（高电压与绝缘技术专业论文）500220kv同塔混压四回线路防雷研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着我国电力需求不断增加，同塔多回线路应用日益广泛。同塔多回线路承 担比单回线路更大的电能传输量，因而其在电力系统中地位更加重要。同塔多回 线路的杆塔远较单回线路杆塔要高，易遭受雷击，因此，其防雷问题要比同电压 等级下的单回线路更为突出，同塔多回线路的防雷研究也就更为重要。当前国内 对同塔四回线路的防雷设计、绝缘配合以及影响因素等问题尚未有详细计算分 析，因此，对该领域展开研究是十分必要的。 绕击与反击是造成高压、超高压线路雷击跳闸的主要原因。规程中对于这两 种雷击的计算只适合于传统单回低塔线路，对于同塔多回线路，规程计算方法并 不适用，无法计算线路真实耐雷水平。同塔多回线路耐雷性能须采取新的模型方 法进行计算。 本文以实际线路中的两种5 0 0 2 2 0 k v 同塔四回混压线路塔型为例，使用e g m 法计算该四回线路的绕击情况，在计算中除考虑避雷线对相导线的屏蔽作用外， 还考虑大地以及相导线相互之间的综合屏蔽作用，使线路模型更接近实际。线路 的反击耐雷参数计算，本文采用多波阻抗模型模拟线路杆塔，详细计算该线路在 不同杆塔接地电阻以导级排列方式情况下反击耐雷水平。由计算结果得出，在该 同塔四回混压线路中，杆塔接地电阻对5 0 0 k v 线路防雷影响不大，各种情况下 其反击耐雷水平都较高；对2 2 0 k v 线路防雷影响较大，其反击耐雷水平随电阻 值增大而迅速下降。在该线路反击分析的基础上，又对其在不同杆塔接地电阻条 件下，分别采用多种绝缘配置方案，计算得到不同情况下，5 0 0 k v 与2 2 0 k v 线 路的反击耐雷水平。根据该计算结果，并将杆塔接地电阻分为低阻、中阻与高阻 三组，每组提出一种最适合的绝缘配置方案。推荐绝缘配置充分利用先发生反击 击穿的2 2 0 k v 线路对5 0 0 k v 线路的保护作用，尽可能降低5 0 0 k v 线路反击跳闸 率。最后，本文讨论了对线路反击的改进方案，通过计算得到，在杆塔接地电阻 为高阻时，增加避雷线的方案对2 2 0 k v 线路反击耐雷水平提高很少，增加耦合 地线对提高2 2 0 k v 线路反击耐雷性能效果较好。综合上述结论本文提出最终线 路防雷与绝缘配置方案。 关键词：同塔四回，反击，绕击，绝缘配合，e m t f 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b yt h ec o n t i n u o u si n c r e a s i n gd e m a n do fe l e c t r i cp o w e ri no u rc o u n t r y , t h ed e s i g n o fm u l t i c i r c u i tl i n e si nt h es a m et o w e ri su s e dm o r ea n dm o r ep o p u l a r l yi nt h ep o w e r s y s t e mn e t w o r kc o n s t r u c t i o n t h em u l t i l i n e st r a n s m i t sm o r ep o w e rt h a nt h es i n g l e c i r c u i tl i n e s ，s ot h a ti tt a k e su pa l lm o r ei m p o r t a n tp l a c ei np o w e r s y s t e m b e c a u s et h e t o w e r so ft h em u l t i - c i r c u i tl i n e sa r em u c hh i g h e rt h a nn o r m a lt o w e r s ，t h e ya r es t r u c k b yl i g h t n i n ge a s i l y , s ot h el i g h t n i n gp r o t e c t i o np r o b l e mi sm o r es e r i o u st h a nt r a d i t i o n a l t o w e r so ft h es a m ev o l t a g er a n k t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so nt h el i 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 e ，i n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o na n do t h e ri n f l u e n c ef a c t sf o rf o u r - c i r c u i tl i n e sw i t l lm i x e dv o l t a g er a n k si sn o te n o u g ht i l lp r e s e n t i ti sq u i t en e c e s s a r i l y t os t a r tr e s e a r c h i n go nt h i sd o m a i n l i g h t n i n gs h i e l d i n gf a i l u r ea n db a c kf l a s h o v e ra r et h em a i nr e a s o n sf o rl i g h t n i n g f l a s h o v e ro i lh va n de h vl i n e s t h ec a l c u l a t i n gm e t h o d si nt h eo v e r v o l t a g e p r o t e c t i o ns t a n d a r da r ew r o t ef o rn o r m a ls i n g l e c i r c u i tl i n e s ，b u tn o tf o rt h e m u l t i c i r c u i tl i n e s t h ee x a c t n e s sl 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 ep a r a m e t e r s0 1 1 m u l t i c k c u i tl i n e sc o u l d n tb eg o tb ys u c hm e a n s s ot h a tn e wm o d e l sa n dm e t h o d sf o r s u c hc a l c u l a t i o ns h o u l db ea d o p t e d e x a m p l e so ft w ot y p e so ft o w e ru s e di np r a c t i c e df o u r - c i r c u i tl i n e sw i t hm i x e d v o l t a g er a n k so f5 0 0 k va n d2 2 0 k va r et o o ko u ti nt h i st h e s i s e l e c t r i cg e o m e t r y m e t h o di su s e di nt h ec a l c u l a t i o no ns h i e l d i n gf a i l u r ef l a s h o v e rp e r f o r m a n c eo fs u c h f o u r - c i r c u i tl i n e s n o to n l yt h es h i e l d i n gc o n t r i b u t i o no fs h i e l d i n gl i n e st op h a s e c o n d u c t o ri sc o n s i d e r e d ，b u ta l s ot h ec o n t r i b u t i o nb e t w e e ne a c hl i n ea n dt h eg r o u n dt o p h a s ec o n d u c t o ri sd o n e s ot h er e s u l tc a l c u l a t e di sc l o s et ot h ef a c t i nt h ec a l c u l a t i o n o fb a k es t r i k i n gp e r f o r m a n c e ，m u l t i s u r g ei m p e d a n c em o d e li su s e dt od e s c r i b et h e m u l t i - c i r c u i tl i n e st o w e r i ti sc a l c u l a t e dp a r t i c u l a r l yt h a tt h ec r i t i c a lc u r r e n tr e q u i r e d f o rb a c kf l a s h o v e ro ft h i sn u l t i c i r c u i t1 i n e su n d e rd i f f e r e n tr e s i s t a n c ev a l u e sa n dp h a s e c o n d u c t o r ss e q u e n c e ac o n c l u s i o ni sc o n c l u d e df r o mt h er e s u l to ft h i sc a l c u l a t i o na s f o l l o w i n g t h el i g h t n i n gp r o t e c t i o no f5 0 0 k vl i n e si se f l e e t e dl i t t l eb yt h er e s i s t a n c e v a l u e ，a n dt h ec u r r e n tf o rb a c kf l a s h o v e ri sl a r g eu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n b u tt h e r e s i s t a n c eh a sag r e a ti m p a c to nl i n g h t n i n gp r o t e c t i o no f2 2 0 k vl i n e s ，w h o s ec u r r e n t f o rb a c kf l a s h o v e rd e c l i n e sf a s tw i t h 也ei n c r e a s i n go ft h er e s i s t a n c e b a s e do nt h e 浙江大学硕士学位论文 b a c kf l a s h o v e ra n a l y s i so ft h i sm u l t i c i r c u i tl i n e s ，u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f v a r i o u sr e s i s t a n c ev a l u ea n dv a r i o u si n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n t r e s i s t a n c ev a l u e ，t h ec r i t i c a lc u r r e n tf o rb a c kf l a s h o v e ro f5 0 0 k va n d2 2 0 k v1 i n e si s c a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l tc a l c u l a t e d ，t h ev a l u eo fr e s i s t a n c ei sd i v i d e di n t o s e v e r a lg r o u p s ：l o w e rr e s i s t a n c e ，m e d i u mr e s i s t a n c ea n dh i g hr e s i s t a n c e t h em o s t s u i t a b l ei n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o ns o l u t i o nf o r e v e r yg r o u p i s p r e s e n t e d t h e r e c o m m e n d a t o r yi n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o nt a k e sf u l la d v a n t a g eo fp r o t e c t i o ng i v e nb y 2 2 0 k vl i n ew h e r ef i r s tf l a s h o v e ro c c u r st o5 0 0 k vl i n e s ，a n dt h el i g h t n i n gf l a s h o v e r r a t eo f5 0 0 k vl i n e si sr e d u c e da sm u c ha sp o s s i b l e f i n a l l y ，s e v e r a l i m p r o v e ds o l u t i o n f o rl i g h t i l i n gp r o t e c t i o no ft h i sl i n e si sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h r o u g hc a l c u l a t i o n , w h e nt h ev a l u eo ft o w e rr e s i s t a n c et ot h eg r o u n di sl a r g e ，t h ec u r r e n tf o rf l a s h o v e ro f 2 2 0 k vl i n e sc o u l d n tb ei n c r e a s e db ya d d i n gas h i e l d i n gl i n e ，b u ti tc a nb ed o n ew e l l b ya d d i n gac o u p l i n gg r o u n dl i n e f r o mt h ec o n c l u s i o n sa b o v e ，t h ef i n a lp r o j e c to f l i g h t n i n gp r o t e c t i o na n di n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o ni sg i v e no u ti nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：f o u r - c i r c u i tl i n e so nt h es a m et o w e r , b a k ef l a s h o v e r , l i g h t n i n g s h i e l d i n gf a i l u r e ，i n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a m 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国发展同塔多回线路的意义与现状。 随着国民经济的快速发展，人民生活、工业生产的电力需求也大幅增加。我 国电网建设的步伐也随之加快，规模也不断扩大。当前在人口特别稠密、经济发 达地区，输电线路走廊资源曰趋紧张，征地费用在线路建设投资中的比例越来越 大。面对线路走廊与地方土地利用之间日益加剧的矛盾，节约走廊用地，集约化 利用土地资源势在必行，必须提高线路走廊单位面积的传输容量。 要提高走廊单位面积的传输容量，一种办法是提高输送电压等级，但当前特 高压输电尚处于试验探索阶段，无法在短时间内满足电力需求；另一种办法是采 用多回线路同杆并架技术( 同塔多回线路) ，该技术是增加单位走廊面积输电容 量，从而节省线路走廊的有效措施【l 】。同塔多回线路在国外的应用比较普遍，尤 其在线路走廊紧张的日本和德国等欧洲部分国家。如在日本一些线路走廊十分紧 张的地区，经常会采用同塔四回5 0 0 k v 线路或上层为5 0 0 k v ，下层为较低电压 等级( 如1 5 4 k v 、2 7 5 k v ) 的同塔四回甚至六回线路【2 】。 我国东部地区传统同塔双回线路的应用已较为普遍【3 ，4 】，在大连、广东、江 苏、上海和浙江等地区已陆续建成数条同塔四回线路。其中，辽宁大连地区和广 东东莞至增城已建设了上层为5 0 0 k v ，下层为2 2 0 k v 的同塔四回线段，其长度 分别约为3 。5 k m 和4 0 k r n ；江苏已有多条同塔混压四回线路建成投运；浙江金华 地区也已建成2 2 0 k v 四回并架钢管杆输电线路，其长度约为3 5 k m 。 同塔并架线路铁塔高度以及横担长度较常规单回线路有明显增加，这使得同 塔多回线路的避雷线屏蔽性能变差，耐雷水平降低，还存在着两回及以上线路同 时闪络跳闸的问题，给系统的安全性与稳定性带来很大的威胁i 1 ，5 1 。因此，在多 雷地区，同塔多回线路的耐雷性能及其改善措施是电力部门极为关注的课题。 当前国内针对同塔多回线路的雷击过电压与绝缘配合尚未开展全面研究，本 文将以两种不同塔型的5 0 0 2 2 0 k v 同塔四回线路为具体研究对象，分析其耐雷性 能及影响因素，并比较提出了改善雷电性能、降低雷击跳闸率的措施，其计算结 果与方法可供我国同塔四回线路设计应用参考。 浙江大学硕士学位论文 1 2 同塔多回线路防雷特点 与常规单回线路及同塔双回线路相比，5 0 0 2 2 0 k v 同塔四回线路在雷电性能 方面有其特殊性： 1 雷击杆塔时，由于杆塔高度较高，铁塔的等效电感随之增大，雷电流从 塔顶至入地所经过的路径长度增加，使得雷电冲击波到达接地点后产生的负反射 波到达塔顶时相对滞后，塔顶及横担电位上升较高，易引起线路反击跳闸； 2 随杆塔高度的增加，避雷线的屏蔽性能变差，导线被绕击的几率增大； 因此，同塔多回线路常使用较小的地线保护角，甚至负保护角，以降低线路的绕 击几率； 3 随杆塔高度增加及地线间距的增大，线路总的引雷面积较传统线路增加 较多，使得线路遭受雷击的次数增加【6 】； 4 多回线路的雷击跳闸，大多数情况只发生在一回线路上，其它几回线路 可正常供电，总体来说供电可靠性较单回线路高。 5 同塔多回线路存在着两回及以上线路同时闪络跳闸的问题【7 】，由于 5 0 0 2 2 0 k v 线路为电网主干线路，双回同时跳闸会严重影响系统的安全性与稳定 性。 2 浙江大学硕士学位论文 第2 章防雷计算方法与条件 2 1 计算方法 2 1 1 绕击计算 目前，用于计算输电线路绕击跳闸率的方法有规程法、电气几何模型 ( e g m ) 、先导发展模型、输电线路绕击概率模型、二维数值分析模型【8 】等。国 内计算线路绕击使用的方法主要为规程法和电气几何模型( e g m ) 法。 2 111 规程法计算 规程法是我国电力行业标准交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 ( d l 厂r 6 2 卜1 9 9 7 ) 推荐的计算方法【9 】。规程法为确定法演变来的统计法，而过 去用于制定规程的样本多为单回线路和杆塔较低的线路雷电事故的统计结果。因 此，规程法在同塔多回线路的耐雷性能特别是绕击跳闸的耐雷特性上缺少计算规 定，不适用于同塔四回线路的防雷计算。 规程法法认为：雷电绕过避雷线击中导线的概率与避雷线对边相导线的保护 角、杆塔高度以及线路经过的地形、地貌、地质条件有关。平原和山区的绕击率 公式表示如式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 所示。 平原线路 山区线路 蛾：警以9 城：警以3 5 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，口谴雷线对边导线的保护角，。； 且杆塔高度，m ； p d 线路绕击率。 雷电绕击导线时，并非所有的绕击电流j 都会引起绝缘子闪络，只有当，大 于线路绕击耐雷水平厶时，闪络才会发生。耐雷水平i o 由如下方法确定： 在现行规程中，雷电绕击导线时导线上的电压，由近似计算公式( 2 3 ) 计算， 该式的计算原理如图2 1 所示。 、 ，7 瓯= 去鲁 ( 2 3 ) 3 浙江大学硕士学位论文 2 图2 1 耐雷水平计算图不 图3 2 中，z o 为雷道波阻抗，q ：z b 为考虑电晕影响后的线路波阻抗，q 。 规程中雷道波阻抗为2 0 0 1 2 ，故厶为u s o 1 0 0 ，雷电流超过厶的概率计算公 式如式( 2 4 ) 所示。 ，logpt=一zo88 ( 2 4 ) 线路发生绕击跳闸的条件为雷击于导线引发绝缘子串闪络并建立电弧。绝缘 子串和空气间隙受冲击发生闪络之后，闪络转变为稳定工频电弧的概率与沿绝缘 子串和空气间隙的平均运行电压梯度有关，其关系如式( 2 5 ) 所示。 一 r = ( 4 5 e 仉7 5 1 4 ) x1 0 五( 2 5 ) 式中，叩建弧率； e 绝缘子串的平均运行电压( 有效值) 梯度，k v m 。 对于有效接地系统，平均运行电压梯度e 是线路额定电压碥与绝缘子串放 电距离厶的函数，如式( 2 6 ) 所示。 肚盏 亿6 ， 若线路经过地区的年雷暴日为4 0 ：则该线路每百公里年绕击跳闸次数如式 ( 2 7 ) 所示。 n = 0 2 8 ( b + 4 h ) p o p i r = n l p o e 7 7 ( 2 7 ) 式中，线路每百公里年绕击跳闸次数，次0 0 0 k m a ) ； 6 避雷线间距，m ； h 避雷线平均高度，m ； 珂为建弧率； 局绕击的雷电流超过耐雷水平厶的概率。 4 浙江大学硕士学位论文 ，2 1 1 2 电气几何模型( e g m ) 法计算 上世纪6 0 年代出现的电气几何模型( e l e c t r i cg e o m e t r ym e t h o d ，e g m ) 法 是当今世界上最为通用的分析绕击方法。目前，美国、西欧及日本等许多国家均 采用电气几何模型( e g m ) 理论来分析计算线路绕击，i e e e 及国际大电网会议 ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nl a r g eh i g hv o l t a g ee l e c t r i cs y s t e m ，c o n f e r e n c e i n t e r n a t i o n a ld e sg r a n d sr e s e a u xe l e c t r i q u e s ，c i e g r ) 也推荐使用该方法进行绕 击分析。故本文使用e g m 法对同塔四回线路的绕击进行计算分析。 美国e rw h i t e h e a d ，h r a r m s t r o n g ，g r b r o w n 等人相继进行了绕击过程 的理论研究，并取得了重要成果【1 0 1 1 】。他们根据计算分析和现场实验结果，完 善和发展了分析输电线路绕击性能的电气几何模型( e g m ) ，这些结论被称为 w h i t e h e a d 理论( 简称为w se g m ) 。 电气几何模型( e g m ) 是将雷电的放电特性与线路的结构尺寸联系起来进 行分析，从而建立的一种几何分析与计算模型，其基本原理建立在下列概念与假 设基础之上： ( 1 ) 由雷云向地面发展的雷电先导通道头部，在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，雷电先导先到达哪个物体的击距内，即 向该物体放电【1 2 】。 ( 2 ) 击距( 单位：m ) 为雷电流幅值i ( 单位：k a ) 的函数。本文采用i e e e 标准推荐的e g m 模型计算参数，其击距计算公式如式( 2 8 ) 所示。 气= 1 0 i o 石5 ( 2 8 ) 图2 1 为雷击线路的电气几何模型。其中，s 为避雷线，w 为导线，侠为保 护角，l | f ，为雷电下行先导入射角。对于不同幅值的雷电流，由击距公式可算出相 应的击距。当先导进入屏蔽弧面o b 范围时，雷电将击向避雷线；当先导进入暴 露弧面o a 范围时，雷电将绕击导线i 而离线路稍远处的雷电先导，因为离地面 最近，所以雷直击于地面物体【1 3 1 4 】。 浙江大学硕士学位论文 图2 。2 电气几何模型不惹图 对于经典电气几何模型，考虑雷电先导入射的随机性与地面倾角的影响，绕 击跳闸率( 对应图2 2 中右侧导线) 的计算公式可表示为： z = 产譬篇雩等鸡c 妒圳洲， = 上0 7 7 x ( 2 1 0 ) 1 0 。 式中，x 为暴露弧在地面上的等效受雷宽度( m ) ；g 为地闪密度( 次( k i n 2 a ) ) ， 玎为建弧率，厶为耐雷水平，默为最大绕击电流，为地面倾角，颤为雷电先 导入射角的分布密度函数，e ( o 为雷电流，的分布密度函数。队移具有方向性， 具体范围可由图2 2 几何关系确定。 对于耐雷水平厶的计算，根据图2 1 ，考虑z o 通常较z b 大褥多，本文使用 电气几何模型计算绕击跳闸率时，采用i e e e 推荐标准计算公式【1 5 1 ： 、， 址= 睾 ( 2 。1 1 ) 雷道波阻抗与雷电流的幅值紧密相关，约在3 0 0 - - 3 0 0 0 q 之间。其中，小幅 值的雷电流对应的波阻抗较大。实际可以绕击导线的雷电流幅值约在2 0 k a 左右 及以下，其对应的雷道波阻抗约为6 0 0 - 9 0 0 f 2 。而规程中雷道波阻抗为2 0 0 q ， 所取的雷道波阻抗值明显偏小。因此，我国现行规程与i e e e 计算线路绕击耐雷 水平公式差别较大，这主要由雷电通道波阻抗的取值不同所导致。考虑到z o 通 常较z b 大得多，故在此推荐使用i e e e 的计算公式。 若进一步考虑雷击时导线上瞬时工频电压的影响，则绕击耐雷水平计算 式可修正为： 6 浙江大学硕士学位论文 = 孚+ 。u p h ( 2 1 2 ) 将使皓u 5 0 ，代入上式，即可求得线路绕击耐雷水平厶的值。 本文采用电气几何模型法对此线路绕击跳闸率进行计算。 2 1 2 反击计算 目前用于分析输电线路反击耐雷性能的方法主要有规程法、行波法、蒙特卡 洛法、故障树法、e m t p 法【8 】等。 我国一般使用规程法计算线路的反击耐雷水平及反击跳闸率，但对于同塔四 回线路中高杆塔( 一般5 0 m 以上) ，规程法不能正确反映杆塔雷击时暂态特性， 故不适用于本文中杆塔。 本文中采用改进多波阻抗模型，使用e m t p 软件仿真计算高杆塔反击耐雷 水平，并计算其相应的反击跳闸率。 2 1 2 1 规程法计算 雷击杆塔时，雷电流流过杆塔从而在塔顶产生电位d ，并有部分雷电流经 由避雷线流向两边相临杆塔，由于磁链耦合作用，避雷线上流过的雷电流会使导 线上产生耦合电压兢么，( 七为考虑电晕效应后避雷线对导线的耦合系数) 1 6 1 ，同 时，空中迅速变化的电磁场还会在导线上感应出相反极性的感应过电压u 。对 于带避雷线的线路，感应过电压的最大值按式( 2 1 3 ) 计算： h = a h o ( t 一k o ) ( 2 1 3 ) 式中，u 。，雷击杆塔时感应过电压最大值，k v ； r 感应过电压系数，其值等于以k a i _ t s 计的雷电流陡度值； | 2 c _ 导线对地平均高度，m ； 磊r 避雷线对地平均高度，m ； 蔚一避雷线对导线的耦合系数。 线路绝缘承受的过电压瞬时值计算式如式( 2 1 4 ) 所示。 h u i i = ( q u 0 七) + u m = ( q u o p k ) + a h o ( 1 一k o ) ( 2 1 4 ) 倪 式中，以为横担高度处杆塔电位，k v 。 考虑杆塔分流系数夕后，得到杆塔上绝缘承受的过电压最大值为： 7 浙江大学硕士学位论文 u i m ：( 1 - 后) 足+ ( 争一k ) p a l , + ( 1 一争) 口红 ( 2 1 5 ) 儡代 式中，厨一杆塔冲击接地电阻，q ； k 一杆塔高度，m ： 办。_ 一导线所在的横担对地高度，m 。 分流系数可由图2 3 的电路算出。丘为杆塔两侧相邻档避雷线的电感并联 值，州。对单避雷线如约等于0 6 7 l ，对双避雷线，约等于o 4 2 z 。z 为档距长度， m 。厶为杆塔电感，心。r i 为杆塔冲击接地电阻，q 。 如取雷电流波头为斜角波，则杆塔中的雷电流波头也可近似取为斜角波，杆 塔分流系数为： 肛l 蠡t r i xz t q - 6 三gl g 2 式中：r 雷电流波头长度，取2 6 1 t s 。 “i m 如大于绝缘子串的5 0 冲击放电电压地0 ，则认为发生闪络。取u t m , = u 5 l y , ，即可求出雷击杆塔项部时的耐雷水平厶。 如取固定波头长度为2 6 1 x s ，则，此时耐雷水平厶为： 2 而礤磊u 5 0 再 亿1 7 ) 规程中给出的线路反击跳闸率计算公式如式( 2 1 8 ) 所示。 n a = m 鹳7 7 ( 2 1 8 ) 式中，z i 为反击跳闸率，次0 0 0 k i n a ) ；n l 为线路每年每l o o k m 长度上雷击 次数；叩为建弧率；g 为击杆率：p i 为超过雷击杆塔顶部时反击耐雷水平的雷电 8 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 2e m t p 仿真计算 1 ) e m t p 程序介绍 本文使用e m t p 软件对线路及杆塔建立模型，仿真杆塔受到雷击后线路及 杆塔上的暂态波过程，从而判断线路是否发生绝缘闪络，确定线路的反击耐雷水 平。再根据线路反击耐雷水平，计算出线路的反击跳闸率。 电磁暂态过程计算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 ) 是当前世界 上广泛使用的电力系统暂态分析软件之一。e m t p 自二十世纪六十年代产生以 来，经过几十年的补充完善，已发展成为涵盖电力系统发电，输电与配电全系统 暂态与稳态计算的综合大型软件。其丰富的自带元件库包括线性集中参数器件、 非线性集中参数器件、分布参数器件、各类常见开关、断路器、晶闸管、发电机、 电动机、变压器、各类理想电源以及控制器件( t r a n s i e n ta n a l y s i so fc o n t r o l s y s t e m s ，t a c s ) 、逻辑与数据运算模块等。这些元件库几乎可以组合出现有电 力系统中所有研究对象。除此之外，e m t p 还可以根据实际需要，由使用者自行 编写一些特殊元件，或者使用方便灵活m o d e l s 语言开发出所需的功能模块， 方便在建立模型时调用【1 7 】。 ， 早期e m t p 需要使用专用的数据卡片格式作为输入进行运算，现在针对其 有专门的a t p d r a w 图形界面外壳程序，在a t p d r a w 中可以建立直观系统模型， 再由该图形外壳程序生成卡片数据文件，调用e m t p 核心运算文件进行运算。 运算结果输出到结果文件中，由相应数据提取程序提取并显示出来。 线路雷击过电压仿真是e m t p 的主要应用领域之一，本文使用e m t p 提供 的分布参数元件对线路、杆塔建立模型，并使用t a c s 元件建立线路绝缘子模型， 详细计算各种情况下杆塔的雷击暂态特性，寻找合适的防雷方案。 2 ) 杆塔波阻抗模型 在线路防反击仿真计算研究中，因为注入塔顶的的雷电流除一小部分经由避 雷线流向两侧外，大部分是通过受击杆塔注入大地的。所以，雷电流在杆塔内部 的暂态作用特征直接决定了塔顶电位的特性，进而在绝缘子的反击击穿过程中起 主导作用。因此，杆塔模型是线路反击模型的重要组成部分，建立正确合理的杆 塔模型，是仿真计算结果正确与否的重要前提条件。在传统防雷模型的计算中， 都是采用单电感模型对杆塔进行描述，电感模型计算简单，但只适用于普通单回 低塔线路的反击计算。现在的同塔多回线路杆塔，其塔高要远高于单回线路杆塔 高度，同时杆塔的结构也较单回线路复杂，因此，同塔多回线路杆塔使用电感模 型进行仿真，并不合理，应使用波阻抗模型对其进行仿真【1 8 2 0 】。 从物理暂态波过程上来看，雷电流从塔顶注入杆塔再到塔底处注入大地，这 9 浙江大学硕士学位论文 个过程是一个暂态波过程 2 l 】，其发展与时间密切相关。也就是说，塔顶的电压电 流除与雷电参数有关外，与雷电流在杆塔中的波过程同样紧密相关。从这点来讲， 单波阻抗模型相比集中电感模型有了质的飞跃。在波阻抗模型中，雷电流注入杆 塔顶部同时形成相应的雷电过电压波，该过电压波沿杆塔而向下发展传播直至入 地，在接地处发生反射，与入地波反向的反射波返回塔项，与塔顶的雷电过电压 波叠加【2 2 ，2 3 1 ，即表现为塔顶过电压波在达到峰值后迅速降低。而在电感模型中， 杆塔顶部的过电压实际是杆塔接地电阻与塔身等效电感感抗上的压降之和。当雷 电流处于波头时，电流变化快，则电感上的压降大，那么在塔顶上的过电压幅值 就高。而当雷电流处于波尾时，电流变化慢，塔顶电压就主要是杆塔接地电阻分 压，塔顶电压表现为急速下降。因此波阻抗模型与电感模型反映的是两种完全不 同的物理过程，波阻抗模型更接近实际情况。杆塔的波阻抗与其自感及对地电容 有关，对于杆塔不同部分，它们的结构、尺寸和空间位置完全不同，那么对应的 电感、电容也完全不同，波阻抗也会有相应差异。所以，把复杂的高杆塔只简单 等效于一个平均波阻抗是不准确的。本文采用多波阻抗模型对杆塔进行建模计 算。 关于杆塔垂直塔身波阻抗的计算，国内外自三十年代以来，先后出现了 j o r d a n 公式 2 4 1 ，w a g n e r 公式【2 5 】，s a r g e n t 公式【2 6 】，b r e u e r 反射测量法1 2 7 ，k a w a i 直接测量法【2 8 】，c h i s h o l m 测量法【2 9 】，原武久公式【3 0 】等。早期的计算式限于当时 的仪器和试验条件，都是由电磁场理论推导得出的；其后的c h i s h o l m ，原武久， 山本修等人，开始进行实测试验【3 1 1 ，对前人由理论推导得出的公式进行了修正。 因为从电磁场理论进行推导时都是将杆塔的细节情况忽略，把杆塔近似为圆柱、 圆锥或圆台，再在线性模型下分析其暂态特性，所以早期理论波阻抗公式与后期 进行的试验实测值有较大的出入，即理论值比测量值大。在实际使用中，可根据 不同的计算条件、杆塔类型，选择适当的公式计算建模。 几种应用较多的杆塔波阻抗计算公式及模型简介如下： ( 1 ) j o r d a n 公式 。 最早的理论公式由j o r d a n 提出，它基于诺埃曼感应公式，假定从塔底到塔 顶的电流分布相同，同时忽略了回击电流的影响，将杆塔近似为一与杆塔同高、 半径为杆塔平均半径的垂直圆柱体，塔内的波速假定为光速，得到z 计算式为： z = 6 0 t n h ，+ 9 0 尝一6 0( 2 1 9 ) - ， 式中，日杆塔高，mo ，杆塔平均半径，m 。 1 0 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) w a g n e r 公式 w a g n e r 等人于1 9 5 9 年将杆塔等效为圆柱体，由电磁场理论推导出了垂直杆 塔的波阻抗，该波阻抗随雷电波由塔顶向塔顶传播而变化，即在该模型中，杆塔 波阻抗是随时间变化的。w a g n e r 公式如式( 2 2 0 ) 所所示。 一z ：6 0h 1 ( 塑) ( 2 2 0 ) 式中，c 毗速，c = 3 x1 0 s m s ；。 f 自雷电击中杆塔时起的时刻，s ； ，秆塔等效圆柱体半径，m 。 w a g n e r 公式早期用于较低杆塔中的设计，运用在高塔中计算出的波阻抗偏 大，造成计算出的塔顶电压过高。 ( 3 ) s a r g e n t 公式 s a r g e n t 等人将杆塔等效为圆锥模型，通过电磁场理论分析得出z 计算式为： 一吣 = 6 0 l n4 萼+ h 2 ： 亿2 。， 式中，p 圆锥半角，。o 日圆锥杆塔模型高，m ； ，为圆锥杆塔模型半径，m 。 如果用圆柱等效的话，可将w a g n e r 公式作为方形波下的波阻抗； 波和双指数波z 的计算式为： 一 z ：6 0 姒塑) 一6 0 ， 式中，牙杆塔高，r n ；， ，杆塔圆柱半径，m 。 ( 4 ) 原武久试验修正式 原武久根据试验实测数值，推导出杆塔波阻抗计算公式为： z ：6 0 ( h l 丝一2 ) 对于斜角 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 式中，c 咣速，c = 3xl o s m s ； f 自雷电击中杆塔时起的时刻，s ； ，杆塔等效半径，m 。 原武久公式计算出的波阻抗也是随时间动态变化的，波阻抗的最大值是在 浙江大学硕士学位论文 c t = 2 h 的时候，该试验式要比w a n g e r 公式计算值小。该式中，半径，的定义与前 述公式意义也不相同，此外的，采用了等效半径这一概念，将杆塔模型由单一的 圆柱、圆锥细化为四根主导体及中间支架，并考虑主导体与支架间相互电磁关系 而确定。受试验条件的限制，原武久公式在杆塔高度远大于等效半径，时有效。 横担波阻抗计算公式如式【3 2 】( 2 2 4 ) 所所示。 z ：6 0h l ( 塑) ( 2 2 4 ) ， 式中，h 横担高度，r n ； ，横担平均半径，m 。 考虑到本文杆塔的实际情况，并留有适当的安全裕度，本文将杆塔看作等效 圆柱体，采用多波阻抗模型对杆塔进行仿真，波阻抗计算公式使用s a r g e n t 的斜 角波公式( 2 2 2 ) 。杆塔与相应的模型如图2 4 所示。 图2 4 杆塔波阻抗模型示意图 3 ) 输电线路模型 输电线路在雷击暂态计算时被看作均匀传输线，e m t p 中有相应模型对架空 及电线线路进行模拟描述。其中常用的线路模型有b e r g e r o n ，p i 和j m a r t i 模型【3 3 】。 这三种模型都是基于传输线理论推导得出的，其中b e r g e r o n 模型是运用克拉克 模型进行计算，其计算步骤简单，用前一时刻电路中的参数值推算下一时刻电路 参数值，多用于中高压线路的仿真计算。p i 模型适用于系统稳态计算，故本文 1 2 瓠 凝 狲 狲 酗 浙江大学硕士学位论文 的雷击暂态仿真不采用p i 模型。j m a r t i 模型主要运用频率交换矩阵进行计算， 考虑到雷击暂态时线路中有高频电压电流出现，故本文线路模型采用j m a r t i 模 型。这几种模型都将线路间的耦合作用加入进去，当避雷线上加雷电流冲击源时， 相应相线上有相应的耦合电压、电流出现。 浙江大学硕士学位论文 2 2 计算参数条件 2 2 1 过电压参数 ( 1 ) 雷电流参数 本文中采用的雷电流波形为2 6 5 0 1 a s 斜角波。根据现行规程【9 】，防雷设计推 荐使用的雷电流波头时间为2 6 1 t s ，幅值为，陡度取为2 6 。 二般情况下，发生反击的雷击其雷道波阻抗取值在2 0 0 3 0 0 q 之间，本文雷 道波阻抗取为2 5 0 1 。 ( 2 ) 塔身中雷电波的波速 雷电流在杆塔塔身中传播的速度为o 7 0 9 倍光速【3 4 】，本文中杆塔波速取2 6 1 0 8 m s 。 ( 3 ) 雷击杆塔顶时导线上的感应电压分量 我国规程规定雷击塔顶时导线上的感应过电压由下式计算。 h u = a h c o - k o ) ( 2 2 5 ) l c 式中，玩导线对地平均高度，m ； ，k 避雷线对地平均高度，m ； 导线和避雷线间的耦合系数； a 雷电流陡度，k v l x s 。 对于本文中的同塔多回线路高杆塔而言，如采用式( 2 2 5 ) 计算线路感应过电 压，其计算结果将远远大于实际值【3 5 】。而在欧美的部分国家和日本计算反击跳闸 时，计算的感应电压要比我国规程法计算的小得多，甚至忽略感应电压的影响。 鉴于此，本文使用e m t p 计算反击耐雷水平时，采用武汉大学与武高院提出的 感应电压计算式【1 5 】。 玉 = 2 2 10 。4 绣( 1 一事) ( 2 2 6 ) 式中，为雷电流幅值，k a 。 ( 4 ) 工频电压影响 我国现行规程在防雷计算中未考虑工频电压影响。但在高电压等级下，工频 电压对绝缘子串雷电击穿闪络的影响已不容忽视，特别对于5 0 0 k v 线路，反击 计算中，工频电压峰值已经占到绝缘子串放电电压的2 0 0 g 左右。因此，在高电压 等级线路中，忽略工频电压的影响将造成较大的误差【3 6 1 ，因此，本文在防雷计算 1 4 浙江大学硕士学位论文 中计及工频电压的影响。 对