220kV输电线路耐雷水平仿真研究

2016-02-15国网湖南省电力公司岳阳供电分公司湖南岳阳414000

低碳世界 2016年36期

关键词：耐雷闪络铁塔

吴忧（国网湖南省电力公司岳阳供电分公司，湖南岳阳414000）

220kV输电线路耐雷水平仿真研究

吴忧（国网湖南省电力公司岳阳供电分公司，湖南岳阳414000）

国内架空输电线路工程设计程序水平普遍使用规程法来计算杆塔的耐雷水平，该方法简单、实用，但没有考虑雷电流对杆塔的传播，也不考虑导线之间的耦合效应，计算结果很保守，防雷工程成本增加的主要因素之一。

输电线路；耐雷水平；规程法；ATP-EMTP仿真

广泛使用的ATP-EMTP仿真程序来模拟输电线路电磁暂态分析的各个组成部分，雷电流模型采用双指数模型简单高效，但会使塔顶电位比其他模型要大得多；采用单一波阻抗模型来表示杆塔虽考虑了雷电流在杆塔中的传播过程，忽略了复杂的塔型水平和垂直方向的两波阻抗差异；绝缘子串闪络模型可用U50%闪络电压代替，这种闪络判据并未考虑到绝缘子串伏秒特性随时间变化的情况为简化模型，用工频接地电阻代替冲击接地电阻，但这种简化未考虑雷电流对接地电阻的影响。

1 工程概况

某输电线路导线型号采用2×JL／G1A-300／40钢芯铝绞线，两根避雷线一根为OPGW-14.6-120-2复合光缆，另一根为JLB35-120铝包钢绞线，铁塔型号采用《国家电网公司输变电工程通用设计（2011年版）》中2A1系列铁塔，全线路考虑按C级污秽区，爬电比距按39.4mm／kV选择绝缘子片数，年平均雷暴日为70d／年。

2 仿真模型的构建

2.1 接地模型

雷击电流通过接地装置接地，接地装置的作用是接地电阻的影响，而不是工频接地电阻。当冲击雷电流通过接地体，由于接地体周围土壤的高电位分解并有强烈的放电功率，这相当于扩大接地导体的直径，从而使得接地体在冲击雷电流下所呈现的冲击接地电阻要比工频接地电阻小得多。

2.2 铁塔模型

考虑到某工程铁塔高度超过40m，因此宜采用属于分布参数模型的多波阻抗模型，针对雷电流在铁塔的水平方向和垂直方向的传播过程，铁塔的水平、垂直导体波阻抗分别取160、140Ω，波速取0.7倍光速，铁塔型号为国家电网公司输变电工程通用设计2A1-ZBK塔型。

2.3 线路模型

由于发生雷击的过程在微秒级别，等效频率很高，涵盖的频率范围广，故线路模型采用与频率有关的JMarti模型，该模型仍有Bergeron模型分布参数的特性，忽略了对地电导，同时也忽略了雷电冲击电晕的影响，为了补偿冲击电晕的影响，在计算反击耐雷水平时，根据《电力工程高压送电线路设计手册》规定，导线上产生的雷电感应电压引入电晕修正系数取1.25。

2.4 雷电流模型

采用国际电工委员会（IEC）推荐的Heidler模型，计算公式为：

式中，I0为雷电流的幅值，A；η为雷电峰值修正因子，取1；n为电流陡度因子，取2；τ1为波头时间，取2.6μs；τ2为波尾时间，取50μs。

2.5 绝缘子串模型

绝缘子串模型有两种常用的形式：①参考国际标准的计算公式：

式中，绝缘子串有效长度是Lie，m；t为雷电冲击发生时到绝缘子串闪络的时间，μs。②根据生产厂家提供的绝缘子串伏秒特性值拟合成表达式，如武汉高压研究所提供的220kV绝缘子串伏秒特性公式为：

式中，绝缘子串闪络电压是U（t），V；闪络时间是t，μs。对比两种模型的仿真差异，利用ATP-EMTP中功能丰富的控制系统暂态分析（TACS）软件，模拟出绝缘子串的伏秒特性。采用相交法来模拟绝缘子串的闪络过程，即不断增大雷电流的幅值，当铁塔横担和导线之间的电位差大于绝缘子串的伏秒特性值时，绝缘子串发生闪络，且闪络状态被锁定。

3 实例仿真

3.1 耐雷水平

雷击包括反击和绕击两种情况，相应的耐雷水平包括绕击耐雷水平和反击耐雷水平。雷电反击又分为雷击避雷线档距中央和雷击杆塔两种情况，由于在实际工程中避雷线和导线之间的配合是严格按照国家标准设计，即导线和避雷线在档距中央的距离满足D≥0.012L+1（L为档距，m），线路一般不会发生档中闪络，故不再仿真计算这种情况。按照式（1）～（3）建模方法对本文工程进行建模，线路模型考虑工频电压源，线电压有效值取220kV，频率取50Hz，初相角取0°，同时为了简化模型，除中间一基铁塔的接地和绝缘子串模型最为细致外，前后其余铁塔的接地模型则忽略火花效应，接地电阻取15Ω，绝缘子串采用简单的压控开关代替，即当绝缘子串两端电压超过50%冲击放电电压1200kV时，绝缘子串发生闪络。

3.2 绝缘子串模型

若将绝缘子串模型由武汉高压研究所提供的伏秒特性拟合函数改为国际标准IEEE的伏秒特性拟合函数，雷击点仍为塔顶OPGW复合光缆支架一侧，仿真计算结果见表1。由表1可知，绝缘子串模型改变后，各相反击耐雷水平均发生了变化，其中C相耐雷水平下降了12.15%，B相耐雷水平下降了12.16%，A相耐雷水平上升了4.46%，最终整体反击耐雷水平仍由最弱的C相反击耐雷水平决定，与绝缘子串模型改变之前相比下降了12.15%，可见采用IEEE绝缘子串模型仿真结果偏小，因此在耐雷水平计算时若缺乏厂家提供的绝缘子串伏秒特性参数，保守建议采用IEEE标准。

4 结论

通过详细的ATP EMTP软件建立了220kV输电线路工程模型，计算并评估铁塔每一相的反击耐雷水平和绕击耐雷水平，从而找出最薄弱的一相的防雷性能。雷击塔顶不同的地线侧和使用不同的绝缘子串模型对反击耐雷水平均有影响，耐雷水平计算时为了保守起见，雷击点应选择普通铝包钢绞线一侧，若缺乏厂家提供的绝缘子串伏秒特性参数，建议选择IEEE标准。