基于pscad-emdc的雷击直流线路耐雷性能仿真分析

基于pscad-emdc的雷击直流线路耐雷性能仿真分析

1交流输电线路的耐雷能力研究抗雷能力是衡量输电线安全性的重要指标。输出线的安全性直接影响电气系统的安全和可靠性。因此，对送输线的闪闪剂和泄漏进行模拟计算非常重要。一般雷电直击架空导线的发生概率很小,大部分雷击发生在传输线杆塔顶部。雷击杆塔时大部分雷电流沿杆塔泄入大地,使杆塔电位升高,绝缘子串发生反击闪络,因此有必要分析雷击杆塔顶部时线路的耐雷性能。我国现行的《电力设备过电压保护设计技术规程》推荐的交流输电线路耐雷水平计算方法未考虑线路工作电压的影响。对于高压直流架空线路,雷击线路杆塔或架空地线时,其中极性与雷击过电压相反的那一极导线,其塔头间隙和绝缘子串承受的电压是雷电冲击电压和直流工作电压之和,而与雷击过电压极性相同的另一极导线,其塔头间隙和绝缘子串承受的电压是雷电冲击电压和直流工作电压之差。直流输电系统的这些特点使得双极具有不平衡绝缘特性,间隙的放电电压也必然与没有直流工作电压的情况大不相同。因此,分析直流线路耐雷水平时应考虑直流工作电压对线路耐雷性能的影响。目前国内外对交流输电线路的耐雷性能研究较多,而对直流线路耐雷性能的研究较少。本文采用仿真软件PSCAD/EMTDC分别对不考虑直流工作电压和考虑直流工作电压的情况下,单极±500kV金属回线和双极±500kV运行方式下,雷击直流线路1号杆塔时线路的过电压水平和雷击闪络进行仿真分析,并在杆塔接地电阻分别为10Ω、15Ω和20Ω的条件下,讨论各种运行方式下可能发生的闪络类型,计算发生闪络时的最小雷电流,比较各种运行方式下的线路耐雷水平。2计算模型2.1换流站直流侧进段线路模型结构线路采用双避雷线。由于雷电流波形中含有丰富的高次谐波,而线路的参数随频率变化,不同频率的谐波分量在线路中传播时的衰减和畸变各不相同,因此本文线路模型中的传输线采用频率相关模型。换流站直流侧进线段的线路及杆塔仿真模型结构如图1所示,对换流站直流侧进线段的前5个杆塔及杆塔与杆塔之间的每一档距分别建模,并考虑杆塔结构尺寸、导线和避雷线型号、档距等线路参数的影响。导线型号为4×LGJQ-300,分裂间距450mm,弧垂12m;避雷线型号为QJ-70,弧垂9.5m;5个杆塔的型号及档距尺寸列于表1中。2.2波阻抗模型的建立仿真中常采用的杆塔模型主要有电感模型和传输线波阻抗模型两种。电感模型将杆塔视为一个集中参数的电感与接地电阻相串联。传输线波阻抗模型将塔身视为分布参数传输线,考虑了入侵波在塔身中的传播时间和折反射过程,波阻抗模型是比较合理的杆塔模型。本文的仿真计算中采用波阻抗模型。根据杆塔的结构尺寸和导线悬挂点的位置将杆塔波阻抗分为几部分,文献建议杆塔波阻抗取为150Ω。考虑到横担的影响,本文的波阻抗选择文献推荐的200Ω,波速取300m/μs,杆塔接地电阻取10～20Ω。在PSCAD/EMTDC仿真软件中,可用Bergeron模型来搭建杆塔传输线波阻抗模型,其中1号杆塔的模型如图2所示,图中,ZA为横担波阻抗,ZT为杆塔波阻抗,Rg为接地电阻。根据杆塔的几何结构参数,将1号杆塔模型稍加改动就可得到其他杆塔的模型。2.3雷流模型根据文献,雷电流波形为斜角波,雷电流的波头为2.6μs。波尾为50μs,雷电通道波阻抗为348Ω。2.4仿真模型的建立根据物理过程确定绝缘子是否闪络的判据主要有两种(如图3所示):(1)如绝缘子串两端电压曲线1在ts时刻与绝缘子伏秒特性曲线3相交,即判为闪络,如图3(a)所示。(2)如绝缘子串两端电压按曲线2变化,虽未与伏秒特性曲线3相交,但其峰值超过了绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%,也判为闪络。以曲线2和U50%第二次相交的时刻ts作为闪络发生时刻,如图3(b)所示。本文采用文献的伏秒特性曲线,其表达式为式中Us-t为闪络电压,kV;L为绝缘子串长度,m;t为从雷击开始到闪络所经历的时间,μs。标准盘形悬式绝缘子串和长绝缘子串的U50%仅与干闪络距离Lg(Lg=L)有关,且基本呈线性增长关系式中U50%的单位取kV,L的单位取cm。文献的试验结果表明:在干燥及淋雨条件下,异极性直流电压的存在使绝缘子串的U50%略小于无直流电压时的U50%,当直流电压为±(300～600kV)时,可用式(3)近似求出各极线的50%冲击闪络电压式中Udc50%为考虑直流工作电压时绝缘子串的50%冲击闪络电压,kV;Udc为直流工作电压。本文的仿真模型中绝缘子型号为CA-735EZ,每串有32片。由式(2)、(3)计算出的正极线绝缘子串的Udc50%=2609.5kV,负极线绝缘子串的Udc50%=3609.5kV,金属回线绝缘子串的Udc50%=3009.5kV。3模拟结果和分析3.1不同杆塔闪络类型下的最小电弧流仿真分析本文分别在采用单极±500kV金属回线运行方式、采用双极±500kV运行方式和不考虑工作电压的情况下,当杆塔接地电阻分别为10Ω、15Ω、20Ω时,对雷击直流线路1号杆塔时的雷击闪络情况进行了仿真分析,计算了各种闪络类型下的最小雷电流,结果如表2所示。3.2模拟结果分析(1)雷达探波闪络类型在不考虑工作电压的情况下,两极线(或金属回线)上的绝缘子串50%闪络电压均为3009.5kV,因此两极线(或金属回线)同时发生闪络,闪络形式主要有波尾闪络和波头闪络两种,如图4所示。图4(a)为极线(或金属回线)波尾闪络波形(雷电流幅值为-244kA);图4(b)为极线(或金属回线)波头闪络波形(雷电流幅值为-338kA)。发生各种类型闪络的雷电流范围详见表2。表中闪络类型为:①正极线U50%(波尾)闪络;②正极线波尾闪络,金属回线波尾闪络;③正极线波头闪络,金属回线波尾闪络;④金属回线U50%(波尾)闪络;⑤金属回线波头闪络;⑥金属回线波头闪络,负极线波尾闪络;⑦正极线波头闪络;⑧正极线波头闪络,负极线波尾闪络;⑨两极线(或金属回线)波尾闪络;⑩两极线(或金属回线)波头闪络。(2)金属回线闪络+500kV单极-金属回线运行方式下,正极线上有正电压,且极线上的绝缘子闪络电压比金属回线上的绝缘子闪络电压低,使得大部分雷电反击发生在正极线上;但随着雷电流的增加,反击可能同时发生在金属回线上。在该运行方式下,随着雷电流的逐渐增加会出现三种类型闪络:①正极线波尾闪络,金属回线不闪络;②正极线波尾闪络,金属回线波尾闪络;③正极线波头闪络。金属回线波尾闪络。各种类型闪络判据如图5所示,图5(a)为正极线波尾闪络、金属回线不闪络波形(雷电流幅值为-170kA),图5(b)为正极线波尾闪络、金属回线波尾闪络波形(雷电流幅值为-244kA),图5(c)为正极线波头闪络、金属回线不闪络波形(雷电流幅值为-283kA)。发生各种类型闪络的雷电流范围如表2所示。(3)不同方式下电弧流的闪络特征-500kV单极-金属回线运行方式下,负极线上有负电压,使得绝大部分雷电反击发生在金属回线上;但随着雷电流的增加反击也可能发生在负极线上。在该运行方式下,随着雷电流的增加会出现三种类型闪络:①金属回线波尾闪络,负极线不闪络;②金属回线波头闪络,负极线不闪络;③金属回线波头闪络,负极线波尾闪络。各种类型闪络判据如图6所示,图6(a)为金属回线波尾闪络、负极线不闪络波形(雷电流幅值为-225kA),图6(b)为金属回线波头闪络、负极线不闪络波形(雷电流幅值为-300kA),图6(c)为金属回线波头闪络、负极线波尾闪络波形(雷电流幅值为-338kA)。发生各种类型闪络的雷电流范围详见表2。(4)-500kv单极-金属回线闪络双极运行时,大部分雷电反击发生在正极线上,这时的反击与+500kV单极-金属回线运行时的情况相似;但其闪络形式与-500kV单极-金属回线运行时的情况比较相似,随着雷电流的增加会出现三种类型闪络:①正极线波尾闪络,负极线不闪络;②正极线波头闪络,负极线不闪络;③正极线波头闪络,负极线波尾闪络。各种类型闪络判据与图6的判据相似,发生各种类型闪络的雷电流范围详见表2。4高压直流线路闪络类型(1)在研究高压直流输电线路的耐雷水平时,应考虑工作电压的影响。(2)高压直流线路的耐雷水平随着接地电阻的增大而显著减小,应在接地电阻最大的情况下确定该线路的耐雷水平。(3)在不同的运行方式和雷电流条件下,高压直流线路会发生不同类型的闪络。单极+500kV运行时两极线均可能发生波尾闪络,单极-500kV运行(或双极运行)时金属回线(正极线)可能发生波头