包头地区220 kV输电线路雷击事故分析及防雷改造

宣迪凯

(东北电力大学,吉林 吉林 132012)

包头地区220 kV输电线路雷击事故分析及防雷改造

宣迪凯

(东北电力大学,吉林 吉林 132012)

近几年,包头地区220 kV包青Ⅰ、Ⅱ回线路两次发生由于雷击输电线路引起的双回同时闪络跳闸事故,严重影响了内蒙古地区供电的可靠性。为研究该线路雷击事故并采取特定手段来提高其耐雷性能,利用EMTP来计算和研究雷击同杆线路的反击过程,通过仿真来模拟复现事故,并利用EGM法求解杆塔绕击跳闸率。

跳闸事故;反击;绕击;耐雷性能

内蒙古包青Ⅰ、Ⅱ回220 kV同杆双回线路全长29.45 km,共有 95座杆塔,从2008年开始运行至今已发生两次由于雷击造成的双回线路同时跳闸事故,对内蒙古地区的供电可靠性造成了严重影响。因此,对发生在这条线路上的跳闸事故进行调查分析,研究雷击线路发生双回同跳事故的机理,采取对应的防雷措施降低事故概率,能够有效改善该线路的耐雷性能。

1 绕击耐雷性能研究

以EGM法为基础建模,并采用VB语言编写相关的程序[1]。

1.1 雷绕击时导线上的电压

依据《行标》,计算过程中导线与雷电通道波阻抗Zo及Zc各取300 Ω及900 Ω,通过彼德逊法则可以得出

即U=IZc/2.33。E.R.Whitehead认为U=IZC/2.2,本文计算中取U=IZc/2.33。

1.2 击距公式及系数

传统电气几何模型中,击距大小r只与雷电流幅值I有关[2],并有相关公式r=AIb。目前存在多种形式的击距公式,常见的有如下:

Golde击距公式为

r=3.3I0.78

Whitehead击距公式为

r=6.72I0.8

IEEE雷电工作组击距公式为

r=6.88I0.69

朱氏模型击距公式为

r=8I0.65

击距系数β可以描述雷电先导对地面和导体之间击穿强度的大小,许多绕击计算模型都表述了β与h间的关系,主要有

β=22/h

β=1.94-h/26

β=1.08-h/59

β=1.05-h/87

β=1.18-h/108.69

(1)

上述公式中h为导线对地平均高度,本文计算中取式(1)。

1.3 雷电流幅值概率函数

计算超过Ii的雷电流幅值概率的公式为

当h≤20时

当h>20时

1.4 绕击跳闸率的计算

(x-X1)2+(y-Y1)2=r2

(2)

(x-X2)2+(y-Y2)2=r2

(3)

联立式(2)和式(3),取其中x值较大的解,可得地线与上导线的击距弧交点Bk(Xb,Yb)。

同理可得点Ck坐标(Xc,Yc)与点Dk坐标(Xd,Yd)。而Ek的坐标,可通过下述方法求得[3]。

(tanθ)x+y-b=0

(4)

(x-X4)2+(y-Y4)2=r

(5)

若d′>(1+β)r,则令点D至直线(tanθ)x+y-b=0的距离等于r并求解,即可得b值;如果d′<(1+β)r,则以原点到直线(x-X4)2+(y-Y4)2=r

图1 双回线路EGM模型

的距离等于βr来求解并取其中较大值为b。而通过式(4)、(5)来求解y,取其中较小的一组解即为Ek点坐标。

单根导线发生绕击的概率随着雷电流增大而减小,计算220 kV同杆双回输电线路绕击跳闸率的具体流程如图2所示,并依此编写相关程序。

图2 计算同杆双回线路绕击跳闸率流程图

2 反击耐雷性能研究

2.1 雷电流模型

雷电流模型的建立是将其物理过程看做一个沿着固定波阻抗通道通向地面的电磁波过程,图3所示为等值电路。其中i0及I分别为流过雷电通道及被击物体的电流,Z0和Z则分别为雷电通道和被雷击物的波阻抗。Z0一般取300 Ω。

图3 雷电流源等值电路

如图3所示,模型由两部分并联而成,分别为波形是2.6/50 μs的电流源与被击电路部分。防雷设计则由现行规程推荐采用波头时间为2.6 μs,幅值为I的雷电流波形。

2.2 杆塔模型

图4为同杆双回输电线路的杆塔模型。

图4 同杆双回输电线路杆塔模型

杆塔主干部分波阻抗的计算公式为

支架部分波阻抗为

ZLi=9ZTi

横担部分波阻抗为

其中rAi为横担的等效半径,约为其与主干连接宽度的1/4[4]。

横担和主干波阻抗可以通过上式求得,其中波速取为光速。试验表明,当雷电进行波在杆塔内传播时,支架中的进行波传送与在主干中的传送过程相比较存在延迟现象,一般将前者长度取为后者的2/3[5]。

某些线路中(例如220 kV线路)高度平均的杆塔,一般其波阻抗都远大于接地电阻,从塔顶端到塔底部传播的波会产生与之相反极性的波并由下至上传播。该波瞬时即到达主干与横担交汇处,再与该交汇处的已有电位叠加,从而抑制了电压升高。反射波到达时,波头形状为斜坡的雷电流还没有达到它的峰值。雷电流到达峰值的时间相对于反射波由塔底返回塔顶的时间越长,且杆塔接地电阻值越小时,其能引起的雷电流幅值下降越多。

2.3 避雷器模型

目前在电力系统应用最为广泛的避雷器材料为氧化锌。当有雷电进行波通过时,金属氧化物避雷器的阀片可以看成是电容与高阻值非线性电阻并联而成。当阀片上的电压值在一定范围内时斜率无限大,它就相当于一个阻值极高的电阻。然而它的阻值又随着电压的不断升高最终趋于零,也就是说在过电压保护范围内,其数值基本保持不变。表1给出了220 kV无间隙金属氧化物避雷器的伏安特性。

表1 220 kV无间隙金属氧化物避雷器的伏安特性

2.4 绝缘子串闪络模型

绝缘子串的闪络模型如图5所示。

图5 TACS组件模拟绝缘子串闪络模型

当雷击事故发生时,绝缘子串的伏秒特性和它的过电压幅值都与时间相关,前者可由有名+固定阙限值来进行相关的模拟,后者则能用52#电平触发开关来进行模拟,TACS包含有FORTRAN表达式,一般都应用它。随着雷电进行波传播,一旦某一条件得到满足,即驱动信号达到或超过有名+固定阙限值的条件得到满足时,52#电平触发开关被触发,开关合上,并导出一个正数。此结果又能控制13#TACS开关使其闭合,后者状态又代表着绝缘子串的状态,它打开就表明绝缘子串正常,并未发生闪络。在52#开关及被其控制的13#TACS开关间有一个64#最小值/最大值跟踪器,它的作用是在52#开关输出为正数时将其锁定,从而防止绝缘子串两端的电压小于伏秒特性时13#TACS开关重新断开,使其闪络的状态能够得到确认,从而保证所得到模拟结果的准确性[7-8]。

3 故障分析

3.1 故障概述

2009年8月14日11:14，包青Ⅰ、Ⅱ回纵差保护动作跳闸,此后断路器重合,两回线路的故障相都是C相。包北变故障录波器测距:包青Ⅰ回257断路器13.9 km、包青Ⅱ回258断路器14.6 km。原因:故障线路中35#杆塔C相绝缘子发生闪络,当天为雷雨天气。2011年7月11日8:17，包青Ⅰ、Ⅱ回两端RCS-931B、CSC-103B纵差保护动作跳闸,C相故障,此后断路器重合,包北变故障录波器测距显示各为14.7、15.5 km。原因:故障线路37#塔C相绝缘子发生闪络。

3.2 双回同跳故障分析

雷电绕击线路时,由于避雷线的屏蔽作用,导致雷电流幅值不会很大,因此通常只能引起一相导线闪络。而反击雷幅值则可以高达200 kA以上,能量远大于绕击雷,流过的雷电流非常大,足以能够引起使线路发生多相闪络事故,从而引起线路的双回同跳事故[9-10]。

本项目通过对双回同跳的故障进行分析,以电磁暂态计算程序为基础,并以相关故障塔的检测数据为依据进行仿真模拟,从而研究反击雷对220 kV线路双回同跳事故的影响,最后提出对应的解决方案来改善其防雷性能。

3.3 线路参数

根据所提供的杆塔信息可以知道,35#、37#塔均为直线塔,塔型及相应的参数如图6、图7和表2所示。

图6 35#杆塔结构图

图7 37#杆塔结构图

1) 导线和地线参数:导线为2×LGJ-400/35钢芯铝绞线,双分裂垂直排列;架空地线型号则为JLB40-120型铝包钢绞线及OPGW复合光缆,两种型号各一根。

2) 绝缘配置:类型为FXBW-220/160棒形绝缘子。

3) 接地装置:导体采用铜包钢的材料并采用放射式的布置方式。35#杆塔埋深2.7 m,地角螺栓型号M42,现场实测接地电阻为49 Ω;37#杆塔埋深3.6 m,地角螺栓型号M49,现场实测接地电阻为12.1 Ω。

表2 35#和37#杆塔参数

3.4 模型仿真结果

反击发生时会在杆塔上引起各种幅值大小的雷电流,其会导致同杆双回线路发生一相甚至多相导线绝缘子闪络。为重现35#和37#杆塔的反击跳闸事故,基于电磁暂态程序来建立相关的仿真模型,并以此计算杆塔的一相闪络时的耐雷水平及两相同时发生闪络的耐雷水平。

在不同大小的雷电流下,35#号杆塔分别发生单相闪络和两相同时闪络的情况如图8和图9所示。在雷击中杆塔的一瞬间,A相工频相位是0°,接地电阻值是49 Ω,当雷电流幅值比51 kA大时会使包青Ⅰ回线C相跳闸;而大于76 kA又会使包青Ⅰ、Ⅱ回线C相同时跳闸,Ⅰ、Ⅱ回线C相分别在对应三相的中、下相。

在不同大小的雷电流下,37#号杆塔发生单相闪络和两相闪络情况(绝缘闪络时绝缘子两端电压差降为零)如图10和图11所示。在雷击杆塔瞬间,工频相位为0°,现场实测接地电阻为12.1 Ω,当雷电流幅值大于102 kA时将引起包青Ⅰ回线C相(中相)跳闸;雷电流幅值大于125 kA时将引起包青Ⅰ回线C相(中相)、包青Ⅱ回线C相(下相)同时跳闸。

图8 35#杆塔51 kA雷电流下发生单相闪络

图9 35#杆塔76 kA雷电流下发生两相闪络

图10 37#杆塔76 kA雷电流下发生两相闪络

图11 37#杆塔125 kA雷电流下发生两相同时闪络

4 结 论

以EMTP为基础建立相关的仿真模型,对包青Ⅰ、Ⅱ回输电线路的35#杆塔、37#杆塔双回同跳事故实现故障重现。计算结果与实际情况相符,成功复现了两起双回同跳事故。

在考虑220 kV线路和包青线路的运行经验之后,确定了本次对杆塔的改造以防反击为主、防绕击为辅来降低雷击跳闸率的解决方案。综合考虑线路特点及改造成本等因素,对于包青线路给出改造接地电阻和在线路易击段架设避雷器的方案。

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(责任编辑 王小唯)

Analysis on lightning accident of 220 kV transmission line andthe protection for the lightning flash in Baotou region

XUAN Dikai

(Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

In recent years,double circuit simultaneity trip-out accident occurred two times in the first and second circuit of 220kV Baoqing transmission line in Baotou region due to lightning on transmission line.It severely influenced reliability of power supply in Inner Mongolia region.So it is significant to improve its lightning protection performance by making a research on this transmission line and taking some measures.In this paper,EMPT (Electro-Magnetic Transient Program) was used to calculate and research back flash-over process of transmission line of lightning strike on the same tower.Simulation was taken to reproduce the accident and EGM was also used to solve the tower shielding failure outage rate.

trip-out accident; back flash-over; shielding failure; lightning protection performance

2016-03-10。

宣迪凯(1992—),男,硕士研究生,研究方向为高电压与绝缘技术。

TM863

B

2095-6843(2016)06-0510-06