同塔雙回輸電線路雷擊跳閘率仿真研究

同塔雙回輸電線路雷擊跳閘率仿真研究

0同塔雙回線路的合理設(shè)計(jì)通過(guò)同時(shí)修建雙通道，將單元走廊區(qū)的供電能力作為有效措施，在能源系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。雷擊是造成輸電線路跳閘故障的最主要原因之一。而同塔雙回線路相對(duì)于單回線路來(lái)說(shuō),具有桿塔高度更高、更易遭受雷擊、桿塔電感和感應(yīng)過(guò)電壓更大等特點(diǎn),增加了發(fā)生雷擊跳閘故障的可能性。另外由于同塔雙回線路各相導(dǎo)線之間的間距較小,增大了相間電容和相地電容,并增加了系統(tǒng)過(guò)電壓水平。由于相關(guān)電力標(biāo)準(zhǔn)頒布時(shí)間較早,其推薦的計(jì)算方法主要針對(duì)單回線路,應(yīng)用于同塔雙回線路耐雷電沖擊性能判定時(shí)具有較大局限性。在國(guó)外,美、歐、日較多使用同塔雙回線路。尤其是日本,絕大多數(shù)500kV線路及新建1100kV線路均采用同桿雙回線路,其特點(diǎn)為采用逆相序?qū)Ь€排列。在采用負(fù)保護(hù)角防繞擊方面,美國(guó)各超高壓線路保護(hù)角大小相差較大,一般同塔雙回線路的保護(hù)角遠(yuǎn)小于一般單回路線路,起到了較好的防繞擊效果。鑒于500kV電壓等級(jí)線路的重要性,國(guó)內(nèi)一些科研單位曾對(duì)500kV同桿雙回輸電線路絕緣及耐雷性能進(jìn)行過(guò)研究和分析。但是,相對(duì)于500kV線路來(lái)說(shuō),220kV、110kV線路具有絕緣及反擊耐雷水平較低,絕緣子串較短等特點(diǎn),其反擊跳閘率仍然不可忽視,其主要雷擊方式與500kV線路存在明顯區(qū)別。另外,目前對(duì)同桿雙回輸電線路的防雷研究缺乏對(duì)地形因素,尤其是山區(qū)復(fù)雜地形影響的研究。因此,對(duì)各電壓等級(jí)的雙回輸電線路絕緣及耐雷電沖擊特性進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比研究,對(duì)其雷擊方式及主要影響因素(如接地阻抗、地形因素等等)進(jìn)行分析和總結(jié),對(duì)探索山區(qū)復(fù)雜地形同塔雙回線路防雷措施的最佳平衡點(diǎn)、優(yōu)化輸電線路的絕緣及防雷設(shè)計(jì),具有十分重要的意義。輸電線路雷擊跳閘故障的發(fā)生本身具有較強(qiáng)的概率性質(zhì),利用隨機(jī)數(shù)學(xué)方法來(lái)模擬它的發(fā)生過(guò)程更能體現(xiàn)其本質(zhì)特征。MonteCarlo法作為一種隨機(jī)數(shù)學(xué)方法,在選定目標(biāo)函數(shù)以后,可以對(duì)雷電流幅值、工頻電壓疊加瞬時(shí)值、雷擊部位等雷擊線路過(guò)程中的不確定參數(shù)進(jìn)行更好的模擬,通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法得到與實(shí)際情況更為相符的仿真結(jié)果。本文結(jié)合忻州地區(qū)雷擊故障統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù),基于MonteCarlo法建立了針對(duì)雙回輸電線路雷擊跳閘率的仿真方法,并對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的110kV、220kV典型單、雙回輸電線路桿塔進(jìn)行了仿真計(jì)算,分析了隨機(jī)抽樣因素對(duì)雷擊跳閘率產(chǎn)生的影響,研究了山區(qū)復(fù)雜地形同塔雙回線路的輸電線路絕緣及耐雷電沖擊特性。1不同雷達(dá)總次數(shù)文獻(xiàn)應(yīng)用MonteCarlo法對(duì)輸電線路雷擊跳閘率進(jìn)行仿真的原理進(jìn)行了詳細(xì)論述。線路的雷擊跳閘率s可表示為式中,n為模擬發(fā)生雷擊的總次數(shù);Ii、Bi、Ui為第i次雷擊發(fā)生過(guò)程中的雷電流幅值、雷擊部位、工頻電壓瞬時(shí)值等隨機(jī)參數(shù);H、R、θ為桿塔高度、接地電阻、地面傾角等固定參數(shù)。文獻(xiàn)應(yīng)用MonteCarlo法設(shè)計(jì)了單回輸電線路雷擊跳閘率隨機(jī)參數(shù)抽樣方法,主要考慮了雷電流幅值、雷擊部位和工頻疊加電壓瞬時(shí)值3個(gè)抽樣參數(shù),本文在此基礎(chǔ)上,結(jié)合忻州地區(qū)實(shí)際線路運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)雙回輸電線路隨機(jī)抽樣方法進(jìn)行了探討。1.1:電弧流幅值累積概率雷電流幅值分布可以通過(guò)雷電流幅值累積概率分布曲線表示,其統(tǒng)計(jì)意義為雷電流大于I(kA)的概率為P。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程推薦的雷電流幅值累積概率公式為IEEE推薦的雷電流累積概率分布計(jì)算公式為本文采用式(3)對(duì)雷電流幅值進(jìn)行抽樣,原因?qū)⒃?.1節(jié)中詳述。在模擬每次雷擊過(guò)程發(fā)生時(shí),通過(guò)計(jì)算產(chǎn)生在[0,1]均勻分布隨機(jī)數(shù)r1,雷電流幅值I采用直接抽樣法產(chǎn)生,即1.2線路模型分析輸電線路發(fā)生雷擊時(shí),雷擊部位直接決定了雷擊方式為反擊還是繞擊,而通常情況下線路的耐反擊水平遠(yuǎn)高于耐繞擊水平,因此雷擊部位對(duì)線路雷擊跳閘率大小具有很大影響。而目前電網(wǎng)中廣泛采用的雷電故障定位系統(tǒng)尚無(wú)法對(duì)雷擊部位進(jìn)行精確識(shí)別,因此通過(guò)雷擊部位抽樣可以對(duì)雷擊故障進(jìn)行更為準(zhǔn)確的仿真。電氣幾何模型(electricgeometrymodel,EGM)是目前工程計(jì)算中確信度較高的一種繞擊計(jì)算方法,采用EGM能夠較好地分析線路繞擊率。EGM基本原理是:假設(shè)雷電先導(dǎo)與物體是否發(fā)生放電(即雷擊過(guò)程)由擊距決定,雷電先導(dǎo)與物體的距離小于擊距則發(fā)生雷擊,大于擊距則不發(fā)生雷擊。擊距是雷電流幅值的函數(shù),對(duì)于輸電線路,其大小可按IEEE推薦公式計(jì)算,即式中,rc為導(dǎo)線(避雷線)擊距;rg為地面擊距;hd為桿塔高度。當(dāng)輸電線路為同塔雙回、地面傾角為θ時(shí),其電氣幾何模型如圖1所示。當(dāng)?shù)孛鎯A角為0時(shí),依圖示建立x-y直角坐標(biāo)系,避雷線及上中下三相導(dǎo)線位置坐標(biāo)可由線路結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定。當(dāng)?shù)孛娲嬖诖笮棣鹊膬A角時(shí),以順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?以原有原點(diǎn)為圓心,將原x-y坐標(biāo)系向正方向旋轉(zhuǎn)θ,得到新的坐標(biāo)系x1-y1。在雙回線路結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和地面傾角大小θ均已知的情況下,可以通過(guò)極坐標(biāo)變換得到避雷線和上中下三相導(dǎo)線在新坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。對(duì)于雙回輸電線路,在一次雷擊發(fā)生過(guò)程中,當(dāng)由1.1節(jié)中隨機(jī)抽樣方法得到雷電流幅值I后,可以由式(5)和式(6)計(jì)算得到新坐標(biāo)系下的導(dǎo)線和避雷線擊距rc1以及地面擊距rg1。如圖1所示,分別以避雷線和上中下三相導(dǎo)線位置為圓心,rc1為半徑做4段圓弧,通過(guò)平面解析幾何方法可求得圖中A1、B1、C1點(diǎn)在x1-y1坐標(biāo)系中的坐標(biāo),根據(jù)其在x1軸上的投影A′1、B′1、C′1,可認(rèn)為雷擊線路發(fā)生時(shí),繞擊概率Pr為式中,為B′1、C′1間距離;為A′1、C′1間距離。從圖1可以看出,當(dāng)?shù)孛鎯A角為正向θ時(shí),桿塔的等效保護(hù)角由原來(lái)的α增大到α+θ,增加了繞擊發(fā)生可能性。模擬每次雷擊發(fā)生過(guò)程時(shí),由計(jì)算產(chǎn)生在[0,1]均勻分布隨機(jī)數(shù)r2,比較r2與通過(guò)式(7)計(jì)算得到的雙回線路繞擊率Pr值。當(dāng)r2>Pr時(shí),線路發(fā)生反擊;當(dāng)r2≤Pr時(shí),線路發(fā)生繞擊。1.3電氣系統(tǒng)lo法隨機(jī)抽樣我國(guó)規(guī)程推薦的反擊和繞擊過(guò)電壓計(jì)算式均未考慮雷擊發(fā)生時(shí)導(dǎo)線上工頻電壓瞬時(shí)值所產(chǎn)生的影響。而對(duì)于雙回輸電線路,導(dǎo)線數(shù)量較之單回線路更多,工頻電壓所產(chǎn)生的影響可能更大。利用MonteCarlo法進(jìn)行隨機(jī)抽樣可以很好地解決工頻電壓瞬時(shí)值模擬這一問(wèn)題,文獻(xiàn)提出了單回輸電線路工頻電壓瞬時(shí)值的抽樣方法,由計(jì)算產(chǎn)生一個(gè)[0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)r3,由于工頻相角在[0,2π]上是均勻分布的,由此可將產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)變換為相角的隨機(jī)數(shù)得到φ值后,就可以計(jì)算出三相工頻電壓瞬時(shí)值:式中,Um為相電壓峰值。我國(guó)雙回輸電線路存在較多相對(duì)獨(dú)立的情況,因此可由計(jì)算再產(chǎn)生一個(gè)[0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù)r4,對(duì)于桿塔另一側(cè)的三相導(dǎo)線工頻電壓相角Φ進(jìn)行抽樣,即得到Φ值后,另一側(cè)三相導(dǎo)線工頻電壓瞬時(shí)值計(jì)算方法按照式(9)~(11)進(jìn)行計(jì)算,不再贅述。1.4模擬流程建設(shè)基于3項(xiàng)主要隨機(jī)參數(shù)抽樣方法的探討,可以建立針對(duì)雙回輸電線路方法的仿真流程,見(jiàn)圖2。2全條輸電線路典型桿塔對(duì)比研究為分析隨機(jī)參數(shù)抽樣對(duì)單、雙回輸電線路雷擊跳閘率產(chǎn)生的影響,本文選取忻州地區(qū)110kV、220kV單、雙回共4條輸電線路中的4種典型桿塔進(jìn)行雷擊跳閘率研究,其具體型號(hào)如表1所示。將默認(rèn)的主要固定參數(shù)設(shè)定為:雷暴日數(shù)40,桿塔所處地面傾角0,桿塔接地電阻均為11Ω,110kV絕緣配置為7×LXP-70型瓷絕緣子,220kV絕緣配置為14×LXP-70型瓷絕緣子。在此條件下,通過(guò)仿真計(jì)算分析隨機(jī)參數(shù)抽樣對(duì)單、雙回輸電線路產(chǎn)生的影響。2.1幅值累積概率分布曲線對(duì)比依據(jù)山西省電網(wǎng)雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所統(tǒng)計(jì)的忻州地區(qū)2001-2010年10a間落雷總數(shù)按雷電流幅值的分布數(shù)據(jù),可以得到雷電流幅值直方圖,如圖3所示。可以擬合雷電流幅值累積概率分布曲線,按照表1中數(shù)據(jù)擬合以及式(2)和式(3)的繪制曲線對(duì)比如圖4所示。由雷電流累積概率分布曲線對(duì)比可以看出,通過(guò)我國(guó)規(guī)程推薦的式(2)計(jì)算得到的曲線與忻州地區(qū)雷電流分布曲線具有一定差別。該地區(qū)統(tǒng)計(jì)的雷電流>10kA的概率為0.998,而按照式(2)進(jìn)行計(jì)算,雷電流>10kA的概率僅為0.770。由IEEE推薦的式(3)計(jì)算得到的曲線與忻州地區(qū)雷電流累積分布曲線吻合較好,因此本文所采用的雷電流累積概率分布計(jì)算公式近似采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。2.2典型桿塔繞擊跳閘率隨地面傾角的變化由1.2節(jié)中的分析可知,雷擊部位對(duì)輸電線路雷擊跳閘率產(chǎn)生的影響主要通過(guò)繞擊跳閘率隨地面傾角θ的變化來(lái)體現(xiàn),圖5是4種典型桿塔的繞擊跳閘率隨地面傾角變化曲線。由圖5可知,地面傾角的變化對(duì)繞擊跳閘率的影響非常大,尤其是當(dāng)?shù)孛鎯A角>25°后,4種典型桿塔的繞擊跳閘率均隨地面傾角的增大急劇升高。其中110kV雙回塔增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)高于其他類型桿塔,默認(rèn)情況下當(dāng)?shù)孛鎯A角由0升高至50°時(shí),繞擊跳閘率由0.4次/(100km·a)升至10.8次/(100km·a);220kV單回塔和110kV單回塔上升幅度相當(dāng),分別為6.80次/(100km·a)和6.50次/(100km·a),220kV雙回塔由于采用了保護(hù)角為0的桿塔結(jié)構(gòu),上升幅度僅4.03次/(100km·a)。值得注意的是,220kV雙回塔呼稱高和桿塔高度在4種典型桿塔中均是最高的,因此在落雷數(shù)相同的情況下,應(yīng)具有最高的線路引雷次數(shù),但其繞擊跳閘率隨地面傾角增大而增加的變化率是4種典型桿塔中最低的。這說(shuō)明減小桿塔保護(hù)角可以在雙回輸電線路桿塔所處地形存在地面傾角時(shí)起到明顯的降低繞擊跳閘率作用。2.3工頻電壓疊加前后點(diǎn)段中點(diǎn)段對(duì)比在默認(rèn)參數(shù)下,對(duì)比4種典型桿塔的工頻電壓疊加前后的雷擊跳閘率如表2所示。疊加工頻電壓后,單、雙回輸電線路桿塔雷擊跳閘率均有較為顯著的增長(zhǎng),4種典型桿塔的計(jì)算值均在20%左右,由于地面傾角為0的情況下,繞擊跳閘率本身較低,所以此時(shí)工頻疊加主要影響的是反擊跳閘率。由此可見(jiàn)是否考慮工頻疊加電壓瞬時(shí)值會(huì)對(duì)反擊跳閘率計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。為分析工頻電壓對(duì)繞擊跳閘率產(chǎn)生的影響,將地面傾角改變?yōu)?0°,其余主要固定參數(shù)設(shè)定不變,對(duì)比4種典型桿塔的工頻電壓疊加前后的雷擊跳閘率如表3所示。觀察表3可以發(fā)現(xiàn),地面傾角為30°時(shí),疊加工頻電壓后4種典型桿塔的雷擊跳閘率的增大幅度仍均在10%以上,充分說(shuō)明了工頻疊加電壓對(duì)雷擊跳閘率具有較大影響,其影響因素不可忽視。值得注意的是,在繞擊跳閘率計(jì)算值變化規(guī)律方面,單、雙回輸電線路呈現(xiàn)了不同的特征,兩種單回輸電線路桿塔繞擊跳閘率略微降低,其中110kV降幅為0.23%,220kV為1.23%,可忽略不計(jì)。而對(duì)于兩種雙回輸電線路桿塔,繞擊跳閘率出現(xiàn)了不同幅度的明顯上升,其中110kV為5.5%,220kV為11.8%,說(shuō)明在地面存在較大傾角的情況下,是否考慮工頻電壓疊加因素將對(duì)同塔雙回線路繞擊跳閘率計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。3雙回輸電線路中點(diǎn)式電路設(shè)計(jì)時(shí)合理設(shè)計(jì)本文基于MonteCarlo法這一隨機(jī)數(shù)學(xué)方法,結(jié)合實(shí)際線路運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)山區(qū)復(fù)雜地形同塔雙回輸電線路的雷擊跳閘特性進(jìn)行了仿真計(jì)算。尤其對(duì)隨機(jī)參數(shù)抽樣方法進(jìn)行了深入的研究,并針對(duì)隨機(jī)參數(shù)對(duì)單、雙回輸電線路雷擊跳閘率產(chǎn)生的不同影響進(jìn)行了分析和討論,得出主要結(jié)論如下:1)為保證雙回輸電線路雷擊跳閘率計(jì)算的準(zhǔn)確性,雷電流幅值隨機(jī)抽樣計(jì)算公式應(yīng)依據(jù)各地區(qū)的雷電流幅值分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。2)對(duì)比同等電壓等級(jí)下單回輸電線路,雙回輸電線路繞擊跳閘率對(duì)地面傾角變化更敏感,隨地面傾角增加而具有更大的增長(zhǎng)幅度,而在地面存在傾角的情況下采用保護(hù)角