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(高电压与绝缘技术专业论文)输电线路防雷性能研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 摘要 雷击输电线路是造成线路跳闸停电事故的主要原因,电力系统事故中雷害 事故一般占5 0 以上。因此,准确评价线路的耐雷性能对于电力系统的安全稳 定运行有着重要的意义。 本文采用改进的e g m 模型计算输电线路绕击跳闸率,在计算过程中为考虑 风的影响,引入风偏角;同时引入了雷击避雷线与雷击地面击穿强度比值随杆 塔高度h 变化的系数卢。文中用暴露弧法计算每根导线绕击跳闸率,以暴露弧为 0 时对应的雷电流作为雷电的最大绕击电流。 为计算输电线路反击跳闸率,本文利用求解分布参数线路波过程的 b e r g e r o n 特征线法和求解集中参数电路暂态过程的梯行法,并将接地装置电气 参数进行等值以反映土壤的火花放电效应。该方法能较真实地反映雷电流在杆 塔、接地装置和传输线中的传播过程。 针对5 0 0 k v 同杆双回输电线路,本文编写了计算其绕击跳闸率和反击耐雷 水平的程序。利用该程序分析了风偏角、杆塔结构等因素对5 0 0 k v 同杆双回输 电线路各导线绕击跳闸率的影响;土壤电阻率、雷电流源波形、波前陡度、波 速、相序、绝缘方式等因素对反击耐雷水平的影响。结果表明,风偏角增大, 绕击跳闸率增大;总绕击跳闸率随避雷线横担增长而减小;各导线绕击跳闸率 与杆塔结构间的关系复杂,需具体计算分析;土壤电阻率越高,波前越陡,波 速越小,耐雷水平越低;采用不平衡高绝缘能明显减少同杆双回输电线路的双 回同时跳闸率。 关键词:同杆双回;绕击;反击;耐雷水平;跳闸率 东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el i g h t n i n g ss t r o k eo nt r a n s m i s s i o nl i n ei sp r i n c i p l er e a s o nf o ro u t a g e t h e a c c i d e n tc a u s e db yt h u n d e ri sa b o v e5 0p e r c e n ti nt h eo u t a g eo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m ,s oi ti sv e r ym e a n i n g f u lf o rs y s t e ms e r v i c ea n ds t a b l eo p e r m i o nt oe v a l u a t e t h el i n el 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 a i m p r o v e de g m i sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h et r a n s m i s s i o nl i n es h i e l d i n gf a i l u r e r a t ei nt h i sp a p e r i nt h ec o u r s eo fc a l c u l a t i o n ,a 谢n dd e v i a t i o na n g l ei st a k e ni nf o r c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to f w i n d a tt h es a m et i m e ,ac o e f f i c i e n t ,w h i c hv a r i e s 诵t h t o w e rh e i g h tha n di st h er a t i oo ft w oe l e c t r i ci n t e n s i t i e sw h e nl i g h t n i n gs t r i k e so n t r a n s m i s s i o nl i n ea n do n g r o u n d , i si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h e u n c o v e r e d a r c m e t h o di sa d o p t e dt oc a l c u l a t ee v e r yl i n e sr a t eo fs h i e l d i n gf a i l u r e i t t a k e st h ec u r r e n to fl i g h t n i n gw h e nt h el e n g t ho fu n c o v e r e da r ci sz e r oa st h el a r g e s t t h u n d e rc u r r e n to fs h i e l d i n gf a i l u r e t h eb e r g e r o n - m e t h o dw h i c hi su s e dt os o l v et h ew a v ec o u r s eo fd i s t r i b u t e d p a r a m e t e ra n dt h et r a p e z o i d - m e t h o dw h i c hi su s e dt oc o m p u t et h el u m p e dp a r a m e t e r c i r c u i ta r ea d o p t e di n t h i s p a p e r ,o np u r p o s eo fc a l c u l a t i n gb a c ks t r i k i n gr a t e e l e c t r i c i t yp a r a m e t e r so fg r o u n d i n gd e v i c ea r ee q u a t e dt or e f l e c tt h ee f f e c to fs o i l b r e a k d o w n t h ew a yu s e di nt h i sp a p e rc a nf a c t u a l l yr e f l e c tt h es p r e a d i n gc o u r s eo f l i g h t n i n gc u r r e n ti nt h es y s t e mo ft o w e ra n dg r o u n d i n gd e v i c ea n dl i n e ap r o g r a m ,w h i c hc a nb e u s e dt oc a l c u l a t es h i e l d i n gf a i l u r er a t ea n db a c k s t r i k i n gr a t e ,i sw r i t t e n ,a i m i n ga t5 0 0 k vd o u b l e c i r c u i tt r a n s m i s s i o nl i n e t h ee f f e c t s o fw i n dd e v i a t i o n a n g l e a n dt o w e rs t r u c t u r e e t c o n5 0 0 k vd o u b l e c i r c u i t t r a n s m i s s i o nl i n e ss h i e l d i n gf a i l u r e ,a r ea n a l y z e d t h ee f f e c t so fs o i lr e s i s t a n c er a t e , w a v ep r o f i l eo ft h u n d e r , s t e e p n e s so fw a v e f r o n t ,w a v e s p e e d ,f o r e w o r d ,i n s u l a t i o n w a y , e t c o nb a c ks t r i k i n ga r ea n a l y z e d ,t o o t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h eb i g g e rt h e 摘要 w i n dd e v i a t i o na n g l e ,t h eb i g g e rt h er a t eo fs h i e l d i n gf a i l u r e ,a n dt h el o n g e rt h e d i s t a n c eo ft w op r o t e c t i o nl i n e s ,t h eb i g g e rt h et o t a lr a t eo fs h i e l d i n gf a i l u r e t h e r e l a t i o nb e t w e e ne v e r yl i n e sr a t eo fs h i e l d i n gf a i l u r ea n dt o w e rs t r u c t u r ei s c o m p l i c a t e d ,s oi t i sn e e d e dt oc a l c u l a t ea n da n a l y z ec o n c r e t e l y t h er e s u l t sa l s o i n d i c a t et h a tt h eh i g h e rt h es o i lr e s i s t a n c er a t e ,t h el o w e rt h ep r o t e c tl e v e l ,a n dt h e s t e e p e rt h ew a v e f r o n t ,t h el o w e rt h ep r o t e c tl e v e l ,a n dt h es m a l l e rt h ew a v e s p e e d ,t h e l o w e rt h ep r o t e c tl e v e l n o n - b a l a n c eh i l g hi n s u l a t i o nc a l lr e d u c ed o u b l e - c i r c u i tl i n e o u t a g ei nt h em e a n t i m eo b v i o u s l y k e y w o r d s :d o u b l e c i r c u i to nt h es a m ep o l e ;f l a s h o v e r ;b a c ks t r i k i n g :l i g h t n i n g p r o t e c t i o nl e v e l ;o u t a g er a t e 1 1 1 论文原创性声明 本人声明,所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果,均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明,愿意承担以下责任和后果: 1 交回学校授予的学位证书; 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报: 3 本人按照学校规定的方式,对因不当取得学位给学校造成的名誉损害, 进行公开道歉; 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名:7 套尉l 日期上生年月粤日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时, 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名: 导师签名: e 一 缈 ( 1 。2 ) 第1 章绪论 波形图如下: 图1 3 等值余弦雷电流源波形示意图 1 4国内外研究现状 1 4 1 输电线路防雷保护发展 一l t 1 ! 一一一一一一l 一一一一一一一一一一 j【j1jl 输电线路的防雷保护大体上经历了四个发展阶段【7 8 】。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 纳设计的时期,这一时期逐步明确了对11 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。第三阶段( 1 9 5 0 - - - - 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 法和数据进行重新评估的时期。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 9 , 1 0 。 随着雷电机理和防雷保护研究的不断发展,每一次线路高度和电压等级的 东北电力大学硕士学位论文 提高,都促使人们改进防雷保护计算模型。如今的5 0 0 k v 以上系统,雷击跳闸 率比预期的高【5 1 。输电线路防雷的研究方向主要有绕击、反击和防雷措施等。 1 4 2 输电线路绕击跳闸率计算方法 ( 1 ) 行标法 中华人民共和国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 ( 以下简称行标) 是国内线路防雷的设计准贝l jl 6 , 7 , 8 】。行标 根据模拟实验与运行经验指出,绕击率乞与避雷线对导线外侧的保护角、杆塔 高度以及沿线路的地形地貌有关,可以按近似公式计算: ( 平原线路)( 1 3 ) ( 山区线路) ( 1 - 4 ) 式中只一绕击率,口保护角( 度) ,j l l 一杆塔高度( m ) 。 设刀为线路绕击跳闸率,则珂可由下式计算: 刀= 懈县 次( 1 0 0 k m 年) ( 1 5 ) 其中,一每1 0 0 k m 线路每年( 4 0 个雷电日) 遭受雷击的次数( 次 ( 10 0 k i n 年) ) ;尸2 _ 雷电流幅值超过绕击耐雷水平的概率;刁建弧率。 行标的计算方法来源于电压等级不高、杆塔较低、保护角较大线路的 运行经验,而将其直接用于电压等级和杆塔都较高、保护角较小的线路,可能 与实际情况存在较大的差异。 ( 2 ) 击距法 击距法又称电气几何模型e g m ( e l e c a f i cg e o m e t r ym o d e l ) 法,是指将雷电 的放电特性与线路的结构尺寸联系起来而建立的一种几何分析计算方法,该方 法以雷击机理为基础,与实际运行经验比较吻合,在许多国家早已得到公认和 9 3 一 一 巫跖巫跖 = = 尼 圪 第1 章绪论 应用【1 3 】。其核心是w h i t e h e a db r o w n 的绕击模型,如图1 - 4 所示【9 ,2 1 。 电气几何模型法的基本原理建立在下列假设基础之上: ( a ) 由雷云向地面发展的先导放电通道头部到达被击物体的临界击穿距离 击距以前,击中点是不确定的,先到达哪个物体的击距之内,即向该物体 放电。 图1 4 雷击线路的电气几何模型 ( b ) 根据理论研究和试验,击距与雷电流幅值有如下关系: = k p ( 1 - 6 ) 式中k 、p 是两个常数。不同的研究人员,得出的k 、p 一般不同【1 4 , 1 5 】。 ( c ) 不考虑雷击目的物体形状和邻近效应等其他因素对击距的影响,认为先 导对杆塔、避雷线、导线的击距珞相等。 根据以上假设作图,线路周围的空间被划分为三个区域,沿o k 直线形成 的斜面以上是雷击避雷线的区域;o k 斜面与o c j k 抛物线沿线路形成的曲面所 包围的区域是雷绕击导线的区域;c ,c 曲面以下是雷击地面的区域;当雷电 流幅值大于时,雷或击中避雷线,或击中大地,不再发生绕击,此时的称 为最大绕击电流,相应的击距尺册称为最大击距,可以通过图中的几何关系 导出【9 】: r 。:竺殳三丝生翌墅尘业堡! :! ! ! :呈二! ! ! :! ! 旦! ! 丝二丝! :! 坐! 竺皇2 ( 1 - 7 ) 一” 2 c o s 2 ( 口+ 口) 东北电力大学硕士学位论文 1 4 3 输电线路反击跳闸率计算方法 ( 1 ) 行标法 与绕击跳闸率计算类似,行标同样给出了反击跳闸率的计算公式,该公 式物理概念清晰,使用起来非常方便。但由于该方法将杆塔简单视为一等值电 感,无法确定雷击杆塔及避雷线时杆塔上各节点的电位随时间的变化过程,同 时忽略了工作电压的影响,因而与实际运行经验严重不符。 ( 2 ) 行波法 即将杆塔的各段视为线路段,并视为分布参数,把分布参数的线段化成集 中参数模型,然后再用集中参数电路的节点分析方法,求出杆塔各节点电压,得 出绝缘子串的电位差随时间的变化过程,并与其伏秒特性进行比较,判断绝缘 子串是否闪络。计算过程反映了雷电波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。因为这种方法是从线路的b e r g e r o n 数学模型出发的,所 以又称为b e r g e r o n 法 1 6 , 1 7 。 ( 3 ) 蒙特卡洛法 蒙特卡洛法作为一种通用的统计模拟方法,首先出现于第二次世界大战期 间代号叫着m o n t ec a r l o 的核武器研制计划中,5 0 年代以来在各个学科技术领 域中得到了广泛的应用。1 9 6 1 年j g a n d e r s o n 首先用m o n t ec a r l o 法解决线 路防雷问题,后来进一步改进并推荐在设计中使用。m o n t ec a r l o 法又称统计模 拟法或统计试验法,就是利用数学的方法产生各种不同分布的随机变量抽样序 列来模拟给定问题的概率统计模型,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雷击跳闸率,可以看作是利用计算机完成的模拟输电线 路耐雷性能的数值实验,其原理是由计算机产生代表雷电流幅值、波前长度等 统计量计算线路耐雷性能,验算和确定线路绝缘水平,效验防雷措施的性能。 1 9 6 2 年我国利用概率论方法,提出了考虑雷电流幅值和陡度两个随机变量的线 路雷击跳闸率计算方法【l 5 l 。 有避雷线的高压及超高压输电线路雷击部位有_ - - 1 2 , t s l :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。 第1 章绪论 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。 计算机一次一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l 。如此反复循环模拟次雷击便可得到观测计 算结果的一个容量为的样本,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。缺点是雷击中部位难以判断,击中部位的闪络判据也不好找,目前 尚无规定一个统一的判据i l 8 。 ( 4 ) e m t p 法 美国帮纳维尔电力局( b p a ) 编制的电磁暂态过程计算程序e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r 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 的程序 1 9 , 2 0 】。e m t p 是基于线路的b e r g e r o n 数学模型,把求解分布参数线路波 过程的特征线法和求解集中参数电路暂态过程的梯形法结合起来形成一种数值 计算方法,利用该方法编制的大型应用程序。 e m t p 最初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 t tm e y e r 博士进行了e m t p 的管理和开 发工作。他与美国、加拿大、日本、南美及欧洲一些国家的教授和著名工程技 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。 1 5 绝缘子串闪络判据 我国线路防雷计算中判断绝缘是否闪络,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u 5 0 放电电压方法( 定义法) 作为判据,过电 压超过绝缘的u 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 l t 6 2 0 19 9 7 也是这样规定的。 东北电力_ 人学硕士学位论文 - i 美国等西欧国家采用相交法判据,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。但考虑到下列因素: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,并且基本上是波前放电【1 5 , 1 7 】。一些国家采用相交法所得的结果和运 行经验基本相符合,本文在计算绕击跳闸率时利用定义法,计算反击耐雷水平 时利用相交法作为绝缘子串闪络判据。 1 6本论文研究的主要内容 鉴于同杆四回输电线路耐霄水平的计算与同杆双回输电线路没有本质的区 别,本文在研究过程中,均以5 0 0 k v 同杆双回输电线路杆塔为例建立模型,进 行分析研究。 1 、考虑风偏角的影响,完善电气几何模型,在此基础上,形成同杆双回输 电线路的电气几何模型; 2 、根据电气几何模型,编制程序,计算分析地面倾角、杆塔高度、塔头尺 寸等因素对5 0 0 k v 双回输电线路绕击跳闸率的影响; 3 、建立计算5 0 0 k v 同杆双回输电线路反击跳闸率的杆塔模型一计及接地装 置雷电冲击特性的多基杆塔分布参数模型,较准确地计算横担电位; 4 、以相交法作为绝缘闪络判据,分析线路的相序排列、杆塔高度、土壤电 阻率、雷电流波形等因素对5 0 0 k v 同杆双回输电线路反击耐雷水平的影响。 第2 章输电线路绕击跳m 率研究 第2 章输电线路绕击跳闸率研究 2 1引 言 目前,我国输电线路的雷电屏蔽系统设计及其性能估算,是以中华人民共 和国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 为依据 的。行标法的绕击计算,未考虑雷电放电过程、雷电流大小和地面倾角对屏 蔽效果的影响,而是按经验和小电流试验模型而提出的综合平均法,常不能反 映线路的具体特性,无法解释屏蔽失效的问题和绕击率过大的原因。而传统的 经典电气几何模型( e g m ) ,是建立在击距概念基础上的电气几何分析方法,它 较细致的考虑了雷击线路的过程,引入了绕击率与雷电流幅值相关的观点,能 够考虑线路结构和雷电参数等对绕击率的影响,但该方法的理论是由保护角较 大杆塔高度较低的线路运行经验总结而来的,又由于未考虑雷击大地、避雷线、 导线时的差别及风的影响,因而具有一定的适用范围。 e g m 算法中所用最大击距公式,在计算单回线路时十分方便,但在计算同 杆双回时则显得过于复杂( 尤其是暴露弧法) 。为此,本文采取对各导线分别计 算的方法。根据导线、避雷线的相对位置求暴露弧,以暴露弧为0 时对应的雷 电流作为雷电的最大绕击电流。这样可以较准确求得各根导线的绕击跳闸率, 进而分析它们与杆塔结构的关系。 2 2 风偏角及考虑风偏角后杆塔参数的计算 雷击时常常伴随大风,这势必导致导线和绝缘子串的摇摆,从而增大导线 对地高度和保护角,使得输电线路引雷面积增大,引起线路绕击率的增加。特 别是超、特高压等级下由于杆塔高度较大,影响就更为明显。现对一定风速下 东北电力大学硕士学位论文 绝缘子串及导线的风偏角大小分别进行分析计算。 2 2 1 风偏角的计算 计算风偏角时,需要知道风压不均匀系数弧风载体型系数c 及风向因素 s i n 2 0 ,下面作一说明: 风压不均匀系数a :沿整个档距导线上所承受的风速不可能在各点上同时 都是一样,且风向也很少与导线各点垂直。因此导线上的真正合成风压会低于全 档距按均匀风速算得的风压。为使算得的风压值与整个档距中的导线受风情况 相吻合,引入的系数a 即称为风压不均匀系数;风压不均匀系数吐,各国取值 不同。我国行标规定悬垂绝缘子串风偏角计算用风压不均匀系数口按下式 计算: a = 5 5 4 3 ( v s i n d m 瑚 ( 2 1 ) 式中v 为设计采用平均风速m s ,0 为风向与线路方向的夹角。 风载体型系数c 及风向因素s i n 2 0 :物体所受到的风压,与物体的体型和 气流方位有关,这种影响通常以风载体型系数的大小来表示( 也称空气动力系 数) ,更通俗的讲即表示物体体型对风的阻力大小的系数。流线型和表面光滑的 物体就是减小风载体型系数的典型,即同样受风面和风速下流线型所受的风压 要小。对于导线,行标规定的风载体型系数是以水平风向与导线轴线成9 0 。 时的值,其实应包括风向因素s i n o 。在计算垂直于电线轴向的风压分量时,也 要乘以s i n o 。根据国内外的风洞实验证明风压计算中用s i n 2 口比以往用s i n o 较 接近于实际肛1 5 j 。 行标规定,直径小于1 7 毫米以下的导线风载体型系数c 为1 _ 2 :直径 等于或大于1 7 毫米及以上的导线为1 1 ;对于导线覆冰,不论线径大小均取1 2 。 有风时悬垂绝缘子串及导线的风偏角妒及f 与相对位置如图2 1 所示,绝缘 子串风偏角v 计算公式如下: 第2 章输电线路绕击跳闸率研究 im i f ,:要弊(2-2)arctanv = 一 g ,2 a + g i 式中厶、厶分别为水平和垂直档距( m ) ;g l 、9 4 为导线自重和风荷比载 ( k g m h i i l l 2 ) ;q ,弓为绝缘子串重量和其风荷载( k g ) ;a 为导线截面积( n 2 ) i 其中: 援担 g ,:a c v 2 d 1 0 3 岫砌m 2 ) ( 2 3 ) 。 1 6 a 、。 弓= 甜哦话v 2s i n 2 口1 0 4 ( k g ) ( 2 - 4 ) 式中口为风压不均匀系数;c 肛- 1 , 载体型系数:d 导线的计算外径( r a m ) ;厶水平 档距( m ) ;v 风速( r n s ) ;0 风向与线路方向的夹角。计入分裂间距的影响后则: =arctan筹卷+arctang 2 a g l 旦2 2 5 ,= l 二+ 一 【2 5 , i ? |+ l 。 、 式中r 兄为绝缘子串长度;d 为导线分裂间距。 导线风偏角f : 善:觚:t a l l ( 9 4 蜀) ( 2 - 6 ) 东北电力大学硕士学位论文 曼曼曼量皇量置曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼ii1 1 1 曼曼曼曼量笪量曼曼曼曼曼 2 2 2 考虑风偏角后杆塔参数的计算 考虑风偏角后,导线、避雷线与杆塔的相对位置发生变化,各参数可作如下 换算( 1 5 l :设导线、避雷线的高度和横担长度分别为吃、绣和岛、厶,考虑 风偏角后为,吃和上d 、厶,那么 h d = h d + 九- 2 c o s v + f d 一d g o s 毒d d 。= 岛+ 丑s i n + 五s i n 岛( 2 - 7 ) 玩。= 吃+ 以一五c o s 彘 厶= 厶+ 五s i i l 磊 式中 为绝缘子串长度;| :f ,为绝缘子串风偏角;品为导线风偏角:磊为避雷线 风偏角。 2 3同杆双回输电线路绕击跳闸率的计算 2 3 1 雷绕击时导线上的电压 行标认为,雷绕击时导线上的电压u = i o o i o 五为导线波阻抗,约为 3 0 0 f l 。 前苏联科学家通过观测和计算得出,= 5 , - - 一3 0 e a ,雷电通道波阻抗z o 为 9 0 0 - 6 0 0 f l 4 1 。从严考虑, z o = 9 0 0 f l ,由彼德逊法则,得 u = i 最( 2 - 8 )2 2 0 + 五 即u = z o 2 3 3 a e r w 挝t e h e m 认为u = 玩2 2 ,本文计算中取 u = 忍2 3 3 。 第2 章输电线路绕击跳闸率研究 曼曼量量曼詈鼍量量量曼曼i i i i i _ _ 一 _i i i i 曼曼量量量皇曼罾量 2 3 2 击距公式 根据经典e g m ,击距的大小与先导头部的电位有关,因而与先导通道 的电荷密度有关。后者又决定了随后出现的雷电流幅值,所以认为击距是雷 电流幅值的函数。令,表示击距( m ) ,i 表示雷电流幅值( k a ) ,则击距与雷 电流幅值的关系可表示为,= a 1 6 。不同的学者,给出了不同的a 、6 值。常 见的有: g o l d e 击距公式: ,= 3 3 j 们。 w h i t e h e a d 击距公式:r = 6 7 2 i o 8 i e e e 雷电工作组击距公式:,= 6 8 8 1 0 舯 朱氏模型击距公式: r = 8 1 n 晒 2 3 3 击距系数 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 在电气几何模型中,击距决定了导体、避雷线和大地三者之间的受雷范围, 也决定了这三者的相对引雷能力。随着击距的增加,三者之间的引雷能力发生 变化,导线的受雷范围越来越小,直至导线被完全屏蔽。经典的电气几何模型 中,w h i t e h e a d 认为雷电先导对导线、避雷线、地面三者的击距相等。随着线路 高度的增加,这种假设显然不合理。很多学者提出了质疑,提出用击距系数口 ( 雷电先导对地击距与对导线击距的比值) 来描述雷电先导对地面和导体击穿 强度的差别。 朱氏模型认为对导线的击距应该为对地击距的1 1 倍,击距系数口为0 9 。 m o u s a 认为线形物的击距与地面击距相等,但是输电线路杆塔的击距为地面击 距的1 o 1 1 倍,而对孤立的塔形物,其击距约为地面击距的1 2 倍。i e e e 的 导则中指出:低于2 2 0 k v 的线路,击距系数为1 ,即地面击距等于导线击距; 在超高压线路中,地面击距为导线击距的0 6 3 7 5 倍。i e e es t d1 2 4 3 1 9 9 7 中给 东北电力大学硕士学位论文 出的击距系数表达式为: 夕= o 3 6 + 0 1 71 n ( 4 3 一功h 4 0 m ( 2 1 3 ) = 0 5 5 h ) 4 0 m ( 2 1 4 ) 式中h 为导线对地平均高度( m ) 。目前多种绕击率的计算模型也给出了与导 线高度h 之间的关系,主要有瞄】: 刀i - 2 2 肠( 2 15 ) 户1 9 4 一h 2 6( 2 1 6 ) , 8 - - 1 0 8 一h 5 9 ( 2 17 ) 伊1 0 5 一h 8 7 ( 2 1 8 ) 伊1 1 8 一h 1 0 8 6 9( 2 1 9 ) 本文计算中取式( 2 1 9 ) 。 2 3 4 雷电流幅值概率函数 超过的雷电流幅值概率,用下式计算 2 2 1 : 纠一惫导啭主譬脚 协2 。, 式中,7 ( 1 溶) 和q 。,分别为描述雷电放电参数对数正态分布特征的数学期望和 变异系数,其二者与杆塔高度h 的关系如下: ;当办! ;2 。时 i 。_ = 。2 :0 1 = 0 一3 9 一 ( 2 2 1 ) 【q g 2 当办2。时=。,2=0。+一0一32(一h一-一20一)oi 3 900 0 2 8 ( h 2 0 ) ( 2 2 2 ) 【 g ,2 u 一一 第2 章输电线路绕击跳刚率研究 2 3 5 绕击跳闸率的计算 如图2 - 2 所示,以铁塔上入地点为原点,地面水平方向为x 轴,塔高方向 为j ,轴,建立直角坐标系,避雷线的悬挂点一、上导线的悬挂点b 、中导线的悬 挂点c 和下导线的悬挂点d 的坐标分别为爿( 正,r 1 ) 、b ( 恐,托) 、c ( 凰, b ) 和d ( 五,翰) ,4 点的坐标为( o ,2 一五2 + 五2 ) 。则弧4 最和弧皿c 分 别满足下列方程: ( 算一j 1 ) 2 + ( j ,一五) 2 = ,2 ( 2 2 3 ) ( x 一置) 2 + ( y 一五) 2 = ,2 ( 2 2 4 ) 联立求解方程式( 2 | 1 2 3 ) 和式( 2 2 4 ) ,取x 较大的一组解,即得避雷线击距弧与上 图2 - 2 双回线路e g m 模型 导线的击距弧的交点反( 五,) 。同理可得点q 坐标( 疋,i ) 与点4 坐标 ( 局,艺) 。而巨的坐标,可通过下述方法求得。设点d 到倾斜面的距离为d 。, 则d :x 4 f t a n0 鼍+ 一y 4 ,那么联立求解下面两个方程: 、,l - t - t a n 20 东北电力大学硕士学位论文 曼量基曼鼍量詈! ii i i _ ii,11 i e 曼昌置曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼量冀皇 ( t a n o ) x 4 - y - b = 0 ( x - 置) 2 + ( y 一墨) 2 = ,_ ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 如果d ( 1 + f 1 ) r ,b 的值可由d 到式( 2 - 2 5 ) 表示的直线距离等于,的方程 求出;如果d ( ( 1 + 卢) ,b 的值可由原点到式( 2 - 2 5 ) 表示的直线距离等于卢,的 方程求出,并且6 取较大者。由式( 2 2 5 ) 、( 2 - 2 6 ) 两式解出y 较小的一组解即为 最点的坐标。 对暴露弧法,需先求出屏蔽弧和所有暴露弧的长度,然后方能计算绕击导 线的概率。例如对于上导线,知道曰、玩、g 三点的坐标及,就可以算出虿瓦 的长度,同样可算出石e 、c k d k 、瓦瓦的长度。那么对应击距为,的雷电 流绕击上导线的概率为: a p :p ( d ;- 了璺曼r _ = x a ( 2 2 7 ) a k b k 七8 k 七c t d t 七d k e o 对暴露投影法,则只需求出各个弧的交点即可。同样对于上导线,利用上 面求出的盈点坐标,) 和g 点坐标( 墨,t ) ,便可求得对应击距,的雷电流 绕击上导线的概率: 凹硎) 等 ( 2 2 8 ) 在计算的过程中,若出现皿点的纵坐标小于q 点的纵坐标,则说明导线b 被c 完全屏蔽,此时的雷电流已不可能绕击导线b ,若q 点的纵坐标小于互点 的纵坐标,则说明导线d 被大地完全屏蔽,此时的雷电流不可能绕击导线d 。 根据( 2 - 8 ) 式和绝缘子串的u 5 渤放电电压可以求出发生绕击的最小雷电流l 。 第2 章输电线路绕击跳闸率研究 对每一根导线而言,雷电流较小时,可能不会被屏蔽,但是随着雷电流的增大, 总会被处在其下方的导线或大地屏蔽,对应于此时的雷电流为k ,由此可计算 出单根导线的概率,例如绕击导线b 的概率为: 忍=lpd(2-29) 同理可求出导线c 、d 的绕击率、b ,总的绕击率为: p = 最+ 只+ 只 ( 2 - 3 0 ) 根据上述算法,编写了计算5 0 0 k v 同杆双回输电线路绕击跳闸率的程序, 流程图如图2 3 所示。 图2 - 3 计算同杆双回线路绕击跳闸率流程图 东北电力大学硕士学位论文 2 45 0 0 k v 同杆双回输电线路绕击跳闸率计算结果 2 4 1 程序的校核 以三峡出线为例1 2 4 1 ,导线为l g j 6 3 0 5 5 ,分裂间距4 5 0 r a m ;绝缘子串 x w p 1 6 ,2 6 片,雷电冲击下正极性u 5 0 * , o 为2 6 9 0 k v ;避雷线l h a g j 1 5 0 2 5 : 年雷暴日取4 0 , s l 型杆塔,如图2 4 所示。本文用所编程序进行计算,并将 计算结果与文【1 5 】进行比较,如表2 1 所示。 + 一一上塑里旦- 1 图2 _ 4 算例s 1 型杆塔尺寸 表2 - 1 计算结果比较; r 0 0 0 k m - 年) 地面倾角“o ) 1 01 52 02 5 塔高( m ) 文【1 s 】 0 o o o o o o 0 1 9 0o 1 8 60 6 7 7 5 0 本文0 0 0 0 0 0o 0 0 2 8o 1 6 80 6 3 2 文 1 5 】 0 0 0 6 2 80 1 1 8 60 5 1 l1 3 7 4 5 5 本文 0 0 0 4 6 40 1 4 6 90 6 4 31 1 4 4 l 由表2 1 可见,本文计算结果与文 15 1 计算结果随地面倾斜角的变化规律一 致,计算结果也较为接近,从而验证了本文计算方法的正确性。在杆塔较低地 面倾角较小时,两种方法的计算结果相差相对较大,这是由于文【1 5 】采用了投影 酉。11。口罟一。口口一uu口昌 一 第2 章输电线路绕击跳闸率研究 法,本文则采用暴露弧法;另外计算中所用击距系数公式、雷电流概率密度函 数、绝缘子串u 5 0 放电电压以及雷击时导线上过电压的选取差异也是造成二者 不等的原因。 2 4 2 击距系数对绕击跳闸率的影响 击距系数卢的变化使导线与地面在e g m 中的关系发生变化,从而绕击跳闸 率也随之发生变化。表2 。2 为地面倾角1 5 。时( 倾角太小,绕击跳闸率小,不易 分析) ,绕击跳闸率与击距系数的关系。 击距系数口 0 4o 5 0 6o 7o 8o 9 跳闸率4 9 5 0 1 43 5 1 8 9 11 8 8 8 7 90 5 6 9 0 80 + 0 3 0 9 20 0 0 0 0 0 由表2 - 2 可见,绕击跳闸率随声增大而减小,声的取值对绕击跳闸率有很大 影响。本文除表2 2 外其余表中的数据,计算时口均按式( 2 1 9 ) 取值。 2 4 3 地面倾角对绕击跳闸率的影响 图2 - 5 地面倾角与绕击跳闸率的关系 东北电力大学硕士学位论文 地面倾角和绕击跳闸率的关系见图2 5 。由图可以看出,对s l 塔型而言, 随地面倾角的增大,绕击跳闸率先增大而后减小,在地面倾角为3 5 。时达到最大 值。这是因为随着地面倾角的增大,导线暴露弧和击距系数卢都在增大。暴露 弧增大导致绕击跳闸率增大:而口增大绕击跳闸率却减小。绕击跳闸率对暴露 弧的变化率和对口的变化率,在地面倾角小于3 5 0 时,前者大于后者;地面倾角 大于3 5 0 时,后者大于前者。也可以解释为地面倾角大于3 5 。时,地面的屏蔽作 用得到加强。 2 4 4 风偏角对绕击跳闸率的影响 表2 _ 3不同风偏角下的绕击跳闸率次i ( 1 0 0 k i n - 年) 风偏角“o ) 051 01 52 02 5 跳闸率0 0 3 8 7 l0 0 7 0 8 9 o 1 2 4 2 3 0 2 0 5 9 00 3 2 7 0 50 4 9 9 8 2 当风速足够大时,导线和避雷线的风偏角妒和善将不再等于零,从而会引 起线路结构发生变化。绕击跳闸率随风偏角的变化规律见表2 - 3 ( 计算中假定 y 彳,地面倾角为1 0 0 ) 。由表2 - 3 可以看出,当风偏角在0 0 , - 0 1 5 。范围内,每增 加5 0 ,绕击跳闸率约增大一倍;大于1 5 。时绕击跳闸率随风偏角增大的速度减 慢,每增加5 0 ,绕击跳闸率增大约0 5 倍,但也不容忽视。 2 4 5 杆塔结构对绕击跳闸率的影响 不同的杆塔结构,其绕击率不同。这是因为e g m 模型是以避雷线、导线和 地面的相对位置进行几何作图来计算的。对同杆双回线路,上中下三导线的绕 击跳闸率也不同,文 1 5 】对此不加考虑。表2 1 中文【1 5 】的计算值为整个线路的 值,而本文的则是绕击中导线的值( 上、下导线的值均为0 ,对s l 型杆塔,雷 电更易绕击中导线) 。 第2 章输电线路绕击跳闸率研究 表2 4 不同避雷线横担一卜各导线的绕击跳闸率次( 10 0 k m 年) l t c ( m ) 891 01 l1 21 3 1 4 导线 上导线 6 5 4 6 4 14 5 4 2 4 l2 5 8 3 1 9 1 0 6 5 9 20 2 4 6 0 70 0 0 0 9 90 0 0 0 0 0 中导线 0 0 0 4 4 00 0 0 4 3 50 0 0 4 3 70 0 0 4 3 80 0 0 4 3 8 0 0 0 4 3 90 0 0 0 0 0 下导线0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 总和6 5 5 0 8 1 4 5 4 6 7 62 5 8 7 5 61 0 7 0 3 00 2 5 0 4 50 0 0 5 3 80 0 0 0 0 0 表2 4 给出了各导线绕击跳
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