500kV双回路直线转角塔输电线路的防雷保护分析.pdf

第 3 6 卷第 2期 2 0 1 5 年 4 月 电 力与能 源 2 2 3 5 0 0 k V双回路直线转角塔输电 线路的防雷保护分析 周志成 ， 赵 贤根 ， 杨 英 ， 刘 洋 ， 路永玲 ， 杨 瑞 ( 1 江苏省电力公司电力科学研究院 ， 南京2 1 1 1 0 3 ； 2 华中科技大学电气与 电子工程学 院 ， 武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要 ： 针对江苏省的典型 5 0 0 k V双 回直线转 角塔输 电线路 ， 杆塔 型号 为 S Z J 1 、 s z J 2和 S l 6 ， 采用 电气几 何模 型， 分析杆塔呼高和绝缘子 串偏角对直线转角塔输 电线路 绕击耐雷 性能影 响。计 算结果 表明 ， 随着杆塔 的呼高增加 ， 直线转角塔输 电线路 的绕击跳 闸率 逐渐增 大 ； 随着绝 缘子 串偏角 的增加 ， S Z J 1和 s z J 1 6直线转 角塔输 电线路 的绕击跳 闸率逐 渐增 大 ， 而 s z J 2直线转角塔输 电线路 的绕击跳 闸率先 降低后增加 ， 在 4 o 。 左右 达到最 小值 ； S Z J 1 和 S Z J 1 6 直线转 角塔 输电线路的绕击跳 闸风 险降低 ， S Z J 2直线 转 角塔输 电线路 的绕 击跳 闸风险较高 。选 取江苏省 5 0 0 k V兴 斗 5 2 9 4线 的 5 6号杆 塔 ( S Z J 2型 ) 处输 电线路 进行仿 真计 算 ， 结果 表 明 5 6号杆塔 的内侧 中相 导线最易遭受 雷 电绕击 ， 绕击 跳 闸率 最高 ， 与实 际运行经 验 比较 符合 。通过 分析 减小 保 护角对 s Z J 2直线转角 塔线路绕击 耐雷性 能的影响 ， 给 出不 同高度 直线 转角 塔线 路所需 采用 的保护 角推 荐 值 。 关键词 ： 直线转角塔 ； 电气几何模 型 ； 绕击耐雷性能 ； 雷击故障分析 ； 防雷保 护 作者简介 ： 周志成 ( 1 9 7 7 ) ， 男 ， 工学博士 ， 高级工程师 ， 主要从事输电线路 防雷接地 、 大气外绝缘 等方 面技术研究 及 管 理 工 作 中图分 类号 ： T M8 6 2 文献标志码 ： A 文章 编号 ： 2 0 9 5 1 2 5 6 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 2 2 3 0 5 Lig ht n ing Pr o t e c t io n Ana l y s is o f 5 0 0 k V Do u b l e - Cir c u it St r a ig h t Ang l e To we r Tr a n s mis s io n Lin e ZHOU Zhi c h e ng ，ZH AO Xia n g e n ，YANG Y i ng ，LI U Ya n g ，LU Yon g l ing ，YANG Rui ( 1 J i a n g s u El e c t r i c Po we r C o mp a n y Re s e a r c h I n s t it u t e ，Na n j i n g 2 1 1 1 0 3 ，Ch in a ； 2 S c h o o l o f El e c t r ic a l a n d El e c t r o n ic En g in e e r in g，Hu a z h o n g Un iv e r s it y o f S c ie n c e a n d Te c h n o l o g y， W u h a n 4 3 0 0 7 4，Ch in a ) Ab s t r a c t ： This p a pe r a n a l y z e s t he l ight n in g s h ie l ding f a il ur e pe r f or ma nc e of t y pic a l 5 0 0kV d o ubl e c ir c u it s t r a i g h t a n g l e t o we r t r a n s mi s s i o n l i n e s i n J ia n g s u p r o v in c e b y u s i n g t h e e l e c t r o g e o me t r i c mo d e l ，c o n s i d e r in g t h e in f l u e n c e o f n o min a l h e ig h t a n d d r if t a n g l e o f in s u l a t o r s t r in g Th e t o we r t y p e s o f t h e t r a n s mis s io n l in e s a r e S Z J 1 ，S Z J 2 a n d S Z J 1 6 As t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s in d i c a t e ，t h e s h i e l d i n g f a i l u r e t r ip - o u t r a t e wi l l in c r e a s e wi t h t o we r s h e i g h t e n e d；t h e s h i e l d i n g f a i l u r e t r ip o u t r a t e o f t r a n s mis s i o n l i n e s wit h S Z J 1 a n d S Z J 1 6 t o we r s i n c r e a s e s wi t h t h e d r i f t a n g l e o f in s u l a t o r s t r i n g e n l a r g e d ，wh i l e t h a t o f S Z J 2 t o we r s d e c r e a s e s f i r s t a n d t h e n i n c r e a s e s ，r e a c h in g t h e min imu m v a l u e a t a b o u t 4 0 d e g r e e ； t h e r is k o f s h ie l d in g f a il u r e f l a s h o v e r is v e r y l o w f o r t r a n s mi s s i o n l i n e s wi t h s z J 1 a n d S Z J 1 6 t o we r s ，wh i l e v e r y h i g h f o r t r a n s mi s s i o n l in e s wit h s z J 2 t o we r s To w e r 5 6( S Z J 2 )o f Xi n g Do u t r a n s mi s s io n l in e 5 2 9 4 i n J i a n g s u P r o v i n c e wa s s e l e c t e d f o r s i mu l a t i o n a n a l y s is ，a n d t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s h ie l d in g f a il u r e r a t e a n d s h ie l d in g f a il u r e f l a s h o v e r r a t e o f mid d l e p h a s e c o n d u c t o r a r e b o t h t h e h ig h e s t ，wh ic h a c c o r d s wit h t h e p r a c t ic a l o p e r a t in g e x p e r ie n c e B y a n a l y z in g t h e imp a c t o f r e d u c in g p r o t e c t i o n a n g l e t o l i g h t n i n g s h ie l d i n g p e r f o r ma n c e o f S Z J 2 t o we r t r a n s mis s i o n l in e ，t h e v a l u e s o f p r o t e c t i o n a ng l e a r e r e c omme nde d f or t r a ns mis s ion l ine s o f dif f e r e n t h e ight s Ke y wo r d s ：s t r a ig h t a n g l e t o we r ；e l e c t r o g e o me t r ie mo d e l ；l ig h t n in g s h ie l d in g f a il u r e p e r f o r ma n c e ；a n a l y s is o f l ight nin g f a il u r e：l igh t nin g pr o t e c t ion 国内外 的运行 经验表 明绕击是造成 5 0 0 k V 超高压输电线路雷击跳闸的主要原 。以江 苏省超 高压输 电线路为例， 仅 5 0 0 k V兴斗 5 2 9 4 线 的 5 6号 杆 塔 就 于 2 0 0 9 0 3 2 1 、 2 0 1 0 0 7 2 2和 2 2 4 周 志成 ， 等 ： 5 0 0 k V双回路直线转角塔输 电线路 的防雷保护分析 2 0 1 1 0 7 1 8 连 续 三年遭 雷 电绕击 而导 致 生线 路 跳 闸 ， 严重 影 响系统 的安 全稳 定运行 。 5 0 0 k V 兴斗 5 2 9 4线 的 5 6号 杆 塔 为 双 回直 线转角塔( 型号 ： s z j 2 ) 。直线转角塔 的绝缘子串 一 般偏离垂直线较大的角度 ， 该偏角的存在， 导致 直线 转 角塔 的耐 雷 性 能 与直 线 塔 有 所 区 别 ， 尤 其 是 雷 电绕击性 能 。直线 转 角塔绝 缘 子 串偏 离垂 直 线 角度 是线 路建 成后 因挂设 导线 的 力学平 衡关 系 而 自然形成的角度 ， 在线路和杆塔设计之初 ， 并不 能 准确 地给 出直 线 转 角 塔 的绝 缘 子 串偏 角 ， 故 无 法 准确 评估 其耐 雷 性 能 ， 导 致 线 路 建成 后 可能 会 留有 隐患 。 直 线转 角塔 已经 大量 应用 于江 苏省 超高 压输 电线路 ， 但 目前针对直线转角塔的防雷保护分析 ， 国 内外 还未 见 诸 报 道 。 因此 ， 针 对 已投 入 使 用 的 直 线转 角塔 线路 段 ， 根据 绝 缘 子 串偏 离垂 直线 的 实 际角 度 ， 系统 评估 直线 转 角 塔 输 电线 路 的绕 击 耐雷性能 ， 对保障输电线路 的安全稳定运行具有 重 要 的意义 。 目前 ， 用于评价线路绕击耐雷性 能的方法 主 要有 规程 法L 4 ， 电气 几何模 型 5 ， 先导 发 展模 型 “ 和绕击 概率模 型 。其 中， 电气 几何模 型法( E GM) 将雷电的放 电特性 同线路 的结构尺 寸联 系起来 ， 通 过击 距描 述导 体 的引雷 能力 ， 从物 理 上很 好 地解 释 了线 路 屏 蔽 失 效 的原 因 ， 其 结果 与近 二三 十年 的 运行 结 果 基 本 符 合 ， 因 而 得 到广 泛 应用 口 。本文将 采 用 电气 几何 模 型 ， 研 究 杆塔 呼高和绝缘子串偏角对双回直线转角塔输电线路 绕击 耐雷 性能 的 影 响 ， 分 析 双 回直 线 转 角 塔 输 电 线 路绕 击 闪络 跳 闸 故 障 ， 并 提 出相 应 的防 雷 改 造 措施 。 l 计算分析条件 计算 工具 采用 华 中科技 大学 自主开发 的输 电 线 路 防 雷 分 析 系 统 ( L P T L V1 2 ) 】 。 L P T I V1 2内置 了 电气 几何 模 型分析 方法 ， 可 以考 虑输 电线 路 杆塔 的具 体结 构 、 不 同地 形地 貌 ， 同时 可 以 选 择计 算方 法 的不 同参数 。 本 文采 用 电气几何 模 型时选 择 的计算 条 件如 下 ： 击距公式采用 I E E E委员会于 1 9 9 7年推荐 的公式l_ 1 6 r 一口 ， 其中 n l O ， b -0 6 5 。 雷 电先 导 对 地 击 距 与对 导 线 击 距 的 比值 取 0 8 ， 雷 电先 导对 地线 击距 与对 导线 击距 的 比值取 1。 计算考虑雷 电入射角 ， 先导入射角概率 密度 函数 如式 ( 1 ) 所示 ， 其 中 m 和 是 按 照 日本学 者 的 推 荐分 别取 3和 0 7 5 。 r O ； 7( 2 2 5 0 0 k V直线转 角 塔输 电线 路绕 击耐 雷 性能 2 1线 路导 、 地线 坐标计 算 直线转 角塔 输 电线 路转 角 如 图 1所 示 ， 其 中 a为 线 路 转 角 角 度 。实 际 工 程 中 a较 小 ， 江 苏 省 超高压输电线路 资料统计结果表明， 直线转 角塔 输 电线路 转角 均不 超过 2 0 。 ， 一 般小 于 1 0 。 。 杆塔截面 I 线 路断面 线 路断 面 j 一 一 一 一 r 一 _ - _ 一 一 一 一 I 线 路方向 f 线路 方向 I 图 1 直 线 转 角 塔 处 线 路 转 角不 意 图 因为 线路 走 向 变化 ， 直 线 转 角 塔 绝缘 子 串 会 出现 一定 的倾 斜 ， 倾 斜 的程度 与线 路转 角大 小 、 线 路档 距等 因素 相 关 ， 本 报 告 中用 绝 缘 子 串偏 角 来描 述绝 缘 子 串的倾斜 程度 ， 如 图 2 所 示 ， 根据 工 程经验 ， 绝缘子串偏角 一般取 2 O 。 6 0 。 。 图 2 直 线 转 角 塔 绝 缘 子 串偏 角 不 意 E GM 计算分析输 电线路 的绕击耐雷 性能 ， 需要 图 2 1中 导 、 地 线 在 输 电 线 路 断 面 的 坐 标 。 根据杆塔尺寸和绝缘子 串长度计 算的导 、 地线 坐 标位 于杆 塔截 面 ， 在 转 角塔 处 杆 塔 截 面 与 线路 断 面 的夹角 为线路 转 角 的 1 2 ， 即 a 2 。杆塔 截 面 坐 标投 影至 线路 断 面处 ， 需 要乘 以 C O S ( a 2 ) 。 由于 直线 转 角 塔 输 电线 路 的转 角 a比较 小 ， 取 最 大 值 周志成 ， 等 ： 5 0 0 k V双 回路 直线 转角塔输电线路的防雷保护分析 2 2 7 ( 6 6 )k V 5 0 0 k V 架 空 输 电 线 路 管 理 规 范 ， 5 0 0 k V绕 击 跳 闸 率 小 于 0 1 2 6次 1 0 0 k m 年 时 ， 风 险 等级 为 A， 为将 S Z J 2直 线 转 角塔 线 路 的 绕击 跳 闸风 险限制 在 A 等 级 以下 ， 本 文 给 出 了不 4 5 同 呼高情 况下 保护 角 的推荐 值 ， 如表 3所 示 。 6 表 3保 护 角 推 荐 值 5 结 论 ( 1 )本 文针 对 S Z J 1 、 S Z J 2和 S Z J 1 6共 3种 典 型 直 线 转 角 塔 输 电线 路 ， 采 用 电 气 几 何 模 型 法 ( E G M ) 分 析 了呼 高 和 绝 缘 子 串偏 角对 其 绕 击 耐 雷性 能 的影 响 ， 结果 表 明 ： 3种 直 线 转 角塔 输 电线 路 的绕击 跳 闸率 均 随 呼 高 增 加 而 变 大 ； s z J 1和 S Z J 1 6直 线转 角塔 输 电线路 的绕击 跳 闸率 随绝 缘 子串偏角增加而增大 ， 但 S Z J 2直线转角塔输电线 路 的绕击 跳 闸率 随绝缘 子 串偏 角增 加先 减少 后增 大 ； S Z J 2直线转 角塔输 电线 路 的绕 击跳 闸率偏 高 ， 需要采用防雷电绕击措施， 以保证线路的安全 运行 。 ( 2 )利 用 电 气 几 何 模 型 法 ( E GM) 开 展 江 苏 省 5 0 0 k V 兴 斗 5 2 9 4线 的 5 6 #杆 塔 两 次绕 击 跳 闸事故 分析 ， 计算 结果 与运 行情 况 一直 ， 验证 分析 模型和导地线坐标处理方法的合理性 ， 能够使直 线 转角 塔输 电线 路 防雷设 计 和运行 更具 针对 性 和 科 学性 。 ( 3 )给 出不 同呼 高 S Z J 2直线 转 角 塔 输 电线 路 的保 护 角 推 荐 值 ， 为 江 苏 电 网 5 0 0 k V 双 回 路 直 线转 角塔 线 路 的防雷 改造 提供 指导 。 参考文献 ： 1 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 ， 1 9 9 8 ， 2 4 ( 2 ) ： 7 6 7 9 Ve r e s ch a g in， W U W e i- h a n The a n a l y s is o f l ig h t n in g p r o t e ct io n f o r EH V a n d U HV t r a n s mis s io n l in e s in Ru s s i a J Hi g h Vo l t a g e E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 ， 2 4 ( 2 ) ： 7 6 7 9 2 钱冠军， 王晓瑜， 丁一正， 等5 0 0 k V线路直击 雷典型事故 调查研究 J 高电压技术 ， 1 9 9 7 ， 2 3 ( 2 ) ： 7 2 8 3 3 常美生特高压输 电线路的防雷性能分析 J 电力学报， l 9 9 7， 1 2( 2) ： 2 8 3 1 CH ANG M e i s h e n g An a l y s is o f t h e l ig ht n in g p r o t e ct io n f o r u l t r a h i g h v o l t a g e t r a n s mi s s i o n l i n e J J o u r n a l o f E l e ct r ic Po we r 】 9 9 7。 】 2( 2) ： 2 8 3 1 7 8 9 1 0 3 1 1 1 Z 1 3 1 4 3 1 5 1 6 DL 7 6 2 0 1 9 9 7 ， 交 流电气 装置 的过 电压保 护和绝 缘配 合 s GI LM AN D W W HI TEH EAD E R Th e me ch a n is m o f l ig ht ni ng f l a s h o v e r o n h ig h v o l t a g e a n d e x t r a hi gh v o l t a g e t r a n s mis s i o n l i n e s J E l e ct r a ， 1 9 7 3 ( 2 7 ) ： 6 5 9 6 W H I TEHEAD E RCI GRE s u r v e y of t h e l ig h t n in g p e r f o r ma n ce o f e x t r a h i g h v o l t a g e t r a n s mis s i o n l i n e s J E l e ct r a ， 1 9 7 4( 3 3) ： 63 - 8 9 ERI KS S ON A J Th e in ci de n ce o f l ig h t n in g s t r ik e s t o p o we r l i n e J I E E E Tr a n s a ct i o n s o n P o w e r D e l i v e r y ， 1 9 8 7， 2( 3) ： 8 5 9 - 8 7 0 ERI KS S ON A J An im p r ov e d e l e ct r o g e o me t r ic mo d e l f o r t r a n s mi s s i o n l i n e s h i e l d i n g a n a l y s i s J I E EE Tr a n s a c t io n s o n Po we r De l iv e r y， 1 9 87 ， 2( 3) ： 8 7卜8 8 6 DELLERA L，GARBAGNATI E L igh t n in g S t r o k e S im u l a t io n b y M e a n s o f t h e Le a d e r Pr o g r e s s io n M o d e l Pa r t I ： De s cr ipt io n o f t h e M o d e l a n d Ev a l u a t io n o f Ex p o s u r e o f F r e e S t a n d i n g S t r u ct u r e s J I E E E Tr a n s a ct i o n s o n P o we r De l iv e r y，1 9 9 0，5 ( 4)：2 0 0 9 2 0 1 7 DELLERA LGARBAGNAT1 E Lig h t n in g S t r o k e Sim u l a t i on b y M e a n s o f t h e Le a d e r Pr o g r e s s io n M o d e l Pa r t I I ：Ex p o s ur e a nd Sh ie l d in g Fa il ur e Ev a l u a t i on o f Ov e r h e a d L i n e s wi t h As s e s s me n t o f Ap p l i ca t i o n G r a p h s J I EEE Tr a n s a ct io n s o n P o we r De l iv e r y， l 9 9 0， 5(4) ： 2 0 2 3 - 2 0 29 曾嵘 ， 耿屹楠 ， 李雨 ， 等高压输电线路先导发展 绕击分析 模型研究 J 高 电压技术 ， 2 0 0 8 ， 3 4 (1 0)： 2 0 4 l 一 2 0 4 6 Z ENG Ro n g， GENG Yi n a n， LI Yu， e t a 1 Lig h t n in g s h ie l din g f a il u r e mo d e l o f t r a n s m is s io n l in e ba s e d o n l e a d e r p r o g r e s s mo d e l J Hi g h V o l t a g e E n g i n e e r i