輸電線路桿塔接地電阻對(duì)桿塔耐雷水平的影響

輸電線路桿塔接地電阻對(duì)桿塔耐雷水平的影響

0桿塔接地電阻對(duì)桿塔擊穿耐雷水平影響的數(shù)值分析閃電是自然界的一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。雷電對(duì)于電力系統(tǒng)輸電線路有著很大的危害,特別是在雷電活動(dòng)十分頻繁的地區(qū)。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示,雷擊是造成輸電線路閃絡(luò)的主要原因之一。南方電網(wǎng)公司所轄輸電線路全部位于雷電活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū),雷害情況非常嚴(yán)重。2008年南方電網(wǎng)≥110kV輸電線路雷擊跳閘1588次,雷電跳閘率達(dá)1.007次/(100km·a),占總跳閘數(shù)的61.1%。如何有效地改善輸電線路防雷性能是目前電力系統(tǒng)迫切需要解決的關(guān)鍵問題之一。雷擊高壓輸電線路跳閘主要分反擊跳閘和繞擊跳閘兩種類型,電壓等級(jí)較低的線路,反擊跳閘是雷擊跳閘的主要原因。影響高壓輸電線路反擊耐雷水平的因素很多,桿塔呼高、絕緣子絕緣距離、桿塔所處地理位置、桿塔接地電阻等均對(duì)桿塔反擊耐雷水平有十分明顯的影響,桿塔遭受雷擊時(shí),桿塔接地電阻將直接影響桿塔的電位分布,從而影響到雷擊時(shí)絕緣子兩端的電壓差,進(jìn)而影響到桿塔的反擊耐雷水平。目前國內(nèi)外在桿塔接地電阻對(duì)桿塔反擊耐雷水平的研究方面,只是單純地認(rèn)為,桿塔接地電阻越大,線路耐雷水平越低,這一結(jié)論尚不夠細(xì)致。本文通過對(duì)110~1000kV不同電壓等級(jí)的4種桿塔進(jìn)行研究,采用不同的桿塔模型和絕緣子模型,計(jì)算桿塔接地電阻對(duì)桿塔反擊耐雷水平的影響,進(jìn)一步揭示了桿塔耐雷水平與接地電阻之間的關(guān)系。目前,同塔多回線路在我國大量應(yīng)用,同塔雙回、4回線路大量采用,甚至出現(xiàn)了同塔6回線路。同塔4回線路每個(gè)桿塔上有12相導(dǎo)線,由于同塔多回線路垂直排列,每相的導(dǎo)線的高度相差較大,每相導(dǎo)線的耐雷水平受桿塔接地電阻的影響也有所不同。因此,對(duì)于同塔多回線路的設(shè)計(jì),如何合理地安排絕緣強(qiáng)度和桿塔接地電阻才能達(dá)到成本最低而耐雷水平最高成為研究的重點(diǎn)。本文通過對(duì)幾種不同電壓等級(jí)的同塔4回線路的研究,分析了桿塔接地電阻對(duì)不同電壓等級(jí)的不同相導(dǎo)線的耐雷水平的影響,并提出了不同電壓等級(jí)同塔多回線路的最優(yōu)桿塔接地電阻設(shè)計(jì)建議。1桿塔模型假設(shè)許多學(xué)者都曾對(duì)雷擊過程中桿塔建模做過研究。目前,雷擊過電壓計(jì)算時(shí),桿塔模型有集中電感模型、單波阻抗模型和多波阻抗模型3種,而絕緣子的模型則有以U50為擊穿電壓的壓控開關(guān)模型和考慮絕緣子擊穿時(shí)先導(dǎo)發(fā)展過程的先導(dǎo)發(fā)展模型。桿塔接地電阻對(duì)桿塔反擊耐雷水平的影響體現(xiàn)在影響桿塔雷擊時(shí)的塔頂電位和塔底電位,從而影響絕緣子兩端的電位差。采用不同的桿塔模型,則整個(gè)桿塔的等效電路將有所不同,從而接地電阻的影響也有所區(qū)別,因此在110、220、500、1000kV各選取了1種塔型,采用不同的桿塔模型進(jìn)行計(jì)算。4種不同電壓等級(jí)桿塔示意圖如圖1所示。1.1兩種桿塔模型的耐雷水平比較圖2所示為4種電壓等級(jí)下絕緣子和桿塔模型的不同組合對(duì)應(yīng)的耐雷水平隨著接地電阻值的變化曲線。從圖2可以看出,先導(dǎo)發(fā)展模型的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)高于壓控開關(guān)的結(jié)果,不管是哪種絕緣子模型,當(dāng)接地電阻阻值增大到某一數(shù)值(設(shè)為R0)時(shí),兩種桿塔模型對(duì)應(yīng)的耐雷水平趨于相同。也就是說,當(dāng)接地電阻足夠大時(shí),塔頂電位基本由塔底電位決定,桿塔模型對(duì)電位的影響不大,桿塔模型對(duì)耐雷水平的影響較小。當(dāng)接地電阻相對(duì)較小時(shí),兩種桿塔模型對(duì)耐雷水平有一定影響,但不同電壓等級(jí)線路R0不同。電壓等級(jí)越高,R0越大,1000kV桿塔對(duì)應(yīng)的R0>50Ω,500kV桿塔對(duì)應(yīng)的R0≈30Ω,220kV桿塔對(duì)應(yīng)的R0≈18Ω,110kV桿塔對(duì)應(yīng)的R0≈10Ω。不同桿塔模型對(duì)耐雷水平的影響表現(xiàn)為:在固定接地電阻值的情況下,電壓等級(jí)越高,多波阻抗模型計(jì)算結(jié)果越高于集中電感模型的計(jì)算結(jié)果。1.2桿塔接地電阻對(duì)集中電弧和分接線溫的影響圖3為對(duì)應(yīng)不同接地電阻時(shí)不同桿塔模型對(duì)應(yīng)的塔頂、塔底電位以及絕緣子兩端電壓峰峰值。1000、500、220、110kV線路計(jì)算中采用的雷電流幅值分別為250、150、50、30kA。觀察圖3不難看出,不論哪種電壓等級(jí),集中電感和多波阻抗模型對(duì)應(yīng)的塔底電位曲線基本重合,因?yàn)樗纂娢粌H由接地電阻和注入接地裝置的電流決定,和桿塔模型沒有關(guān)系。在接地電阻比較小的情況下,集中電感模型的塔頂電位和絕緣子兩端電壓均大于多波阻抗模型,即此時(shí)集中電感模型對(duì)應(yīng)的耐雷水平低于多波阻抗模型。隨著接地電阻的進(jìn)一步增大,塔頂和絕緣子兩端電壓都隨之變大,當(dāng)接地電阻達(dá)到R0時(shí),兩種桿塔模型對(duì)應(yīng)的電位趨于一致,塔頂電位和塔底電位曲線基本重合,此時(shí)兩模型對(duì)應(yīng)的耐雷水平基本一致。以上研究表明,對(duì)于每種電壓等級(jí)的桿塔,均有一臨界接地電阻值R0,當(dāng)桿塔接地電阻>R0時(shí),桿塔的塔頂電位和耐雷水平基本只由接地電阻的大小決定,與桿塔本身的波阻抗或集中電感值無關(guān);而當(dāng)桿塔接地電阻<R0時(shí),桿塔的塔頂電位和耐雷水平則由桿塔接地電阻和桿塔模型共同決定。在線路防雷設(shè)計(jì)中,為了降低線路的雷擊跳閘率,往往要求桿塔接地電阻越低越好,但在某些土壤電阻率很高的地區(qū),降低接地電阻的成本往往很高。在這種情況下,若能將接地電阻降至R0,再通過改變桿塔結(jié)構(gòu)來改變桿塔的波阻抗,同樣可以達(dá)到提高桿塔耐雷水平的目的。2同塔4回線路桿塔隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,輸電容量大幅提升,輸電線路走廊日益緊張。在這一背景下,同塔多回線路在我國大量應(yīng)用,同塔雙回、4回線路大量采用,甚至出現(xiàn)了同塔6回線路。同塔多回線路的雷電防護(hù)也成為目前國內(nèi)外防雷研究的重點(diǎn)。圖4為同塔4回線路桿塔示意圖。同塔多回桿塔一般垂直排列,桿塔高度較高,雷擊問題也較一般桿塔嚴(yán)重。此外,以同塔4回線路為例,每個(gè)桿塔上有12相導(dǎo)線,由于線路垂直排列,每相導(dǎo)線的高度相差較大,每相導(dǎo)線的耐雷水平受桿塔接地電阻的影響各不相同。目前國內(nèi)運(yùn)行的同塔4回線路主要集中在110、220kV電壓等級(jí),500kV電壓等級(jí)同塔4回較少使用。本文主要計(jì)算桿塔接地電阻對(duì)于110、220kV同塔4回線路不同高度導(dǎo)線耐雷水平的影響。在桿塔遭受雷擊時(shí),不同高度的導(dǎo)線上感應(yīng)出的電壓也不相同,本文的計(jì)算模型中,同樣考慮了雷電感應(yīng)電壓的影響。2.1桿塔接地電阻對(duì)線路擴(kuò)大和拉出的影響圖4所示同塔4回示意圖中共有12相導(dǎo)線,共分為6層,將這6層導(dǎo)線從上向下編號(hào),分別為第1層、第2層、……、第6層。圖5所示為110kV同塔4回線路不同層導(dǎo)線的耐雷水平隨桿塔接地電阻的變化曲線。圖6所示為110kV同塔4回桿塔遭受30kA雷電流雷擊時(shí),不同層絕緣子兩端電壓隨接地電阻變化曲線。在本節(jié)計(jì)算中,桿塔采用多波阻抗模型,絕緣子采用先導(dǎo)發(fā)展模型。隨著桿塔接地電阻的增大,同塔多回線路各層絕緣子兩端電壓均隨之增大,相應(yīng)的各層導(dǎo)線的耐雷水平隨之降低,但不同層的變化幅度并不相同。從圖5和圖6可以看出,當(dāng)接地電阻增大時(shí),在桿塔的等效電路中,比較接近桿塔接地點(diǎn)的下層導(dǎo)線受接地電阻變化的影響較大;而桿塔頂層的第1、2層導(dǎo)線耐雷水平隨接地電阻的變化則相對(duì)平緩。當(dāng)接地電阻較小時(shí),絕緣子兩端電壓相對(duì)較小,此時(shí)由于第1、2層導(dǎo)線距離雷擊點(diǎn)較近,因此絕緣子兩端的電壓也較大,耐雷水平較低,在遭受雷擊時(shí)率先閃絡(luò)。然而,與想象中越靠近雷擊點(diǎn)越容易閃絡(luò)不同的是,當(dāng)接地電阻較大時(shí),由于接地電阻對(duì)離地面較近的絕緣子兩端的電壓影響更大,在遭受雷擊時(shí),下層的幾回導(dǎo)線率先閃絡(luò);從圖5可以看出,桿塔接地電阻越大,先閃絡(luò)的導(dǎo)線越靠近地面。此外,從圖5中還可以發(fā)現(xiàn),對(duì)接近地面的幾回導(dǎo)線(第3~6層),當(dāng)接地電阻較小時(shí),尤其是<15Ω時(shí),線路耐雷水平隨接地電阻的變化很大;而當(dāng)接地電阻>15Ω時(shí),耐雷水平隨接地電阻的變化則趨于平緩。2.2同塔4回線路圖7所示為220kV同塔4回線路不同層導(dǎo)線的耐雷水平隨桿塔接地電阻的變化曲線。圖8所示為220kV同塔4回桿塔遭受50kA雷電流雷擊時(shí),不同層絕緣子兩端電壓隨接地電阻變化曲線。220kV同塔4回線路的變化規(guī)律與110kV基本一致,唯一的不同在于,220kV同塔4回線路在桿塔接地電阻<10Ω時(shí),絕緣子兩端電壓峰值隨接地電阻的變化十分平緩。但在圖7中,相應(yīng)的接地電阻<10Ω時(shí),線路耐雷水平的變化并不平緩。造成這一差異的原因在于,計(jì)算中使用的絕緣子模型是先導(dǎo)發(fā)展模型,在這種模型下,線路的耐雷水平并非單純地取決于絕緣子兩端電壓峰值,而是與整個(gè)擊穿過程中絕緣子兩端電壓的波形有關(guān)。絕緣子兩端電壓峰值在此不能完全反應(yīng)出耐雷水平的高低。2.3同塔多回線路的電阻防護(hù)從前文的計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)接地電阻<15Ω時(shí),降低接地電阻對(duì)提高接近地面的幾回導(dǎo)線(第3至第6層)的耐雷水平效果很好;而當(dāng)接地電阻>15Ω時(shí),耐雷水平隨接地電阻的變化則趨于平緩。結(jié)合這一規(guī)律以及前文有關(guān)臨界電阻的規(guī)律,可以提出一些同塔多回線路雷電防護(hù)建議。在面對(duì)同塔多回線路的雷電防護(hù)問題時(shí),應(yīng)盡量設(shè)計(jì)桿塔沖擊接地電阻<15Ω。這種設(shè)計(jì)可以有效地限制同塔多回線路接近地面幾回導(dǎo)線的跳閘率。對(duì)于同塔多回線路最上面兩層導(dǎo)線的雷電防護(hù),降低接地電阻雖然也是一個(gè)行之有效的方法,但效果不是十分明顯。對(duì)同塔多回線路的上層導(dǎo)線,可以適當(dāng)?shù)靥岣呱蠈訋谆鼐€路絕緣子的長度,從而達(dá)到提高線路整體耐雷水平的效果。此外,安裝線路避雷器能夠?yàn)槔纂娏魈峁┮粋€(gè)泄流通道,能夠有效地限制絕緣子兩端電壓,同塔多回線路安裝線路避雷器對(duì)提高線路耐雷水平、降低線路反擊跳閘率效果明顯。3同塔多回線路的接地電阻桿塔接地電阻是直接影響桿塔反擊耐雷水平的因素。對(duì)桿塔接地電阻的研究主要得出以下結(jié)論:1)采用不同的桿塔模型時(shí),桿塔的反擊耐雷水平有所不同。但對(duì)于每種電壓等級(jí)的桿塔,均有一臨界接地電阻值R0,當(dāng)桿塔接地電阻大于這一臨界電阻值時(shí),桿塔的塔頂電位和耐雷水平基本只由接地電阻的大小決定,與桿塔本身的波阻抗或集中電感值無關(guān);而當(dāng)桿塔接地電阻小于這一臨界電阻值時(shí),桿塔的塔頂電位和耐雷水平則由桿塔接地電阻和桿塔模型共同決定。2)桿塔接地電阻對(duì)同塔多回線路不同層導(dǎo)線的耐雷水平的影響不同。導(dǎo)線越靠近地面,耐雷水平受桿塔接地電阻的影響越大。3)文中計(jì)算的110kV同塔4回線路和220kV同塔4回線路,桿塔第3至第6層導(dǎo)線耐雷水平隨桿塔接地電阻的變