李瑞芳 ,曹曉斌 ,張先怡 ,陳 奎 ,沈佳杰
(1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031;2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司,四川 成都 610000;3.德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)有限公司,上海 200122)
由于在大容量、遠(yuǎn)距離輸電上具有優(yōu)勢(shì),直流輸電在我國(guó)電力系統(tǒng)中廣泛使用,并形成了南方電網(wǎng)、華東電網(wǎng)等交直流混聯(lián)大電網(wǎng)[1-4]。雷擊跳閘是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要原因之一,因此,研究±800kV/500 kV同塔多回交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路反擊耐雷水平具有重要的意義和價(jià)值。
國(guó)內(nèi)外在同塔多回輸電線(xiàn)路反擊耐雷水平方面已經(jīng)開(kāi)展了很多相關(guān)的研究工作[5-15],如:文獻(xiàn)[8-9]仿真研究了1000 kV/500 kV同塔多回交流線(xiàn)路中相序排列方式、間隙長(zhǎng)度等對(duì)反擊跳閘率的影響;文獻(xiàn)[10-11]重點(diǎn)分析了1000 kV/500 kV同塔多回交流線(xiàn)路中,500 kV上層橫擔(dān)外側(cè)導(dǎo)線(xiàn)和一側(cè)導(dǎo)線(xiàn)絕緣水平及500 kV相序排列方式對(duì)反擊耐雷性能的影響;文獻(xiàn)[12-13]分別分析了500 kV同塔四回線(xiàn)路和220 kV同塔四回輸電線(xiàn)路的反擊耐雷性能;文獻(xiàn)[14-15]對(duì)云廣±800 kV和±500 kV三滬Ⅱ回直流輸電線(xiàn)路做了耐雷性能研究。
盡管目前開(kāi)展了很多工作,但是,專(zhuān)門(mén)針對(duì)同塔多回交直流混聯(lián)線(xiàn)路的反擊耐雷水平的研究很少,因此,本文以±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路為研究對(duì)象,在建立雷電流模型、輸電線(xiàn)路模型、桿塔波阻抗模型、絕緣子閃絡(luò)模型等基礎(chǔ)上,采用PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行仿真分析,討論了桿塔接地電阻、絕緣子片數(shù)、雷電流波形、桿塔高度、避雷器等因素變化時(shí)對(duì)耐雷水平造成的影響,重點(diǎn)從分流系數(shù)的角度解釋了接地電阻對(duì)耐雷水平影響的原因,著重比較了±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路和500 kV同塔雙回線(xiàn)路、±800 kV直流線(xiàn)路的耐雷水平并分析了原因。
±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路桿塔尺寸及布置如圖1所示。桿塔總高為77.6 m,呼稱(chēng)高度32.6 m,避雷線(xiàn)在桿塔的頂端,±800 kV直流線(xiàn)路在避雷線(xiàn)與交流線(xiàn)路之間,500 kV交流輸電線(xiàn)路位于桿塔的下邊2層橫擔(dān),呈三角形排列。
圖1 桿塔尺寸及布置圖Fig.1 Dimensions and arrangement of tower
±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路中,輸電導(dǎo)線(xiàn)采用4×LGJ630/45型號(hào),弧垂fc=19 m,取分裂間距d=0.45 m,導(dǎo)線(xiàn)半徑r=0.016875 m,直流電阻取為0.05Ω/km。2根避雷線(xiàn)為水平架設(shè),采用LBGJ240型號(hào),弧垂f0=11 m,直徑d0=0.01 m,直流電阻取為0.358 Ω/km。線(xiàn)路檔距為400 m,平均土壤電阻率取為 100 Ω·m。
很多資料和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均顯示雷擊桿塔時(shí),流經(jīng)桿塔的雷電流是負(fù)極性的,所以本文仿真中的雷電流波形設(shè)置為 -2.6 /50 μs。
在PSCAD中搭建雷電流模型時(shí),需搭建一個(gè)雷電通道的等值電路。仿真中用受控雷電流源和波阻抗Z0并聯(lián)組成雷電通道的等值電路,Z0=300 Ω。受控電流源一般表示為雙指數(shù)函數(shù) i=I0(eαt-eβt),其中,I0=1.058,α=-15000,β=-1860000。 采用 PSCAD 元件模型庫(kù)中的指數(shù)函數(shù)和加 /減法器構(gòu)成函數(shù)i=I0(eαt-eβt)。
PSCAD/EMTDC中的輸電線(xiàn)路模型有貝杰龍模型(Bergeron model)和頻率相關(guān)模型(frequency dependent model)2 種。
雷擊會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波,頻率一旦變化,輸電線(xiàn)路的參數(shù)也會(huì)變化,諧波分量的頻率不同,在線(xiàn)路中通過(guò)時(shí)造成的變化也不同。所以本文在仿真中采用頻率相關(guān)模型。
在PSCAD中搭建±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路雷擊模型如圖2所示。
本文采用波阻抗模型,計(jì)算垂直導(dǎo)體波阻抗時(shí),可以將其分成4段分別計(jì)算。每段都分為主體部分和支架部分,并假定每段分布均勻,根據(jù)各部分幾何尺寸可計(jì)算出波阻抗。
主體部分的波阻抗ZTk可以表示為:
其中,rek為第k段的等效半徑;hk為第k段頂端對(duì)地面的高度。支架部分波阻抗ZLk為對(duì)應(yīng)主體部分波阻抗的 9 倍[16],即 ZLk=9ZTk(k=1,2,3,4)。
圖2 ±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路雷擊模型Fig.2 Model of lightning strike for ±800 kV/500 kV AC-DC hybrid four-loop lines
電磁波通過(guò)多導(dǎo)體系統(tǒng)時(shí),有無(wú)支架會(huì)影響其通過(guò)所用的時(shí)間。在有支架時(shí),所用時(shí)間要多一些。橫桿的波阻抗用式(2)計(jì)算[17]:
其中,rAk為第k段的橫桿的半徑,通常取1/4的橫桿寬度。
根據(jù)以上分析得桿塔的多波阻抗模型如圖3所示,圖中:ZAk(k=1,2,3,4,5)為橫桿波阻抗;ZTk(k=1,2,3,4)、ZLk(k=1,2,3,4)別為桿塔主體和支架波阻抗。由公式計(jì)算的波阻抗值為:ZA1=217.6 Ω,ZA2=231.4 Ω,ZA3=101.5 Ω,ZA4=81.5 Ω,ZA5=195.7 Ω;ZT1=99.8 Ω,ZT2=85.3 Ω,ZT3=63.0 Ω,ZT4=39.1 Ω;ZL1=898.2 Ω,ZL2=768.3 Ω,ZL3=567.8 Ω,ZL4=352.3 Ω。
圖3 桿塔多波阻抗仿真模型Fig.3 Simulation model of multi-wave impedance for tower
雷擊塔頂時(shí),用比較法來(lái)判斷絕緣子是否閃絡(luò):Ut為桿塔最高點(diǎn)電壓,Uc為輸電線(xiàn)電壓,U50%為負(fù)極性50%沖擊放電電壓時(shí),判定絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。在本文中,交流500 kV絕緣子雷擊閃絡(luò)電壓為2520.645 kV,直流±800 kV絕緣子雷擊閃絡(luò)電壓為4472.11 kV。
在PSCAD中建立絕緣子模型時(shí),采用PSCAD中的電壓控制開(kāi)關(guān)元件,開(kāi)關(guān)設(shè)置為常開(kāi)狀態(tài)。絕緣子閃絡(luò)模型如圖4所示。圖中,Eal為絕緣子兩端的電壓差;表示取絕對(duì)值;BRKal為邏輯輸出。
圖4 絕緣子閃絡(luò)模型Fig.4 Model of insulator flashover
基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路雷擊模型,分析了交直流混聯(lián)線(xiàn)路中500 kV交流和±800kV直流線(xiàn)路各自的耐雷水平,結(jié)果如圖5所示。
圖5 500 kV交流線(xiàn)路和±800 kV直流線(xiàn)路的耐雷水平Fig.5 Lightning resistance level of 500 kV AC and±800 kV DC lines
從圖5中可以看出,±800 kV直流線(xiàn)路的反擊耐雷水平超過(guò)400 kA,交流500 kV線(xiàn)路的反擊耐雷水平約在150~210 kA,比±800 kV直流線(xiàn)路小得多。所以,交直流混聯(lián)線(xiàn)路中,±800 kV直流線(xiàn)路基本不會(huì)發(fā)生反擊閃絡(luò)。這是因?yàn)楸M管±800 kV線(xiàn)路位于500 kV交流線(xiàn)路上方,因此雷電流經(jīng)過(guò)桿塔入地時(shí),±800 kV線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)絕緣子上方的電位升要比500 kV線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)絕緣子上方的電位升高,但是由于±800 kV線(xiàn)路的絕緣強(qiáng)度比500 kV線(xiàn)路高更多,導(dǎo)致±800 kV線(xiàn)路絕緣子兩端的電壓差難以使絕緣子閃絡(luò)。
例如,當(dāng)接地電阻為15 Ω、雷電流為280 kA時(shí),±800 kV線(xiàn)路絕緣子上端的電位升為4888 kV,絕緣子兩端的電壓差為4888-800=4088(kV),小于閃絡(luò)電壓4472.11 kV,因此不會(huì)閃絡(luò)。同樣的雷電流和接地電阻下,500 kV線(xiàn)路絕緣子上端的電位升為3732kV,絕緣子兩端電壓差為 3723-500=3223(kV),大于閃絡(luò)電壓2 520.645 kV,會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。所以下文中討論±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)線(xiàn)路耐雷水平時(shí),著重考慮雙回500 kV交流線(xiàn)路的反擊耐雷水平。
基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路雷擊模型,分析桿塔接地電阻對(duì)耐雷水平的影響。接地電阻變化時(shí),耐雷水平發(fā)生變化如圖6所示。
圖6 桿塔接地電阻對(duì)耐雷水平的影響Fig.6 Effect of tower grounding resistance on lightning resistance level
從圖6中看出,接地電阻增加會(huì)導(dǎo)致輸電線(xiàn)路反擊耐雷水平降低。當(dāng)接地電阻從5 Ω增大至40 Ω時(shí),線(xiàn)路反擊耐雷水平從218.8 kA降低到151.2 kA,降低了30.1%。當(dāng)接地電阻在20 Ω以下時(shí),接地電阻的變化對(duì)反擊耐雷水平影響較??;當(dāng)接地電阻在20 Ω以上時(shí),隨著阻值增加,反擊耐雷水平急劇降低。20 Ω的接地電阻成為1個(gè)變化的拐點(diǎn),這是因?yàn)闂U塔的接地電阻和分流系數(shù)β有著密切的聯(lián)系,桿塔接地電阻越大,分流系數(shù)β越小。當(dāng)接地電阻增大到一定程度時(shí),分流系數(shù)β會(huì)急劇減小。在本文仿真中,接地電阻大于20 Ω時(shí),分流系數(shù)β下降較快,由)(其中,R為桿塔接地電阻;L為桿塔的電感;i為流經(jīng)桿塔的電流)可知,桿塔電位會(huì)迅速增加,引起絕緣子兩端的電位差快速增加而閃絡(luò),線(xiàn)路反擊耐雷水平急劇降低。接地電阻對(duì)分流系數(shù)的影響如圖7所示。
圖7 桿塔接地電阻對(duì)分流系數(shù)的影響Fig.7 Effect of tower grounding resistance on shunt coefficient
基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路雷擊模型,分析了交流500 kV線(xiàn)路安裝不同片數(shù)的絕緣子對(duì)耐雷水平的影響。絕緣子片數(shù)變化時(shí),反擊耐雷水平發(fā)生變化,結(jié)果如圖8所示。
圖8 絕緣子片數(shù)對(duì)耐雷水平的影響Fig.8 Effect of insulator piece quantity on lightning resistance level
從圖8中看出,當(dāng)絕緣子從27片增加到31片時(shí),線(xiàn)路反擊耐雷水平逐漸增加。當(dāng)接地電阻為5 Ω時(shí),27片絕緣子的反擊耐雷水平是194.9 kA,31片絕緣子的反擊耐雷水平是218.8 kA,增加4片絕緣子后,反擊耐雷水平提高12.3%。在接地電阻為40 Ω時(shí),27片絕緣子的反擊耐雷水平是135.4 kA,31片絕緣子的反擊耐雷水平是151.2 kA,增加4片絕緣子后,反擊耐雷水平同樣提高了11.7%。不同接地電阻下,增加相同片數(shù)的絕緣子,對(duì)反擊耐雷水平的提高效果基本相同。這是因?yàn)榻^緣子串的閃絡(luò)電壓和絕緣子片數(shù)成線(xiàn)性關(guān)系,增加相同片數(shù)的絕緣子時(shí),閃絡(luò)電壓的變化量相同,耐雷水平變化的百分比也基本相等。
基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路雷擊模型,分析雷電流波形對(duì)反擊耐雷水平的影響。雷電流波形變化時(shí),反擊耐雷水平發(fā)生變化,如圖9所示。
圖9 雷電流波形對(duì)耐雷水平的影響Fig.9 Effect of lightning waveform on lightning resistance level
從圖9中看出,在相同桿塔沖擊接地電阻下,-2.6/50 μs雷電流波形作用下的線(xiàn)路反擊耐雷水平,明顯高于-1.2/50 μs雷電流波形作用下的線(xiàn)路反擊耐雷水平。在接地電阻為5 Ω時(shí),-1.2/50 μs雷電流波形下的反擊耐雷水平為196.3 kA,比在-2.6/50 μs雷電流波形下的反擊耐雷水平218.8 kA低10.3%;在接地電阻為 40 Ω 時(shí),-1.2 /50 μs雷電流波形下的反擊耐雷水平為129.2 kA,比在-2.6/50 μs雷電流波形下的反擊耐雷水平151.2 kA低14.6%。這主要是由于雷電流的波頭時(shí)間越短,其高頻分量能量越高,桿塔的沖擊響應(yīng)電壓越大,從而降低了線(xiàn)路的反擊耐雷水平。由此可見(jiàn),我國(guó)防雷設(shè)計(jì)中雷擊塔頂時(shí)線(xiàn)路反擊耐雷水平的估計(jì)過(guò)于保守。
基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線(xiàn)路雷擊模型,分析桿塔高度對(duì)反擊耐雷水平的影響。桿塔高度變化時(shí),反擊耐雷水平變化結(jié)果如圖10所示。
圖10 桿塔高度對(duì)耐雷水平的影響Fig.10 Effect of tower height on lightning resistance level
從圖10中看出,桿塔高度增加會(huì)引起反擊耐雷水平下降。當(dāng)接地電阻等于5 Ω時(shí),77.6 m高的桿塔的反擊耐雷水平是218.8 kA,85.6 m高的桿塔的反擊耐雷水平是195.5 kA,降低了10.6%;當(dāng)接地電阻等于40 Ω時(shí),77.6 m高的桿塔的反擊耐雷水平是151.2 kA,85.6 m高的桿塔的反擊耐雷水平是132.8 kA,降低了12.2%;這是因?yàn)槔纂娏鲝臈U塔流入大地時(shí),塔頂會(huì)有一電壓分量,電壓的大小與雷電流在桿塔中的傳播時(shí)間有關(guān),增大桿塔的高度,使雷電流在桿塔中的傳播時(shí)間增加,塔頂?shù)碾娢簧?,?dǎo)致耐雷水平降低。
避雷器模型利用PSCAD中的金屬氧化物避雷器 MOSA(Metal Oxide Surge Arrester)來(lái)模擬,參數(shù)根據(jù)伏安特性曲線(xiàn)圖設(shè)置。圖11為避雷器的伏安特性曲線(xiàn)圖。
圖11 避雷器伏安特性曲線(xiàn)圖Fig.11 Volt-ampere characteristics of lightning arrester
仿真中在未安裝避雷器時(shí),500 kV交流回路會(huì)發(fā)生絕緣子閃絡(luò),所以分3種情況來(lái)研究避雷器對(duì)耐雷水平的影響:在500 kV交流回路的A相安裝1個(gè)避雷器,在A、B相各安裝1個(gè)避雷器,在A、B、C相各安裝1個(gè)避雷器。仿真結(jié)果如圖12所示。
由圖12可知,當(dāng)接地電阻等于5 Ω時(shí),未安裝避雷器時(shí)的反擊耐雷水平為218.8 kA,在A相安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為229.0 kA,比未安裝時(shí)提高了4.6%;在A、B相各安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為232.3 kA,比未安裝時(shí)提高了6.2%;在A、B、C相各安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為426.8 kA,相比未安裝時(shí)提高了95.1%。當(dāng)接地電阻為40 Ω時(shí),未安裝避雷器的反擊耐雷水平為151.2 kA,在A相安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為157.7 kA,相比未安裝時(shí)提高了4.3%;在A、B相各安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為159.5 kA,相比未安裝時(shí)提高了5.5%;在A、B、C相各安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為185.8 kA,相比未安裝時(shí)提高了22.9%。由此可見(jiàn),在A相安裝1個(gè)避雷器和在A、B相各安裝1個(gè)避雷器起到的防雷效果相近,而在A、B、C相各安裝1個(gè)避雷器能起到很好的防雷效果。
圖12 避雷器對(duì)耐雷水平的影響Fig.12 Effect of lightning arrester on lightning resistance level
±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路的±800 kV直流回路與一般的±800 kV直流線(xiàn)路反擊耐雷水平的仿真結(jié)果見(jiàn)圖13。
圖13 交直流混聯(lián)中±800 kV直流線(xiàn)路與單回直流線(xiàn)路的耐雷水平比較Fig.13 Comparison of lightning resistance level between±800 kV DC line of±800 kV/500 kV AC-DC hybrid transmission lines and single-loop DC line
從圖13中可以看出,±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路的±800 kV直流回路的反擊耐雷水平比常規(guī)單回±800 kV直流線(xiàn)路反擊耐雷水平高。這是因?yàn)閷?duì)于交直流混聯(lián)線(xiàn)路,由于±800 kV直流線(xiàn)路的設(shè)計(jì)絕緣強(qiáng)度比500 kV交流線(xiàn)路絕緣強(qiáng)度大得多,當(dāng)桿塔受到雷擊時(shí),500 kV交流線(xiàn)路先發(fā)生閃絡(luò),幾乎所有的雷電流都沿著500 kV交流導(dǎo)線(xiàn)和桿塔流入大地,使得雙回500 kV交流線(xiàn)路起到類(lèi)似線(xiàn)路避雷器的作用,對(duì)±800 kV直流回路起到很好的保護(hù)作用。而普通的±800 kV線(xiàn)路則沒(méi)有這樣的保護(hù),所以反擊耐雷水平會(huì)低得多。
±800kV/500kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路的500kV交流回路與常規(guī)500 kV交流同塔雙回路單回反擊耐雷水平的仿真結(jié)果見(jiàn)圖14。
圖14 交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路500 kV回路與常規(guī)500 kV交流回路耐雷水平對(duì)比Fig.14 Comparison of lightning resistance level between 500 kV AC line of ±800 kV/500 kV AC-DC hybrid transmission lines and general 500 kV AC line
從圖15中可以看出,±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路的500 kV交流回路反擊耐雷水平比一般500 kV同塔雙回交流線(xiàn)路略高一些。這是因?yàn)榻恢绷骰炻?lián)線(xiàn)路與單獨(dú)的同塔雙回線(xiàn)路比較,相當(dāng)于增加了2條線(xiàn)路,因而增加了整體線(xiàn)路的對(duì)地電容,使得避雷線(xiàn)的波阻抗降低,增加了避雷線(xiàn)上的雷電流分流,從而使桿塔的入地電流減小,反擊耐雷水平提高。雖然這個(gè)作用在與單獨(dú)±800 kV線(xiàn)路比較的解釋中同樣適用,但是由于500 kV線(xiàn)路先閃絡(luò)導(dǎo)致的雷電流泄放作用比這個(gè)大得多,因此可以忽略這個(gè)因素。
本文研究了±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路反擊耐雷水平的影響因素,并分別與±800 kV直流線(xiàn)路和500 kV交流線(xiàn)路進(jìn)行了比較分析,主要結(jié)論如下。
a.在±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)線(xiàn)路中,盡管800 kV線(xiàn)路位于500 kV交流線(xiàn)路上方,導(dǎo)線(xiàn)絕緣子上方的電位升高于500 kV線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)絕緣子的電位升,但是由于±800 kV線(xiàn)路的絕緣強(qiáng)度高,反擊耐雷水平是500 kV線(xiàn)路的2倍以上,因此,考慮反擊耐雷水平時(shí),主要考慮500 kV線(xiàn)路部分即可。
b.桿塔的接地電阻增加時(shí),±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路反擊耐雷水平降低,反擊耐雷水平出現(xiàn)急劇下降時(shí)對(duì)應(yīng)的接地電阻是20 Ω。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是分流系數(shù)的顯著下降。
c.±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路中,當(dāng)桿塔受到雷擊時(shí),500 kV交流線(xiàn)路先發(fā)生閃絡(luò),幾乎所有的雷電流都沿著500 kV交流導(dǎo)線(xiàn)和桿塔流入大地,使得雙回500 kV交流線(xiàn)路起到類(lèi)似線(xiàn)路避雷器的分流作用,±800 kV直流回路起到很好的保護(hù)作用。而普通的±800 kV線(xiàn)路則沒(méi)有這樣的保護(hù),所以±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路反擊耐雷水平高于普通的±800 kV線(xiàn)路。
d.±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線(xiàn)路中,500 kV交流線(xiàn)路反擊耐雷水平與一般500 kV同塔雙回交流線(xiàn)路相比略高。交直流混聯(lián)線(xiàn)路與單獨(dú)的同塔雙回線(xiàn)路相比增加了2條線(xiàn)路,整體線(xiàn)路的對(duì)地電容增加,線(xiàn)路的波阻抗降低,雷電流分流增加,從而使桿塔的入地電流減小,反擊耐雷水平提高。