳闸率。根据改进的电气几何模型理论,自行编制程序进行计算,计算程序框图见图3。不同地面倾角的绕击跳闸率计算结果见表2。

表2 不同地面倾角以及避雷线横担增加0.2m后的绕击跳闸率

2 结论

a)山西北部电网一起雷击故障是典型的因地形而引起的大电流绕击跳闸故障。

b)在地面倾角小于15°时,暴露弧为零,绕击跳闸率为零。随着地面倾角的增加,绕击跳闸率急剧增大。因此,对于运行中的此类杆塔,除应装设防绕击侧针外,也应适当调整避雷线的保护角。

c)在输电线路设计中,针对不同地形情况(如山区、丘陵等特殊路段),修正设计参数,提高线路防雷性能。如增加避雷线增加横担0.2 m,绕击跳闸率将迅速减小。

d)利用改进电气几何算法计算出的绕击跳闸率较高。因此,对于特殊地段,电力行业规程的计算结果偏小,应予以修正。

[1] 谷定燮,聂定珍.三峡500 kV出线同杆双回线路雷电性能研究 [J].高电压技术,1999,25(3):14-17.

[2] 维列夏金,吴维韩.俄罗斯超高压和特高压输电线路防雷运行经验 [J].高电压技术,1998,24(2):76-79.

[3] 刘振亚.特高压交流输电系统过电压与绝缘配合 [M].北京:中国电力出版社,2008:38-51.

[4] 英国.R.H.Golde.雷电 (下卷)[M].李文恩,李福寿,译.北京:水利电力出版社,1983:184-227.

Lightning Shielding Failure Analysis of Transm ission Line

TANG Zhen
(Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)

Based on the standard of Electric Pow er Industry and im proved EGM,a lightning shielding failure o f 220 kV transmission line of North grid of Shanxiw as analysised and calculated,the result of which reveals that it is a typical high current shielding failure flash-over.The resultw as also compared with method from Electric Pow er Industry Standard,then a measure w as put forw ard and analysised using imp roved EGM method.

Imp roved EGM;shielding failure flash-over rate;Electric Power Industry Standard

TM 863

A

1671-0320(2010)03-0005-03

2010-03-01,

2010-04-20

唐 震 (1966-),男,陕西潼关人,1996年毕业于华北电力大学电力系统自动化专业,高级工程师,主要研究方向为电力系统继电保护以及电力系统过电压。

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