夏瑞
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摘要：为考虑雷击架空输电线路后，雷电流在避雷线、杆塔、接地网和土壤中的动态散流过程，建立了输电线路-杆塔-接地网一体化雷电全波电磁暂态模型，计算冲击接地电阻和反击过电压。基于全波电磁暂态模型，从冲击接地的概念出发，将土壤电阻率、雷电流波前时间和幅值对输电线路的影响直接反映在雷电过电压上，对雷电过电压与冲击接地电阻计算公式进行拟合。研究表明：波前时间减小和土壤电阻率增大均会使冲击接地电阻值与雷电过电压增大。不考虑火花效应时的冲击接地电阻值与雷电流幅值无关，雷电过电压随雷电流呈正比例增大。在进行接地网设计时，应考虑能使雷电过电压值下降的接地网射线的有效长度。
关键词：500kV输电线路；雷电过电压；一体化模型；冲击接地电阻；防雷
1前言
雷击引起的线路跳闸事故严重影响高压输电线路正常运行，500kV输电线路地处旷野，且地形、地势复杂，不少杆塔位于山顶或山脊，加上雷电活动频繁，极易遭到雷击。当雷电过电压大于绝缘子串雷电冲击耐压时，会影响线路的安全运行，供电可靠性也随之下降。各国学者在高压输电线路杆塔的雷电过电压分析方面，利用现场实测和计算机仿真等手段展开了许多工作，积累了大量经验，对于雷击过电压的计算分析，做了大量的研究。中国《电力设备过电压保护技术设计规程》中将杆塔视为一等值电感。规程法是一种简化的工程计算方法，基本上能满足中国较低电压等级线路的雷电反击设计要求，且应用起来简单方便。但是这种方法忽略了杆塔中的波过程，仅仅是采用电感模型模拟雷电流在杆塔上的传播，考虑的影响因素比较单一，有一定的局限性，特别是应用在高电压等级输电线路的计算分析时误差很大。蒙特卡洛法产生随机数来模拟实际雷电流、雷击部位、线电压等，在模拟试验的次数足够多时可以得到非常接近真实值的解答值。但是，目前条件下雷击中部位的闪络判据不好确定，这就使得对最后计算结果的准确性影响较大。行波法在雷电冲击电流到达杆塔后，将波在杆塔中的传播纳入考虑范围，同时还考虑了反射波在线路和杆塔中的传播。将杆塔分为若干段，同时把各小段等效为集中参数模型，运用集中参数节点分析法可以计算得出各个节点上的电压，得到电压在绝缘子串两端的变化规律。贝杰龙算法是行波法的推广延伸，该计算方法将分布参数线路波过程的求解方法和集中参数电路暂态过程求解方法相结合，得到化简的数学模型。
2线路-杆塔-接地极一体化模型
2.1杆塔模型建立
选取500kV输电线路典型杆塔型式酒杯塔模型进行建模。在建立ZVB21b酒杯型500kV杆塔模型时，严格按照酒杯塔杆塔几何结构、导体尺寸，在CDEGS软件的HIFREQ模块中建立杆塔模型。构成塔身的L型角钢在杆塔计算中模型建立较复杂，为简化模型，将L型角钢等效为圆柱形导体。通过ANSYS仿真计算得出，在高频雷电流下，电荷的集肤效应使电流沿导体外表面流动，因此采用周长等效法，将杆塔塔身角钢等效为15mm圆柱形导体。接地装置包括一个埋于地下0.8m深的方框带射线型接地网，方框边长为10m，4根射线长度为30m。
杆塔在经受雷击时，雷电流在建立的输电线路-杆塔-接地极一体化模型中会通过避雷线分流到相邻杆塔中，相邻杆塔接地网具有分流的作用。因此，需要确定建立一体化模型中杆塔的基数。采用杆塔档距400m，雷电流波形波前时间2.6μs，幅值为50kA，土壤电阻率取500Ω·m。选择合适的杆塔基数，分别计算杆塔基数为1基、3基、5基、7基和9基时，受雷击的杆塔横担上电位随时间的变化曲线。
2.2冲击接地电阻与雷击过电压计算
计算模型采用细线模型，杆塔塔身的栅格看作细线结构，各组成部分看作理想导体。一个杆塔系统被分解成横元，斜元，竖元等细线元的组合。每根细线元在计算时，需进行剖分成长度为△的单元段。模型中导体分段采用的原则为:
（1）单元段的长度△/r≥5，其中，r是细线的半径。
（2）单元段的长度△≤λ/6，其中，λ是雷电波最高频率对应的波长。
电流在杆塔各个分支流过，在其他各处得到相对应点的电位，该处的电压值除以电流值就可以得出杆塔的对应位置到激励源所在位置的阻抗。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通过计算可以得到杆塔引下线上的电流和电位，即得到接地网的电位和流过的雷电流，从而计算出冲击接地电阻值。同时计算出雷电流情况下的杆塔4根横担上的电位，得到的最大横担电压与输电线路运行电压之间的差值即为绝缘子串两端雷电过电压值。
3雷电过电压与冲击接地电阻关系
500kV输电线路长，地处旷野，且地形、地势复杂，通常经过的地方土壤电阻率变化很大。改变雷电流的波前时间会影响杆塔导体上电压峰值，且对电压波形的波峰波谷出现时刻也有一定的影响。同时雷击输电线路杆塔时，雷电流经杆塔和接地装置流入地下，对于横担电位值来说，雷电流幅值有十分大的影响。因此，本文分别计算在不同雷电流波前时间、土壤电阻率和雷电流
3.1雷电流波前时间影响
依据以往对雷电流的监测，本文中分别取波前时间为1.2μs、2.6μs、3.6μs、4.8μs和7μs，计算不同波前时间下的雷电过电压值。同时改变接地网的外延接地体长度来改变冲击接地电阻值。随着波前时间增大，冲击接地电阻值减小。接地网外延接地体长度为0m，在波前时间由1.2μs增大至7μs时，冲击接地电阻值仅减小0.84Ω，占2.65%。当外延接地体长度增加到40m，波前时间由1.2μs增大至7μs时，冲击接地电阻值减小了44.4%。外延接地体长度较短，即接地网的工频接地电阻值较大时，波前时间对冲击接地电阻值影响较小。随着波前时间的增大，绝缘子串上冲击电压降低程度较多。在接地网外延接地导体长度为0m，波前时间为7μs时雷电过电压比1.2μs时下降1347.74kV，降低了74%，这是由于横担与注流点距离较近，雷电流在杆塔上传播时，首先到达横担上，造成横担电压大幅度增加。而雷电流在7μs达到最大值时，横担上已经有从地面反射回的电压波，与入射波产生叠加。
3.2土壤电阻率影响
本文分别选取100Ω·m、500Ω·m、1000Ω·m和2000Ω·m的土壤电阻率进行分析计算。随着接地体外延射线长度增加，引下线上雷电流值呈现下降趋势。土壤电阻率为2000Ω·m时，冲击接地电阻值为22.75Ω对应的雷电过电压值为1899.92kV。相比之下，土壤电阻率为1000Ω·m时，冲击接地电阻值为23.3Ω对应的冲击电压值为1709.6kV。在冲击接地电阻降低0.55Ω时，雷电过电压反上升190.32kV，可以看出土壤电阻率在雷电过电压和接地电阻值关系间有着不可忽视的影响。同时随着外延接地体接近有效长度时，冲击接地电阻下降缓慢，雷电过电压几乎没有改变。因此，在接地网设计中，需要考虑到接地体散流的有效长度。
3.3以降低雷电过电压为目标的地网设计
在高土壤电阻率地区，由于地网散流困难，容易造成反击过电压过大而引起事故。本节以降低高土壤电阻率地区的绝缘子串两端电压为目标，对接地网进行设计。计算模型采用酒杯塔，架空地线材料为钢绞线，所处土壤电阻率为2000Ω·m。地网为方框带射线型式，方框边长25m，外延射线35m。杆塔塔脚与地网方框四角通过引下线相连接。此时接地网工频接地电阻值为23.19Ω。符合DL/T621-1997《交流电气装置的接地》标准中规定，土壤电阻率为2000Ω·m的地区工频接地电阻值应小于25Ω。型号为FXBW2-500/160的500kV复合绝缘子，结构高度为4450mm时，正极性50%雷电冲击放电电压U50%为2439kV。当雷电流达到50kA时，冲击接地电阻为25.58Ω时，绝缘子串两端反击过电压值达到2375.37kV，接近雷电冲击放电电压，在85kA时反击过电压达到3717.2kV，已超过U50%。由此可见，在大电流情况下，仅以工频接地电阻判断地网是否符合接地要求是不全面的，还需从冲击接地电阻角度考虑，对地网进行设计优化来降低反击过电压。
4结束语
将输电线路-杆塔-接地网进行一体化建模可以考虑到避雷线对雷电流分流作用的影响，同时能够体现接地体在土壤中散流的过程。接地网外延接地体长度未到达有效散流长度时，冲击接地电阻值仍然呈下降趋势，但雷电过电压值几乎没有下降。在进行接地网设计时，应考虑使雷电过电压值下降的有效长度。
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论文作者:夏瑞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/25
标签：过电压论文; 杆塔论文; 雷电论文; 电阻论文; 电压论文; 土壤论文; 电阻率论文; 《防护工程》2018年第32期论文;