基于PSCAD的某输电线路耐雷水平的仿真研究*
2017-03-31郭昆丽宋晓菲王建波张永宜
郭昆丽 宋晓菲 王建波 王 猛 张永宜
(1.西安工程大学 西安 710048)(2.国网陕西省电力公司电力科学研究院 西安 710054)
基于PSCAD的某输电线路耐雷水平的仿真研究*
郭昆丽1宋晓菲1王建波2王 猛1张永宜1
(1.西安工程大学 西安 710048)(2.国网陕西省电力公司电力科学研究院 西安 710054)
雷击经常造成输电线路杆塔绝缘子串闪络,给电力运行带来很大的影响。论文建立了35kV架空输电线路杆塔的雷电流模型、线路模型和杆塔模型,采用PSCAD/EMTDC仿真软件,分析安装线路避雷器、降低接地电阻等措施的防雷效果。当雷击杆塔顶时,与线路未采取任何防雷措施相比,易击杆两侧安装三组避雷器耐雷水平可提髙5倍,效果明显。仿真分析可为该输电线路防雷措施提供重要的参考。
输电线路; 防雷措施; PSCAD/EMTDC; 线路避雷器
Class Number TP391.9
1 引言
输电线路的安全性直接影响电力系统的稳定运行,而耐雷水平[1]又是衡量安全性的重要技术指标。它反映输电线路抵抗雷击的能力,用雷电流的大小来表示。一般情况下,多发生雷击线路杆塔的情况。当击中杆塔塔顶时,大部分雷电流流入大地,由于杆塔及接地电阻的存在,电位陡升。当绝缘子串两端所承受的电位差超过其冲击闪络电压时,绝缘子串被击穿,雷电流注入到输电线路中。因此,杆塔过电压的仿真对工程有现实意义。
本文研究某输电线路,地处陕西省汉中市宁强县,是引嘉入汉工程天生桥电站、二郎坝水电站的专用送出输电线路。线路起点位于秦巴山区的宁强县天生桥电站,中间“T”接二郎坝水电站,终点为宁强县卧龙台水电站的110kV升压变电站35kV母线。所以,该35kV架空输电线路在当地电力网络中的地位举足轻重,但是由于35kV架空输电线路绝缘水平不高,该地地理环境恶劣,雷害事故频繁发生,线路投运后多次、多线路段出现雷击跳闸。线路检修人员巡查发现,线路23#杆塔绝缘子串被击中断联,26#杆塔绝缘子串被击中出现破损及灼烧痕迹。该线路的防雷措施还不够完善,雷击灾害预防体系还不够健全,所以对电力系统的稳定运行造成很大的威胁。
2 输电线路雷击过电压
2.1 直击雷过电压形成机理与计算方法
直击雷,是指雷电直接击中输电线路的杆塔或导线。而直击雷过电压则是指雷击过程所产生的较大的过电压。图1为直击雷过电压电路模型及等值电路。
通过实测特性可知：绝缘子串击穿后,输电线路的电流大幅跃升。根据彼得逊等效电路所示,绝缘子串相当于等值电路的开关,当开关闭合后,雷电流注入输电线路通道。如图1(b)、1(c)所示。
由图 1(c)的电流源等值电路得：
(1)
其中,iz为流过被击物体的电流；iL为雷电流；z0为雷道波阻抗；zj为接地电阻。由式(1)可知,电流iz与接地电阻zj大小成反比。
图1 直击雷过电压电路模型及等值电路
2.2 基于经验公式的计算方法
首先确定输电线路的雷击区域D,当雷击点距线路垂直距离S
(2)
其中,BIL为线路绝缘水平,kV；我国除少数地区雷电流幅值概率分布：
(3)
其中,I为雷电流幅值；P为大于I的雷电流幅值的概率。则绝缘子闪络的概率：
PF=10-ID/88
(4)
直击雷跳闸率：
FD=0.2γTdD10-ID/88
(5)
式中,γ为地面落雷密度,Td为雷暴日。其中,单位为次/(100km·a)。
3 建立某架空输电线路模型
本文以某35kV架空输电线路为例,属于铁塔-砼杆架空混合线路,导线采用LGJ-185/30型钢芯铝绞线,两端约1.5km的线路段均架设避雷线,型号GJ-35。线路总长9.6km,共用杆塔46基,其中铁塔25基,砼杆21基,相邻杆塔间隔为200m。在PSCAD软件中建立雷电流、杆塔、输电线路闪络模型。
图2 雷击线路模型
3.1 雷电流模型
雷电流波形呈脉冲形式。按照标准雷电冲击波有：双指数波形、斜角波形和半余弦波形等波形。其中本文采用双指数函数波形[6]来对线路模型进行仿真计算,表达式为
i(t)=AIm(e-αt-e-βt)
(6)
其中：Im为雷电流幅值；α、β分别为时间常数,由t1、t2确定。
图3 雷电流仿真电路
通过仿真分析,一般情况下35kV输电线路的耐雷水平在30kA左右。其中雷电流的幅值是由雷云中的电荷决定的,符合实际情况。本文中的雷电通道模型选用一个Z0=300Ω的雷电通道波阻抗和一个受控电流源并联,该并联后的电路作为等效雷电通道。雷电通道波阻抗取300Ω。雷电流幅值为30kA,波形参数取2.6/50μs。
图4 2.6/50μs雷电流仿真波形
3.2 杆塔模型
雷击杆塔时,雷电流沿杆塔流入大地,由于先导过程使电位升高,形成反击过电压。若该电压的幅值超过绝缘子耐压水平,绝缘子即发生闪络。因此,杆塔模型的选择对直击雷过电压的分析十分重要。
根据标准[2]该输电线路有门型杆和直线杆两种类型的杆塔[8]。其中该线路所用的杆塔为门型杆。通过PSCAD的仿真模型,雷击情况下的输电线路杆塔波阻抗对其塔顶电位有直接的影响。因此杆塔采用单一波阻抗模型来模拟。根据DL/T620-1997,选取门型波阻抗为250Ω,波速为290m/μs。考虑到横担的影响,门型杆横担波阻抗取300Ω。其中波阻抗用PSCAD/EMTDC中线路的Bergeron模型等效。
图5 门型杆塔仿真模型
将雷电流直接加在门型杆塔塔顶上,可得到杆塔塔顶电压的仿真波形。
图6 塔顶过电压波形
3.3 绝缘子闪络模型
防雷仿真中,取绝缘子的闪络特性,模型采用压控开关模型来模拟。通过控制绝缘子两端的电压,当达到绝缘子50%冲击击穿电压幅值时,开关即闭合,意味着绝缘子闪络放电。
表1 悬式绝缘子串雷电冲击闪络电压
常用绝缘子的50%冲击闪络电压U50%的计算公式：
U50%=533LX+132
(7)
式中,U50%为绝缘子串的50%冲击闪络电压；LX为绝缘子串长度。
绝缘子伏秒特性公式：
US(t)=(1+1.28/t)U50%
(8)
图7 绝缘子串闪络
判据绝缘子闪络方法：绝缘子串电压幅值在放电过程中逐渐增加,与伏秒特性曲线相交时,绝缘子即发生闪络。
4 防雷水平仿真分析
现有阶段该输电线路已经采取了一定的措施,但是从实际运行情况来看,这些措施的防雷效果不尽理想。线路耐雷水平是指保证绝缘子不发生闪络所能承受的最大雷电流。
4.1 接地电阻对耐雷水平的分析
图8 雷击仿真模型
将接地电阻以5Ω、10Ω、15Ω、25Ω不同的情况进行仿真,得到线路耐雷水平结果如表2所示：
表2 接地电阻对耐雷水平的影响
仿真结果表明：在线路未采取任何措施时,杆塔的接地电阻是影响输电线路反击耐雷水平的重要参数[10～13]。当雷电流通过杆塔及其接地装置向大地散流时,使塔顶电位升高起主要作用的是冲击接地电阻而不是工频接地电阻。因此要降低线路的雷击跳闸率,主要措施之一是降低线路杆塔的冲击接地电阻。改造实施时必须最好接地,使电阻达到规定[2]10Ω要求以下。
4.2 避雷器对线路耐雷水平的分析
4.2.1 避雷器仿真模型
在PSCAD中搭建的避雷器模型如图9所示。其中电阻R取1MΩ,非线性电阻伏安特性数据按表取值：
(9)
(10)
其中：Ur1/T2为陡波冲击电流残压,Ur8/20为雷电冲击电流残压,Un为额定电压,单位均为kV。
求得电感L0=0.67μH;L1=2.01μH。
表2 避雷器参数
图9 HY5WX-54/142避雷器模型电路图
4.2.2 安装线路避雷器对耐雷水平仿真分析和改造
1) 避雷器对线路耐雷水平的影响
图10 雷击杆塔示意图
为保证避雷器能够有效地保护绝缘子串,在避雷器保护范围外也尽量避免发生雷击事故,首先要依据运行经验选出整条线路中易受雷击的杆塔,确定雷击的几个段落,分别在该段落遭受雷击杆塔处装设新型悬挂式线路避雷器,以保护线路绝缘不在雷击过电压下闪络。雷击中间杆塔顶,在雷击杆的两侧邻杆集中安装三组避雷器,并同时改变接地电阻,通过仿真观察避雷器对线路耐雷水平的影响。
图11 避雷器、接地电阻对耐雷水平的综合影响
根据仿真可以看出,安装避雷器线路耐雷水平明显优于不安装避雷器,如果适当控制接地电阻,线路可以达到很高的耐雷水平,从而达到很好的避雷效果。
2) 避雷器安装方案
根据已发生雷击的地形,结合运行检修人员巡线情况,建议该输电线路2#～10#、11#～18#、21#～26#、30#～36#线路段共计13基杆塔加装线路避雷器,每基每相各安装一个,如表4所示。
表4 避雷器安装杆塔表
5 结语
1) 本文利用PSCAD软件对雷电流、杆塔和绝缘子串进行建模,建立雷击输电线路仿真模型。以某35kV输电线路为例,对影响线路杆塔防雷水平的接地电阻和避雷器进行仿真分析。结果显示：雷击杆塔时,安装一组和三组线路避雷器时的耐雷水平最高可达到未安装的2.1和5.6倍。因此,在安装线路避雷器的同时控制接地电阻的大小可有效提高线路的耐雷水平。
2) 结合现场勘查情况,鉴于大部分线路段均未架设避雷线,且塔位地势突出,后续全线30基铁塔均加装避雷器；将直线串绝缘子数量由3片提高到4片,将耐张绝缘子数量由4片增加到5片,来加强线路绝缘；将杆塔的工频接地电阻降到规程规定的10Ω以下。
3) 采取以上防雷改造措施后,实际运行表明效果良好。
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Lightning simulation of A Transmission Line Based on PSCAD
GUO Kunli1SONG Xiaofei1WANG Jianbo2WANG Meng1ZHANG Yongyi1
(School of Electronic and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048)
Lightning often cause is flashover of transmission line tower insulator string, which has brought great influence to the electric power operation. The lightning 35kV overhead transmission lines lightning current model, circuit model and the tower model is established. PSCAD/EMTDC simulation software is used to analyze lightning withstand level effect of the lightning arrester and the reduction of grounding resistance. When the rod tower is struck by lightning, the lightning protection level increases 5 times after installing lightning arrester compared with the lightning protection, and the direct effect is obvious. The simulation analysis can provide an important reference for the lightning protection of the 35kV overhead transmission line.
over head transmission line, lightning protection, PSCAD/EMTDC, line surge arresters
2016年9月10日,
2016年10月27日
2016年大学生创新创业训练计划项目
郭昆丽,女,副教授,研究方向：电力系统运行分析与控制。宋晓菲,女,硕士研究生,研究方向：控制工程。
TP391.9
10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.031
