先导传播模型法在超高压线路中的应用

先导传播模型法在超高压线路中的应用

0特高压输电线路的电化学屏蔽性能研究中国的高压（uhv）交流输电线试验示范工程正在紧张。关于特高压输电线的防雨性能的深入研究对提高试验线路的建设和安全运行具有重要意义。前苏联对1989～1990年UHV线路运行数据的统计分析表明,其线路雷击跳闸主要是由绕击引起的,国内外其他的运行统计也表明架空线路的雷击跳闸率占其总跳闸率的份额随着标称电压的提高而增加,1150kV的特高压线路甚至高达94%,因此特高压输电线路的绕击性能研究尤为重要。目前输电线路的雷电屏蔽效果分析有基于击距理论的电气几何模型法(EGM)、规程法和基于场分析的先导传播模型法(LPM)。对不同线路和地形情况下的EGM应用,也提出了一些改进方法,但对特高压输电线路的雷电屏蔽性能分析仍不能取得满意的效果。长间隙放电理论研究的深入给LPM提供了更多的理论依据,并被应用于输电线路的雷电屏蔽性能分析。LPM仍欠成熟,在模型建立和物理过程的模拟中仍存在一定缺陷,对特高压输电线路结构的特殊性和运行电压及其随相位的变化影响仍考虑不足,已有的一些分析结果仍难以被普遍接受和得到运行经验的印证。已有的改进LPM方法已经应用到500kV超高压交流输电线路的研究当中,并取得了满意的效果。但是随着特高压输电线路分裂导线分裂数的增加,分裂导线的影响不可忽视,本文提出相应的修正先导起始判据,并考虑线路的运行电压影响,建立改进的LPM。另外,考虑到特高压输电线路的高度重要性和安全运行要求,还建立了局部屏蔽分析模型,进行局部屏蔽性能分析,为特高压输电线路的设计、建设和运行提供更多参考依据。1线—先导起始判据的改进先导模型的建立主要包括上下行先导的速度、先导通道中的电荷分布、上行先导的起始判据、上行先导的移动方向和击穿判据5个方面模型参数的确定。随着输电线路运行电压的不断提高,线路运行电压及其发生雷击时的相位随机性影响也需要考虑,并且雷云的背景场影响和上行先导的起始判据也需要改进。基于以上考虑建立的改进先导模型在500kV超高压输电线路上已得到成功应用,计算结果与实际运行经验相吻合。由于运行电压等级的提高,分裂导线分裂数的增多,分裂导线上行先导起始判据的确定需要考虑到子导线分布的不同和导线架设高度的变化。目前使用LPM分析输电线路雷电屏蔽问题的文献中,上行先导的起始都是采用单导线的分析判据,Rizk判据、Peek判据以及间隙判据都是在单导线作电极的基础上采用理论分析和实验相结合的方法给出的。间隙判据在分裂导线系统中使用分裂导线等效半径将分裂导线等效为单导线处理,据此确定的先导起始电压见表1。一些学者对于分裂导线的情况进行相关的实验研究并得到了对于U50%的一般性结论,但是对于导线处在不同的高度以及不同的分裂情况下不能给出定量的求解公式,对于分裂导线表面连续先导起始判据的分析也并没有进一步应用到输电线路LPM雷电屏蔽分析当中。Rizk在文献中对分裂导线在不同间隙下的连续先导起始判据进行分析,并且与相关文献中的4、8和16分裂导线的实验数据进行对比,验证了其正确性,给出了如下的分裂导线在线板间隙下连续先导起始判据的计算公式:Ulc=22471+5.15−5.49lnaedln2(d+ae)ae。(1)Ulc=22471+5.15-5.49lnaedln2(d+ae)ae。(1)式中,Ulc为线板间隙下分裂导线子导线先导起始电压,kV;d为最下方子导线距离地面的距离,m;ae为分裂导线的等效半径,m。由于雷电过程中先导的起始与线—板间隙中的先导起始并不是完全相同的过程,雷电过程中,由于雷云背景静电场以及先导通道对空间电场的影响,使得子导线表面流柱产生的区域以及流柱等效空间电荷分布出现在靠上半部的子导线表面。如图1所示,h为分裂导线轴线距离地面的垂直距离;R为分裂导线的分裂半径;d0为子导线间距;r为子导线半径;d为流柱区域距离地面的垂直距离;P为流柱起始区域;Q为等效电荷位置。图1(a)为线—板间隙下,分裂导线子导线上表面流柱起始的区域,图1(b)则为雷电情况下分裂导线子导线上表面流柱起始的区域,显然两种情况下的流柱起始区域(P点位置)不同。在特高压输电线路中,由于杆塔架设的高度较高,分裂导线的h≫R,h≫ae,根据Rizk在文献中的分析,可以将间隙下的连续先导起始判据修正后使用到雷电引起连续先导的分析过程中。根据分裂导线中子导线表面先导起始位置的变化,对线—板间隙下判断分裂导线连续先导起始的电压公式进行修正:Ulc=22471+5.15−5.49lnae(h+d0cosπn)ln2(d0cosπn+h)aeUlc=22471+5.15-5.49lnae(h+d0cosπn)ln2(d0cosπn+h)ae。(2)修正后的分裂导线连续先导起始判据应用到雷电过程中分裂导线表面连续上行先导的起始判定。根据上述分析,对于特高压交流输电线路的分裂导线系统,在雷电过程中可以应用上式进行连续先导起始的判定。2特高压试验示范工程的规划设计结果利用修正后的分裂导线连续先导起始判据建立改进LPM首先对国内已经有成熟运行经验的500kV超高压输电线路的杆塔模型进行计算,500kV超高压杆塔采用文献中的500kV典型杆塔模型,杆塔及分裂导线的相关参数见文献。雷电参数取40.0雷电日,落雷密度对上海地区取为0.015次/(km2·d),广东地区为0.07次/(km2·d)。从表2的计算结果可见,与文献中所计算的雷电绕击跳闸概率和最大绕击电流都相同,并且平原地区和山区的改进LPM计算结果分别与我国上海地区0次/(100km·a)和广东地区0.246次/(100km·a)(40雷电日下的折算值)的运行经验相吻合。在500kV超高压交流分裂导线系统绕击跳闸概率与实际运行经验相吻合的基础上,对国内特高压试验示范工程采用的4种杆塔进行雷电绕击计算,杆塔的具体参数如图2所示。对特高压试验示范工程采用的4种杆塔计算时,由于国内晋东南—南阳—荆门1000kV线路段途经山西,河南和湖北3个省,线路全长643.8km,所经地区的雷电活动特性不同,为了更加准确地预测雷电绕击特性,根据全线线路走廊的雷电日以及落雷密度的监测数据,取平均雷电日为27,平均落雷密度为0.0475次/(km2·d)。平原地形下的计算结果如表3所示,中相和边相的最大绕击电流都<15kA,这对耐雷水平>30kA的特高压交流输电线路不会造成绕击跳闸。在地面倾斜角为20°时,对所采用的4种杆塔使用改进LPM进行仿真计算,结果如表4所示。表中可见绕击跳闸率非常小(ZMP1和ZMP2为拟用于平原线路的塔型,作为比较,如用于山区其最大绕击跳闸率可达约0.17次/(100km·a)),对地面倾斜角等于20°的山区线路雷电绕击危害也很小,这满足我国对特高压交流输电线路绕击跳闸率的设计要求0.1次/(100km·a)。不考虑交流运行电压影响时的计算结果如表4。与文献中500kV线路的计算结果相比,在考虑交流运行电压影响的情况下,500kV线路绕击跳闸率的计算值比不考虑运行电压影响时增大了10%,而对特高压线路,绕击跳闸率则增大约20%。对500kV线路(4分裂导线)和1000kV线路(8分裂导线),分别比较采用文献方法和本文方法的差别,500kV线路的绕击跳闸率计算值基本不变,而ZMP1和ZMP2型杆塔的1000kV线路绕击跳闸率增大了约20%。对于特高压交流输电线路,由于其重要性和安全运行的严苛要求,需要对输电线路局部的雷电屏蔽性能进行分析,以更好地评估线路的防雷性能。尤其当输电线路经过复杂地形时,线段的雷电屏蔽性能宜单独计算分析。对ZMP1和ZMP2塔型进行线路局部的雷电绕击分析,假设杆塔档距400m,雷电下行先导与导线间的侧距为60m,A、B、C、D分别为档距内导线上距离杆塔水平距离为0、50、150、200m处的输电线子线路段,在相同侧距下不同子线路段的雷电绕击电流如表5所示。3特高压绕击试验结果分析本文对特高压交流输电线路多分裂导线上行连续先导起始判据进行修正,建立了改进的LPM。应用改进后的LPM模型对我国500kV典型杆塔的架空输电线路进行了验证计算,改进后LPM的计算结果与实际运行经验相吻合。在此基础上对我国1000kV特高压试验示范工程的4种杆塔进行雷电绕击性能分析,以及线路局部屏蔽分析。计算表明:a)特高压试验示范工程线路在平原地区应不会发生绕击跳闸,即使在山区地形下最大绕击跳闸率也远小于限值要求,满足我国对高压输电线路的设计要求。b)与超高压线路相比,在平原地区,特高压线路中相和边相的最大绕击电流差别都不大;在山区,中相绕击电流与平原地区的中相绕击电流基本相同,边相最大绕击电流接近平原地区的2倍。c)与50