（电气工程专业论文）同塔双回500kv线路的防雷性能的研究.pdf

贵卅l 大学电气t 程学院l ：程硕士毕j j k 论文：i 司塔敢陋l5 0 0 k v 线路的防簧性能的研究 a b s t r a c t a c c o r d i n gc o n d i c t i o no fg u i f ue l e c t r i c a ll i n eo fg u i z h o up o w e rn e t o b t a i n e d b ye m t pp r o g r a ma n dt h ee g m ，t h i sp a p e rs t u d i e so n1 i g h t n i n gp r o t e c t i o np e r f o r m a n c e o n5 0 0 k vd o u b l ec i r c u i tt r a n s m i s s i o nt i n et h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e lo ft o w e r isb u i i tw h e na n a l y z i n gt h eb a c k s t r o k i n g1 i g h t n i n gp r o t e c t i o np e r f o r m a n c ef o rd o u b l e c i r c u i t1 i n e 。i tc a nt r u l yr e f l e c tt h es p r e a d i n gc o u r s eo fl i g h t n i n gc u r r e n to nt h e t o w e r ，f u r t h e r m o r e ，c o n s i d e r i n gt h er a n d o m n e s so fw o r k i n gv o l t a g e sp h a s ew h e n li g h t n i n g s t r o k e st h et o pt o w e ra n ds u p p o s i n gt h ep r o b a b i l i t yo fl i g h t n i n ga p p e a r i n g a r b i t r a r yp h a s ei nac y c l eo fa ci se q u a l t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h es t a t i s t i c a l m e t h o dt oc a l c u l a t et h er a t eo fb a c ks t r o k i n go nd o u b l ec i r c u i t1 i n e i ta l s oi m p r o v e s t h e e g mb yc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fw i n ds p e e dw h e na n a l y z i n gt h e1i g h t n i n g p r o t e c t i o np e r f o r m a n c eo fs h i e l d i n gf a i l u r ea n dd e s i g n sap r a c t i c a le n g i n e e r i n g p r o g r a mt oc a l c u l a t et h e1 i g h t i n gs h i e l d i n gf a i l u r er a t e t h i s c a nf u l l yc o n s i d e r t h ee f f e c to f t h es t r u c t u r eo ft r a n s m i s s i o n1 i n e a n d t h es e l e c t i o no f1 i g h t i n g p a r a m e t e re t c b yc a l c u l a t i n ga n da t ：a y z i n gv a r i o u so ff a c t o rt h a ta f f e c t t h e t i g h t n i n gt r i p p i n gp r o b a b i l i t yo f5 0 0 k yd o u b l ec i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n e ，w ec a n d r a wt h ec o n c l u s i o n s ：t h er e s u l tb yi n t e r s e c t i n gm e t h o di sm o r ea c c o r dw i t ht h e p r a c t i c a l i t yc i r c u m s t a n c et h a n b ye x i s t i n gs t a n d a r dm e t h o d s ，u s i n gu n b a l a n c eh i g h i n s u l a t i o na n dr e v e r s es e q u e n c eo fw i r ec a r lr e d u c et h ec o n t e m p o r a r yo u t a g er a t eo f d o u b l ec i r c u i t1 i n e ，r e d u c i n gt h ef o o t i n gr e s i s t a n c ei so n eo ft h em o s te f f i c i e n c y m e t h o dt or e d u c et h eb a c ks t r o k i n gr a t eo fd o u b l ec i r c u i tt r a n s m i s s i o nli n e ，t h e d o u b l eb a c ks t r o k i n gr a t ea n dt h es i n g l eb a c ks t r o k i n gr a t ew i l lf a l lb yt h r e eg r o u n d w i r e w h e nt h ef o o t i n gr e s i s t a n c ei s 1 0o h m ，t h eb a c ks t r o k i n gr a t eb yt h r e eg r o u n d w i r ei s8 3p e r c e n to fb yt w og r o u n dw i r e i t i si m p o r t a n c et oa c c u r a t e l yc o n f o r m t h ew a v ei m p e d a n c eo ft o w e r ，w h e nt h ew a v ei m p e d a n c eo ft o w e rc h a n g esi g n1 0p e r c e n t i n d e p e n d e n t l y t h eb a c ks t r o k i n gr a t eo f t r a n s m i s s i o nl i n ew i l lc h a n g es i g n2 0 d e r c e n ta c c o r d i n g l y g r o u n do b l i q u i t yi st h em a i nf a c t o rt h a ta f f e c tt h es h i e l d i n g f a i l u r er a t eo fl i n e ， w h e nt h eg r o u n do b l i q u i t yi n c r e a s e s ，t h es h i e l d i n gf a i l u r e r a t ew illi n c r e a s en o n li n e a r l y t h ew i n ds p e e dm u s tb e 贵州大学电气：j _ _ ：狂学院+ t 程硕士毕照论文：薅臻磺回5 0 0 k v 线路的耱嚣性能靛研究 c a l c u l a t e dw h e na n a l y z i n gt h es h i e l d i n gf a i l u r ep e r f o r m a n c eb ye g m 。b e c a u s ei tc a n a f f e c tt h er e s u l to fs h i e l d i n gf a i l u r er a t eo fd o u b l ec i r c u i t1 i n e t h et o w e ri s 1 0 w e r ，t h ed o u b l ec i r c u i to u t a g er a t eo ft r a n s m is s i o n1 i n ei sl o w e r t h ef a c t o rm u s t b es t r e n g t h e ns t u d yf o re x c e e do rs p e c i a lh i g hv o lr a g el e v e lt r a n s m is s i o n1 i n e t h e m e a n w h i l eap r o p e rl i g h t e n i n gr e s i s t i n gm e a s u r ei sp r e s e n t e d 、t h e s er e s u l t sw i l l p r o p o s er e f e r e n c ef o rt h es a f l l et y p eo ft r a n s m i s s i o n1 i n e k e y w o r d s ：d o u b l ec i r c u i tt r a n s m i s s i o n1 i n e ，b a c ks t r o k i n g ，s h i e l df a i l u r e 1 i g h t n i n go u t a g er a t e ，1 i g h t n i e gp r o t e c t i o nm e a s u r e 贵州大学电气：】：稃学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 1 绪论 1 1 本论文研究的目的及意义 随着贵州电网装机容量的增长，将形成以贵阳为中心，辐射广东、广西、湖 南、云南等周边地区的5 0 0 k v 网络。但贵州有着复杂的地形、地貌，输电线路 径地形高差大、塔型繁多，正处于从平原地区向高海拔地区过渡的地段，气候条 件很复杂，雷电活动频繁，因此如何保证贵州电网输电线路的安全运行，提高供 电可靠性，是迫切需要解决的课题。 同时，为了减小占地面积，提高线路走廊电位面积的传输容量，目前国内外 十h 继采_ h = i 了i _ j 塔双回超高压输电线路同塔双回线路杆塔比单回线路高，杆塔电 感和感应过电爪都较大，其耐雷水平被大大降低，且由于同塔双回传输容量大， 故障时系统的稳定将受到严重影响因此研究5 0 0 k v 同塔双回线路的防雷性能 及电气性能，对在贵州电网及其全国超高压电网中推广应用同塔双回5 0 0 k v 线 路和西电东送的超高压输电线路都有重要的科学意义和巨大的现实意义 在国外超高压中。目前较为普遍使用的是同塔双回5 0 0 k v 线路，在欧、美，日 较多使用这种输电方式。最初在超高压同塔双回线路采用不平衡绝缘，但运行总 体效果差，现多采用平衡绝缘方式我国在5 0 0 k v 线路的建设中，已建立了具 有一定的超高压线路试验基地，超高压技术领域中开展了各种真型杆塔间隙的雷 电冲击、操作冲击放电特性及试验研究，提出了科学数据和技术依据，为工程设 计、制定标准提供了科学依据。在此基础上，国内最近几年在平原地区已建成了 同塔双回5 0 0 k v 线路，均采用逆相序导线排列、平衡高绝缘。国内外的运行经 验表明：虽然5 0 0 k v 线路雷击跳闸的主要形式是绕击，由于杆塔高，雷击杆塔 塔顶引起的反击跳闸也不能忽视，加强5 0 0 k v 输电线路的防雷保护，提高线路 耐雷水平，防反击绕击是目前解决5 0 0 线路雷击跳闸的一个必然趋势。 1 2国内外研究现状 1 2 1输电线路防雷保护发展 输电线路的防雷保护大体上经历了四个发展阶段“”，第一阶段，1 9 3 0 年 以前，是以防止感应雷为主的阶段，最初，线路电压等级很低，感应雷引起的雷 害事故是线路防雷的主要矛盾，因此，为了减少相导线上感应过电压，在输电线 路上加装了地线，但这条地线是挂在相线下面的，仅作为耦合地线用；第二阶段 1 9 3 0 1 9 5 0 年，以防止直击雷为主的阶段，也是雷电参数得以系统归纳设计的 时j 埘，这一时期逐步明确了对1 1 0 2 2 0 k v 高压线路来说直击雷是主要矛盾，并 提出了直击雷防护计算方法美国于1 9 2 3 年建成了2 2 0 k v 高压输电线路，由 于运行后发生多次大的雷害事故，促使了防雷工作的迅速开展，随着输电线路电 压等级的提高，线路绝缘水平也大大提高，感应过电压不可能使绝缘闪络在这 种情况下，人们才开始认识到直击雷是线路雷害事故的主要原因，因此，各国进 行了大量的雷电观察，提出了用行波理论来计算绝缘子串两端电压的方法；第三 阶段1 9 5 0 年一1 9 6 2 年左右，是由美国o v e c 3 4 5 k v 线路异常高的闪络率所引 起的争论和对以前的防雷计算方法和数据进行重新估价的时期，这场争论极大地 推动了线路防雷研究工作的进展，使理论分析、现场测试、模拟试验和运行经验 的积累等方面的工作都有了很大的提高：第四阶段1 9 6 2 年前后至今，为模拟试 验、现场实测、概率统计方法和计算机综合使用的阶段，在国外超高压电网中， 贵州大学电气工程学院工程硕七毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 同杆双回输电线路的使用越来越普遍，而日本是使用此类型线路最多的国家，不 仅在5 0 0 k v 线路中绝大多数是同杆双回线路，新建的1 1 0 0 k v 线路也是采用同 杆双回线路，美国、西欧使用的也很普遍，例如： 澳大利亚在1 1 0 k v 等级中有 6 4 的输电线路采用同杆双回路输电“3 ， 美国在2 2 0 k v 等级中有4 7 的输电 线路采用同杆双回路输电，在3 4 5 k v 等级中有5 2 的输电线路采用同杆双回路 输电，英国在2 7 5 k v 等级中有9 9 的输电线路采用同杆双回路输电，在4 0 0 k v 等级中全部采用同杆双回路输电，日本、美国的同杆双回线路一般采用逆相序排 列，以减少双回同时雷击跳闸率，线路的不平衡度和地面场强等，日本为了减少 双回同时跳闸率，曾采用不平衡绝缘，但是运行中发现不平衡绝缘虽然降低 了双回同时跳闸次数占总的雷击跳闸次数的比例，但它使总的雷击跳闸率显著增 加，所以日本后来一般多采用平衡绝缘，雷电事故数据见表l 5 】，从各国数十 年的雷击跳闸故障的资料表明5 0 0 k v 线路跳闸主要不是雷击杆塔时引起的反 击造成的，而是绕击导线引起的为了防止绕击，各国采用的保护角方式并不相 同，例如同本在5 0 0 k v 同杆线路上采用负保护角，美国各超高压线路保护角大 小相差较大，一般同杆双回线路的保护角远小于般单回路线路，前苏联超高压 和特岛压线路的保护角较大，在 2 0 0 以上，为了改善线路的耐雷性能，日本还研究了同杆双回线路架3 根地 线等方法，国内第一段较长的5 0 0 k v 同杆双回线路是东北伊敏一冯屯线中的 1 9 0 k m 的线段，国内第条完整的5 0 0 k v 同杆双回线路是四川洪沟一龙王 线1 8 0 k m ，它们均是最近建成的，后者于9 8 年8 月投运，它们均采用逆相序 导线排列，平衡高绝缘。 表i1 日本5 9 0 k v 线路甭售事故绕计表 t a b l e l 1s t a t i s t i c sc fn i g h n l i 唱s t r i k i n gt t c c i d e mf o r5 0 0 k vl i n e i nj a p a n 运行线路绝缴运行长度蓠害次数 事故率h i k i n i 。 时蜘型式方式 , t k n x n )i 圈 2 蝈 合计i 圉2 囿会计 l 触电0 平衡 i 钳9 678 569 1旺5 9q0 4e6 3 2 1 9 5 3 乎衡 1 2 2 202 21 73 9l8 t s1 9 双日 0 3 平衡 t 5 7 1 871 0 72 31 3 0旺够畦1 5n8 3 不平衡 3 4 9 94 6 3 36 6 i8 2q l9 l 单圄标准 3 2 l z74 44 4l3 7l3 7 坞鼹“平衡 h 5 畦g07 61 28 8q5 2q 鸺86 0 双目 脑o不平衡 1 7 4 l62 3l2 4l3 2e0 6t3 $ 3 单目标准 2 3 t l21 71 7q 他q7 3 注：不包括日本簿山岳地区t 专指日本海山岳地区线鼯，包括日本海山岳地区 1 2 2 耐雷性能计算方法 电力行业标准“交流电气装置的过电压和绝缘配合”( d i n 6 2 0 1 9 9 7 ) 推荐的 计算方法是将杆塔简单视为一等值电感的方式来计算，无法确定雷击杆塔时杆塔 上各节点的电位随时间变化的过程，因此目前世界各国对同杆双回线路绕击率的 2 爨姨大学电气| ：榉学院王稷鞭士毕盘论文：两塔双霞5 0 0 k v 线路翡薅雷瞧麓黪研究 计髀方法基本都艇采用电气几何模型，击踞法只是在一黪具体参数的选用上有差 异。健在爱毒计簿上，各国的方法相差较火，有用行波法e m t p 程序等等，现 努掰给予籁摹套绍。 q 精距法 所谓电气几何法是指将雷电的放电特性岛线路的结构尺寸联系起柬简建立的 ， 一种几何分析计辣方法，该方法以雷击机理为基础，与实际运行经验比较吻合， 在诲多莛家孚已得赘| 公诀窝纛髑，w s e g m 法戆菝心建w h i m m 醛b r o w n 魏 绕穗模墅 ”“”。 电气几何法的基本原理建纛在下列基本假设的基础上。 1 ) 由雷云向地筒发展的先导放电通道头部到达被击物体的临界击穿躐离击距以 裁，毒孛点是不确定的，先到达骤个耪体驹壹距之内，郄囱该物体放电。 2 板鑫罄途疆究器试验壶鼷冬蓄电流福蓬有磐下关系 r s a 蝌p( 1 1 ) 式巾k 、p 是两个常数，不同研究者给出的数值差别很大，常见的击蹑公式有n 1 w hitehe8d 击距公式l醛= 6 7 2 p ( 1 2 ) ieee 雷电工作组击距公式： 俗= 6 。8 8 r 毋 ( 1 3 ) 朱氏模型击距公溅：描= 8 ，0 0p ”( 1 a ) 3 ) 不考虑霍壹鞠魏爨体形状靼镪逐效应等箕链因素对蠢距酶影韵，认冀先粤对 辑漤、逮霉绫、导线黪蠢距r s 穗等。 4 ) 先导接近地筒时的入射角v 服从菜一绘定的概率分布函数，垂直薄嚣密度最 大，水平落雷密腱下降到零。最大击距黜m 可以通过几何关系导出 行没法 行渡法h 朝帮将拜密鹃备段凌舞线路段，著褪荛分帮参鼗，把分枢参数熬 线菠化成集中参数模型，然螽褥雳集串参数魄路酶节熹分析方法，求密释塔各节 点电压，得出绝缘予串的电使麓随时间的褒化过程，并与其伏秒特饿进行比较， 判断绝缘子串是谮闪络。计算过程反映了臀电波在杆塔上的传播过程，以及反射 渡辩释塔蚤节焱奄经懿影殡，滚必这静方法是蕊线路豹煲杰麓数学模型出发熬 群竣叉舔受露杰熬法。 黎特卡洛法 蒙特卡洛法”作为一种遄用的统计模拟方法，首先出现于第二次世界大战 期嬲 弋号嬲羞m o n t e c a r l o 的孩武器研制计划，5 0 年代以来在各个学科技术领域 串褥戮了广泛酶瞧藤，l 鳝1 年jg 翻。渤靛黄先嚣m o n t e c a 芏l o 法解决线馥燕 雷阎题，后来滏步改进并捺荐在设计中镁用m o n t 涨m 法又称统计模羧法或 统计试验法，就撼利用数学的方法产生各种不同分布的黻机变量抽样序列，来模 拟给定司题的概率统计模型，然后给出问题数值解的渐进统计估计值，用这种方 法来求取线路霉鸯蔬褰率，碍数看薅是裂爝诗算辍完或熟模攘赣毫线路瓣| 雷蛙笺 躲数值实验，其原理是峦谵冀祝产生代表菊魄漉辐毽、滚滚长度等统计爱，诗冀 线路耐雷性，骏端和确定线路绝缘水平，徽验防雷措施的性能；1 9 6 2 年我国莉 用概率论方法，提出了考虑雷电流幅值和陇魔两个随机燮擞的线路雷溢跳闸率计 冀方法，曩这秘势旃法计算热羧参数基线釉默阐率，弱敬慕一霜定醚嶷计算耐雷 容平秘壤餍辜籀磁，更麓簿会实瓣，在藤杼塔线路稻莛蓠涎线路更燕魏 懿。糟m 伽舾c 黼。法计算线路雷击跳闸率，有避雷线的搿压及超高趱输电线路 3 贵州大学电气工程学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 雷击部位有三：雷击塔顶、雷击避雷线档距中央及绕击导线，雷击塔顶和发生绕 击时闪络发生在杆塔绝缘子串上，雷击避雷线档距中央时，闪络可发生在档距中 央避雷线与导线间的空气间隙处。计算机一次次地模拟线路上遭受雷击的情 况，并判断该次雷击是否会引起闪络引起闪络，则闪络次数加1 ，如此反复循环 模拟n 次雷击，便可得到观测计算结果的一个容量为n 的样本，可以统计出 雷击线路引起绝缘闪络的概率估计值，从而进一步算出雷击跳闸率的渐近估计 值，用m o n t ec a r l o 法计算雷击跳闸率的优点在于防雷计算中的很多参数的变化 是随机的，用m o n t ec a r l o 法可以产生随机数来模拟实际雷电流，雷击部位、线 电压等，缺点是雷击中部位的判据难找，雷击中部位的闪络翔据也不好找，目前 尚无规定一个统一的判据 e m tp 的应用 荚i q 帮纳维尔电力局b p a 编制的电磁暂态过程计算程序e m t p i ( e l e c t r o m a g n e t i cq y a n s i e n tp r o g r a m ) 是当今世界上应用最广泛的研究电力系统暂态过程 的椰序i 乜磁暂态过程计算程序emtp 是基于贝杰龙法的，贝杰龙法就是求 解分确j 参数线路波过程的特性线法，和求解集中参数电路暂态过程的梯行法两者 结合起来，形成的一种数值计算方法，因此它首先需要把分布参数线路和集中参 数储能元件lc 等值成为集中参数的电阻性网络，然后应用求解电阻网络的 通用方法，计算实际电路的波过程，其原型是由加拿大哥伦比亚大学d o m m e l 教 授在b p a 工作时于1 9 6 8 年完成的，约有五千条语句，随后w s c o um e y e r 博 士进行了e r r p 的管理和开发工作，他与美国、加拿大、日本、南美及欧洲的 一些国家的教授和著名的工程技术人员一起，经过十多年的协同工作，反复修改， 不断补充，并经过这些国家许多使用单位的长期考验，才形成了今天这样具有七 万多条语句的大型通用程序e m t p 是计算电磁暂态过程的通用程序，同时也 设有稳定状态下的解，因此可以解决电力系统中许多稳态和暂态过程的计算，诸 如潮流计算故障计算、稳定计算、过电压计算、系统的故障分析、交直流联合 电力系统中暂态现象的研究、乃至某些高压试验的校验计算和铁磁谐振研究等 此外e m t p 同样可以用于电力系统以外的一般电路、电子回路以及能用电路表 示的非电系统，如机械系统等问题的研究分析 1 2 3 绝缘闪络的判据 在我国，线路防雷计算中判断绝缘是否闪络”， 工程上一直是用比较绝 缘子串两端出现的过电压与绝缘子串或空气间隙5 0 放电电压方法( 定义法) 作为判据，过电压超过绝缘的5 0 放电电压即判为闪络，过去的电力设备过 电压保护设计技术规程s d j 7 7 9 和现行的行业标准交流电气装置的过电压 保护和绝缘配合d i f 6 2 0 - 1 9 9 7 也是这样规定的，他们所规定的整套计算方 法与单回线路的运行经验比较符合，根据国外的运行经验表明该方法将导致同杆 线路跳闸率明显偏高美国等西欧国家采用相交法判据“，相交法判断绝缘 闪络的方法是只要绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线相交，即发生闪络，不 相交就不闪络，这是一种人为的处理方法，它可能会丢失波尾放电的次数，因为 波尾放电时，两者是不相交的。考虑到下列因素：美国同杆双回高杆塔运行经验 表明，绝缘子串放电闪络为分级放电，证明放电发生在波头上；绝缘子串上电压 为短波非标准波形，可用下式计算实际放电时间“” 。 t b = t c r 1 一瞅p ) 】+ 0 4 f ( p ) t r f ( p ) = ( p + 3 p 1 0 ) ，4 4 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 贵州大学电气t ：稗学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 式中，t c r 为电压波到达波峰u c r 的时间，t r 为后尾电压到达u r ，2 的时 间，p 为后尾电压比率u r u c r ， u r 为后尾电压震荡第一个波的平均值。对于同杆双会线路绝缘子串上非标准波 形的计算表明t b 均较短，基本上是波前放电。一些国家采用相交法所得的结果 和运行经验基本相符合，本文认为相交法作为同杆双回线路绝缘子闪络判据较为 合适。 最近清华大学提出利用先导法作为绝缘闪络判据”，认为由于作用在线 路绝缘上的雷电过电压远非标准波形，而绝缘子串在标准波下的伏秒特性并不适 用于非标准波下的绝缘强度，因此提出了利用先导发展模型法作为绝缘闪络的判 断依据，即由对长空气间隙研究放电过程的研究得知，间隙击穿时间t b 、由流 注起始时间t p 、流注发展时问t s 、游离波传播时间t i 、先导发展时间t l 、气 体加热时间t g 组成，可近似为： t b t s + t l ( 1 7 ) 不同的研究者根据各自的实验数据得出t s 与先导发展速度v l 的不同 经验公式”1 l 瓜= a e ，e 加- b ( 1 8 ) 吃 或l 瓜= iv ( t ) d t v a v a ； v l = k l d e k z w 4 ( v x e 0 ) ( 1 9 ) 或v i = k v ( t ) ( d - 2 x 1 ) 一e 0 】 式中： e 一闪络前最大平均场强 e 5 0 _ 5 0 放电电压下的平均场强 v ( d 一问隙上所加电压平均值 v a v - 时自j 内间隙所加电压平均值 a 、b 一由间隙类型及电压极性决定的实验常数 v l 一先导发展速度 d - 间隙长度 v - 瞬时电压 x 剩余间隙长度 x l 一流注长度 e o ，k 、k 、l k 2 一与绝缘性质、电压极性等有关、与实验结果拟合所得的 经验系数 当线路绝缘上电压出现的时问达到一定的流注发展时间t s 值时，先导开始发展， 其速度随施加的瞬时电压与剩余间隙长度而变，当流注占满整个间隙长度d 时， 间隙闪络。该方法虽然理论上比较符合放电的物理过程，能判断任意波形下绝缘 间隙的闪络，但由于对长空气间隙放电的实验过程。不同的研究者有不同的数据， 且与先导法有关的参数分散性较大，这些都将直接影响其计算的正确性 1 3本论文研究的主要内容 以贵福线的地理及自然条件为基础，建立计算5 0 0 k v 同杆双回输电线路反击 5 贵州大学电气一 程学院工程硕士毕业论文；同塔域回5 0 0 k v 线路的防宙性能的研究 跳闸率时杆塔的模型： 以定义法作为绝缘闪络判据，利用e m t p 计算5 0 0 k v 同杆双回输电线路反击 跳闸率； 以相交法作为绝缘闪络判据，利用e m t p 计算5 0 0 k v 同杆双回输电线路反击 跳闸率： 分析线路的相序排列、地线的根数、杆塔高度、冲击接地电阻、线路的绝缘方 式、杆塔的等值波阻抗、绝缘的闪络判据方法等因素对5 0 0 k v 同杆双回输电线 路反击跳闸率的影响情况； 充分考虑风速等气象因素的影响，完善电气几何模型； 利用电气几何模型，编制程序，计算5 0 0 k v 同杆双回输电线路绕击跳闸率； 分析地面倾角、杆塔高度、风速等因素对5 0 0 k v 同杆双回输电线路绕击跳闸 率的影响情况； 5 0 0 k v 贵福线( 单回) 易击塔、易击段的防雷研讨 根据计算结果，提d j 完善5 0 0 k v 同杆双回输电线路的防雷措施。 6 贵州大学电气j 二程学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 250okv 同杆双回线路的反击耐雷性能 2 1引言 电力行业标准“交流电气装置的过电压和绝缘配合”( d l t 6 2 0 1 9 9 7 ) 推荐的计算 方法规程法，在对输电线路反击耐雷水平进行分析时，将杆塔视为一等值电感 杆塔上任意点的电位相同，不能反映雷击塔顶时。雷电流在杆塔上的传播过程， 以及反射波对杆塔各节点电位的影响，也不能反映绝缘子串上电压随时间的变化 过程，因此规程法的计算是一种简化的计算方法，与实际的雷击过程有一定的差 距而用m o n t ec a r l o 法计算雷击跳闸率对于雷击中部位的判据难确定，目前尚 正统一的判抓，因此本文应用基于贝杰龙法的e m t p 程序来计算 2 2emtp 程序原理介绍 emtp 程序是利用把求解分布参数线路波过程的特性线法和求解集中参 数电路暂态过程的梯行法两者结合起来而形成的数值计算方法编制而成的。因此 它首先需要把分布参数线路和集中参数储能元件( lc ) 等值成为集中参数的 电阻性网络，然后应用求解电阻网络的通用方法，计算实际电路的波过程。现分 别分析分布参数线路和集中参数储能元件的暂态等值计算电路。 单根均匀无损线的暂态等值电路”1 设一线路两端节点分别为k 和m ，其电压、电流分别为u k ( t ) 和( t ) u m ( 0 和i 诎( t ) ，如图2 1 ( 8 ) 所示： 国线路瑷型等值电路 闭2i 挚报均匀无损线鼯的等僵计算电路 如观测者在时刻t ；t ( t = l ，u ) 时从节点k 出发在时间t 到达节点m 有 下式成立： 7 贵州大学电气工程学院1 i 稃硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 上式可改写为。 i i ( f - 一c ) + 乏k ( f 一叼= ( 砷+ z ，卜f - ( f ) 】 。2 丢( f ) + l p q i ( t - - x ) = ( f 叫) - 0 p t ) 同理可得 k 甜1 = 号一l k f f l + i 仃一t 1 l i p 乍) = 一弓一h 【f 。c ) 一0 p q 经改写后的二式可用图2 1 ( b ) 所示的等效网络来表示， 下述两个特点： q1 ) 眨乃 晓0 倥d q0 并可归纳为 i ) k 和m 是一条导线的两端，现在在计算等值图中是独立分开的； 2 ) 每个节点包含一等效电流源ik ( t t ) 或i m ( t - t ) ，其值由比现在时刻t 早t 的时刻的线路另一端电压、电流值( 即过去的记录) 来确定 在过电压计算中常不需知道导线上的电流i k i l i 和i l l i l 【，可用等效电流源ik 和im 的递推公式，即： i ( t 曲= - 2 u z c ( t - t ) 一i ( t 2t ) ( 2 6 ) 式中各标点的下标省略上标表示线路另一端的电压和电流源数值 电感的等值计算电路 对如图2 2 ( a ) 所示的线性电感l ，根据电磁感应定律可以写出如下 关系： k 争j n r l 一m u “t ) l 育u - c t ，j ( 匐电感电路 隔2 2 电感的等值计算电路 ( b ) 等值电路 式中( c ) 表示由节点k 流向节点m 的电流，i i k ( d 和l l l i i ( t ) 分别为两端点的电 位。 ， 设已知( t - a t ) 时刻流经电感的电流和节点电位为i h ( t - t ) 和u kt - a t ) 、u m ( t t ) ，求t 时刻的电流和电位i h i i ( t ) 、u k t ) 、u m ( t ) 为此把上式改写成积分形式： 0 贵州大学电气工程学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 ( t 一t ) 2 i 1 量i ) 西 根据梯形积分公式可得 i h l i ( t ) - i h ( t - a t ) + 等 i l l ( t - a t ) u l ( t ) 】 ( t ) 。 。u l ( 1 ) 】 考虑u l ( t ) = u k ( t ) 一u r n ( t ) ，上式可改写成 i k m ( t ) 2 击【i l i c ( t ) 。i l i i i ( t ) 】+ i l ( t - a t ) 式i | i = 等 i i ，( t t ) _ i “卜t ) + 击【吣t ) u m ( t - a t ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 根掘式( 2 1 0 ) 可以得到如图2 2 ( b ) 所示电感的等值计算电路。其中是r l 电感l 的等值计算电阻，只要时间步长t 确定后，即可由式( 2 1 1 ) 求出 i l ( t - t ) 是电感的等值计算电流源，可以由( t - a t ) 时刻电感上的电流和电压的历史 记录，按式( 2 1 2 ) 算得可以看出，电感的等值计算电路也只包含有集中参 数电阻和电流源，进一步利用式( 2 1 0 ) 的递推计算结果 l i h ( t - a t ) = il ( t - 2 a t ) + fl l l ( t - 伊u m ( t - a 0 】( 2 ，1 3 ) l 代入式( 2 1 2 ) 也可以得到新的更为简便的电感等值电流源递推公式 ， il ( t - a t ) _ il ( t - 2 t ) + 【u k ( t - a t ) - t h a ( t - a t ) 】 ( 2 1 4 ) 电容的等值计算电路 对如图2 3 ( a ) 所示的电容元件，其电压电流关系可以表示为 眦：一m 二 眦t ，可嘣”卜“ i b ( t ) = c d u e ( t ) d t 愿2 3 电容的等值计算电路 9 ( b ) 等值电路 贵州大学电气丁程学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 = cd u k ( t ) 一u 。( t ) 】d t 或与威积分彤瓦 毗c o - u m = 毗( t - a t ) - u m ( t - a t ) + 吉。量o ，西 同理应用梯形积分公式可由上式得到 i h n ( t ) 2 u k c t ) 。t l l l i ( t ) 】+ i c ( t - t ) 其中 r f 、= a t 2 c ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) k ( t - a t ) = 一i k 。( t a t ) 一- _ 【u k ( t a t ) u m ( t - t ) 】 ( 2 1 9 ) ： 式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 分别为电容的等值计算电阻和等值计算电流源。 和电感相似，由式( 2 1 7 ) 可以得到只包含电阻和电流源的电容等值 计算电路，如图2 3b 所示，同样进行递推计算，也可得出简便的电容 等值计算电流源递推公式 ， i c ( t t 1 = i c ( t - 2 a t ) - 【l l k ( t - a t ) - u m ( t - a t ) 】 一( 2 2 0 ) 【c 至于集中参数电阻元件r ( 图2 4 ) 因为它不是储能元件，其暂态过程与历 史记录无关，电压电流关系按欧姆定律由代数方程决定，无需进一步等值 k 选! ! 尘) 一皿 姒t ，ju c ”j 豳24 电阻等值计算电路 f i g u r e 2 4 t h ee q u i v e l e r r , ec a l c u l a t i o nc h c m to fr e m s t a n c e ( t ) = 【u k ( t ) - l l l i i ( t ) 】 ( 2 2 1 ) 上面介绍了emtp 计算的原理，并推导了线路分布参数和和集中参数储 能元件lc 等值成为集中参数时的等值电路。现介绍em tp 程序的编制 流程及其所要完成的功能： 1 ) 把输电线路分布参数化成相应的瞬态等效模型； 2 ) 根据瞬态等效模型及给定运行方式生成节点导纳矩阵； 1 0 贵州大学电气工程学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 3 ) 把电压源型的侵入波化成电流源型并计算每时刻侵入波值； 4 ) 计算线段瞬态等效模型中的电流源并随时间不断更新； 5 ) 计算节点电压； 6 ) 对于避雷器的节点当节点开路电压达到避雷器的放电电压时，用补偿法解 出避雷器的放电电流并用放电后的电压值取代放电前的电压值； 7 ) 求出每一节点的最大电压； ， 8 ) 求出避雷器的放电时间放电电流； 9 ) 打印所需节点电压波形曲线； 10 ) 打印避雷器放电电流曲线 e m tp 计算过电压程序框图如图2 5 所示 贵州大学电气工程学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 强2 5 e m t p 程序流稃固 贵州大学电气工程学院工程硕士毕业论文：同塔双回5 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 2 35o 0kv 同杆双回线路的计算参数 1 ) 贵福线概况 贵福线位于贵州电网5 0 0 k v “日”字形主网的腰腹部，是连接中、东部电网的重要 超高压输电通道。线路由5 0 0 k v 贵阳变出线后，一直向东走线，沿线途经贵阳市、龙里 县、贵定县、福泉市，最后进入5 0 0 k v 福泉变；线路途径地区以山地、高山大岭为主， 地形起伏较大、沟壑较深；沿线地质主要为白云岩、灰岩、页岩、沙岩、粘土岩、灰质 页岩、粉沙岩等，主要为中风化，覆盖层分布不均匀，岩石多为出露；沿线矿产资源丰 富，主要有煤矿、铁矿、铝矿、镁矿、铅锌矿、磷矿等。贵福线基本参数如下： 线路回长：8 6 9 0 1 k m 编号铁塔数：1 7 3 基( 另有换位子塔4 基) 导线排列方式：三相水平 导线型号：4 l g j - 4 0 0 5 0 全线海拔范围：1 0 0 0 , - 1 4 6 0 米 每千米塔数：1 9 9 基 平均档距：1 0 m m 冰区为5 5 1 m ” 2 0 m m 冰区为3 6 1 m 年均雷电日：5 0 天 。 最大风速： 3 0 m s 污秽区等级： i 、级 一 架空地线：铝包钢绞线一根( 右) o p g w一根( 左) 2 ) 本文的计算参数是以上述贵福线自然条件为基础，引入一条典型的5 0 0 k v 同塔双 回线路为例，导线采用lgj - - 6 3 0 5 5 ，为分裂导线，分裂间距为4 5 0 m m ，避雷 线采用l h a g j 1 5 0 2 5 ，杆塔为s l 型尺寸见图2 6 ，绝缘子选x p 一3 0 0 绝缘子高度 为1 9 5 m m 爬距4 5 0 m m 圈268 1 型杆塔尺寸 贵州大学电气工程学院工稃硕士毕业论文：同塔双回$ 0 0 k v 线路的防雷性能的研究 2 4 杆塔模型的建立 用emtp 计算雷电流在杆塔中的传播过程时，杆塔是采用“行波桩”模 型，如图2 7 所示，为5 0 0 k v 同杆双回输电线路杆塔计算模型。3 - 8 节点为绝 缘子串悬挂点，1 1 点为塔顶 1 od 。 c 8 ) 回一 - 1 0 l 切 m g ( b 6 一山 2 ( 匀 f 曩 圉275 0 0 k v 同杆双回输电线路杆塔计算摸塑 图2 7 中1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、1 0 、1 1 表示杆塔模型上的各节点 编号：( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 、( 8 ) 、( 9 ) 、( 1 0 ) 、( 1 1 ) 表示各支 路编号r 为接地电阻。 在防雷计算中，由于塔上绝缘子串电压最大值出现在t = 2 h v ( h 表塔高， v 表光速) 时刻，在这一时刻后塔顶电位显著地降低，因此一般采用t = 2 h v 时 刻的波阻抗作为杆塔的波阻抗值，即塔的最大波阻抗值。杆塔波阻抗的正确选择 将影响超高压输电线路分析结果，因此利用该模型计算5 0 0 k v 同杆双回输电线 路反击跳闸率时，采用什么样的计算公式来表征杆塔波阻抗就显得尤为重要，国 内外对这一问题已进行了较长时间的研究，目前较为通用的计算公式有” 玎， j o r d a n ：z = 6 0 i n - l + 9 0 6 0 ( 2 2 2 ) i e e e 工作组：z = 6 0 i n ( 2 m + h + r + r ) ) 1 尼】r ( 2 2 3 ) 式中，z 为杆塔波阻抗( q ) h 一为杆塔高度( i n ) r 为杆塔基部等值半径( m ) 但从国内外