・44・ 电力系统及其自动化学报 2007年l2月 接地电阻有困难的线段,可较大地提高安装避雷器 器的伏安特性采用IEEE推荐的频率相关模型来 模拟E123。杆塔作为分布参数来处理,杆塔的冲击波 阻抗取150 Q,波速度取225 m/p.s E¨],而绝缘子闪 络采用压控开关来模拟 “ ,雷电流波形按规程取 段线路的耐雷水平。 2 线路避雷器工作原理 蕊 卜一n — 线路耐雷水平主要与四个因素有关:线路绝缘 为2.6/50 t,s的斜角波。 子的5O%放电电压 。 ,有无避雷线,雷电流强 度,杆塔的接地电阻。其中, 。 是一定的,雷电流 4 避雷器不同安装方式对耐雷水平的影响 强度与地理位置和气候条件相关。目前常用的llO 利用EMTP仿真计算时,构造一条9基杆塔的 kV均有避雷线,没有安装避雷器的杆塔遭受雷击 线路,杆塔排列如图2所示。假设雷击杆塔l,杆塔 时,一部分雷电流通过避雷线流到相邻杆塔,另一 接地电阻从lO~100 Q变化。由于雷击时间短, 部分雷电流经杆塔流地。 8#、9#杆塔之外用10 km长线模拟,不考虑反射 加装避雷器后,当输电线路遭受雷击时,雷电 波影响。重点研究在一个杆塔上安装不同支数避雷 流超过一定值后,避雷器动作加入分流,大部分的 器及多基杆塔上安装不同支数避雷器提高耐雷水 雷电流从避雷器流人导线,传播到相临杆塔。由于 平的效果。 避雷器的残压低于绝缘子串的5O 放电电压,即 使雷击电流增大,避雷器的残压稍有增加,绝缘子 . 』 .,L . 。 :-L .L 仍不会发生闪络。雷电流过后,流过避雷器的工频 1 1 1 1 1 1 1 1绝绣 j g g 兽 f 三 j 苎 续流仅为毫安级,且在第一次过零时熄灭,线路断 路器不会跳闸,系统恢复到正常状态_1 。这也是线 7 5 3 1 2 4 6 8 路避雷器进行防雷的主要特点。 工 J 』 .,J J r J ,J J 冲击 3 系统仿真模型的建立 ' ’ 1 电 图2 杆塔排列方式示意图 首先须建立系统模型。EMTP(electromagnetic Fig.2 Sketch of tower arrangement transient program)是目前进行雷击线路电磁暂态分 析的常用工具[1 ,在此采用EMTP进行了仿真分 (1)l基杆塔安装不同支数避雷器 析。常用的llO kV输电线路结构如图l所示,计算 图3所示为雷击l#杆塔时,线路避雷器不同 仿真模型为110 kV双避雷线,导线水平排列,档距 安装方式与耐雷水平的关系图。 7m 4 杆塔接地电阻值,n 图3 1#杆塔避雷器安装方式与耐雷水平 Fig.3 Relations between arresters installation modes and lightning withstand level of tower 1# 图1 110 kV输电线路结构示意图 由图3可见,杆塔接地电阻对输电线路耐雷水 Fig.1 Sketch of 1 10 kV transmission line 平都有很大的影响。随着杆塔接地电阻的增加,输 为300 rll,导线型号为LGJ-400,弧垂5.3 ITI,避雷 电线路耐雷水平逐渐减小。 线型号G5—50,弧垂2.8 1TI,线路的电感和电容等参 同一杆塔接地电阻值,对于不同的避雷器安装 数均取高频10。Hz时的参数,导线线路的电气参数 形式,线路的耐雷水平有所不同。随着避雷器安装 采用已有的线路参数计算程序进行计算。线路避雷 个数的增加,线路耐雷水平随之增加。只安装1支 避雷器方式时,由于其它两相没有安装避雷器,在 维普资讯 http://www.cqvip.com 第19卷第6期 吴广宁等:采用避雷器提高青藏铁路110 kV输电线路耐雷水平 ・45・ 雷击杆塔顶端时易发生闪络,所以线路耐雷水平变 化不明显;安装A、B相与安装A、C相比较,后一种 安装方式的耐雷水平高,这是因为导线在水平排列 时,中相导线的耦合系数大于两个边相导线的耦合 系数,而耦合系数越大感应导线与被感应导线之间 的电位差越小,因此中相绝缘子串两端的电位差低 于边相绝缘子串的电位差,边相比中相更易闪络。 由图3同时可以看出,无避雷器时,在杆塔接 地电阻小于20 Q时,才可以满足国标中110 kV线 路的耐雷水平要求。安装避雷器以后,杆塔接地电 阻允许值也提高。当在A、C相即两个边相安装2个 避雷器后,该基杆塔接地电阻最高允许值可达到 35 Q,从而显著地降低施工难度和施工量。故可以 考虑在杆塔A、C相各安装一只避雷器以最大化地 提高线路耐雷水平。 、 (2)多基杆塔安装不同支数避雷器 上面主要分析了在受雷塔安装避雷器的防雷 效果分析,目前雷击点的确定方式还不成熟,是否 击中特定杆塔还不能准确确定,虽然有些学者提出 了雷击模型,但是其计算准确性还需进一步地分析 研究。同时仿真研究表明,避雷器只能保护安装避 雷器杆塔,对于临近未安装避雷器的杆塔无保护效 果。为了保证青藏铁路输电线路的正常运行,需整 体考虑线路的防雷效果。下面分析在全线杆塔A、 C相安装避雷器方式时的耐雷效果。计算结果如图 4所示。 35 30 姜25 20 蒿 s 趁l0 5 杆塔接地电阻值/n 图4 A、C相安装避雷器与无避雷器耐雷水平 Fig.4 Arresters installed in phase A and C compares with no arresters 由图4可见,110 kV输电线路全线如仅仅依 靠2根避雷线进行防雷保护时,耐雷水平处于一个 较低的水平。当杆塔接地电阻超过20 Q后,其耐雷 水平就降到40 kA以下,达不到规范耐雷水平40 kA的最低要求,满足不了设计要求。在全线杆塔 A、C相各安装一支避雷器后,输电线路耐雷水平 显著提高,使得杆塔接地电阻允许值明显提高。当 杆塔接地电阻值达到65 Q时,线路耐雷水平也在 70 kA以上,符合设计规范的要求。同时为了得到 青藏铁路沿线杆塔接地电阻实际值,作者2005年4 月对望昆车站附近的杆塔接地电阻进行了现场测 量,望昆车站位于青藏高原多年冻土地区,海拔在 4500 m左右,现场测量结果表明,杆塔接地电阻值 平均在55 Q左右,按此值计算,对于110 kV输电 线路在全线杆塔采用A、C相各安装一个避雷器的 方式完全可以满足该线路的安全要求。 5 避雷器放电电流和吸收的雷电放电能量 线路避雷器靠泄漏雷电能量来提高输电线路 的耐雷水平,但在实际运行中,雷电过电压可能会 导致避雷器出现最高工频电压击穿而失效。青藏铁 路输电线路经过大片的无人区,对于避雷器检查更 新极为困难。为了保证避雷器的可靠性,有必要对 线路避雷器通流容量进行分析和计算,确定避雷器 通流容量的选择原则。下面主要分析不同杆塔接地 电阻与通过避雷器的放电电流和避雷器吸收能量 的关系。 (1)避雷器的放电电流 图5所示为110 kV双避雷线路,受雷塔接地 电阻与流经避雷器的放电电流的关系图。按前面分 析,在A、C相各安装一相避雷器。由于青藏铁路沿 线雷电流幅值较小,雷电流幅值概率分布公式按 lgP一一1/44计算,雷电流幅值超过100 kA的概率 小于1 。为了分析较为严重情况下避雷器性能变 化情况,在此选取雷电流幅值I…一100 kA。 杆塔接地电阻值/n 图5 受雷塔接地电阻与避雷器放电电流的关系 Fig.5 Relations between tower ground resistance and discharging current through arrester 由图5可知,随着杆塔接地电阻的增加,通过 避雷器的雷电放电电流也增加,避雷器的分流效果 也就越明显,基本上随着杆塔接地电阻呈线性增 长。当杆塔接地电阻较小时,如小于20 Q,仅有 10 左右的电流通过避雷器,故避雷器放电电流 维普资讯 http://www.cqvip.com
・46・ 电力系统及其自动化学报 2007年12月 较小;当杆塔接地电阻较大时,如大于5O 0,雷电 装一相避雷器以提高整个线路的耐雷水平。 (3)避雷器的放电电流和吸收能量与杆塔接 流难以通过杆塔快速地入地,此时通过避雷器流入 导线的电流比例增加,可达到35 ,从而有助于雷 地电阻成正比关系。受雷塔接地电阻越大,避雷器 电流的快速散流,保障了线路的正常运行。 (2)避雷器吸收的能量 雷电流流经氧化锌避雷器时避雷器吸收的能 的放电电流和吸收的能量越大。对于青藏高原地区 的雷电流而言,我国生产的避雷器完全可以承受雷 电放电和吸收能量等安全要求。 量为 一 ∽ )出 式中:i(f)、 (f)为避雷器的雷电放电电流及作用 在其上的电压;f为雷电流在避雷器上作用的时间。 图6所示为110 kV双避雷线,受雷塔接地电 阻与避雷器吸收能量的关系,雷电流幅值I=100 kA。由图6可以看出,随着杆塔接地电阻的增加, 避雷器吸收能量也增大,基本上两者成线性增长关 系。因避雷器吸收能量与所流过的放电电流成正 比,故图6变化趋势与图5相似。我国生产的11O kV氧化锌避雷器额定电压为100 kV,其阀片能量 吸收能力为3kJ/kV,极限吸收能力为9.2 kJ/kV。 图6中当杆塔接地电阻为100 0时,避雷器的吸收 能量最大为4O kJ,转换成每千伏额定电压吸收的 雷电能量为0.4kJ/KV。从最严重的情况考虑,避 雷器完全能够承受雷电放电要求 图6 受雷塔接地电阻与避雷器吸收能量的关系 Fig.6 Relations between tower ground resistance and arrester energy 6 结论 (1)青藏铁路沿线雷暴活动频繁、地形复杂、 土壤电阻率高,常规的防雷措施受到了很大的限 制,可采用线路避雷器提高输电线路的耐雷水平, 提高杆塔接地电阻允许值降低现场的施工难度。 (2)杆塔接地电阻对输电线路耐雷水平有很 大的影响,杆塔接地电阻越大,耐雷水平越低。对比 经济效益和防雷效果,可以看出在A、C相各安装 一支避雷器的效果最好。由于避雷器只能保护自身 杆塔,建议在易遭受雷击的多基杆塔A、C相各安 参考文献: [1] 钱冠军,王晓瑜,丁一正,等(Qian Guanjun,Wang Xiaoyu,Ding Yizheng,et a1).500kV线路直击雷典 型事故调查研究(Investigation of typical direct lightning strike incidents on 500kV lines)I-J].高电 压技术(High Voltage Engineering),1997,23(2):72 —74,83. [2] 任晓娜,吴广宁,付龙海,等(Ren Xiaona,Wu Guangning,Fu Longhai,et a1).采用避雷器后输电 线路仿真模型的建立及应用现状(Research on transmission line system simulation models with line arrester and its application)[J].电瓷避雷器 (Insulators and Surge Arresters),2005,48(5):26 —29,34. [3] 陈水明,何金良,吴维韩,等(Chen Shuiming,He Jinliang,Wu Weihan,et a1).采用氧化锌避雷器提 高220kV线路耐雷水平的研究(Study on adopting ZnO arrestor to increase lightning withstand level of 220kV transmission line)I-J].高电压技术(High Voltage Engineering),1998,24(3):77—82. [4] 中科院兰州高原大气物理研究所(Institute of Plateau Meteorology Physics,China Academy of Sciences).青藏铁路格拉段雷暴活动规律的分析 (The Regular Analysis of Thunderstorm Activity in Qinghai—Tibet Railway Ge—La segment)I-R].兰州: 专题报告(Lanzhou:Special Report),1977. [5] 铁道第一勘察设计院(First Survey and Design Institute of Railway).新建铁路青藏线综合地质报 告(The Synthetic Geological Report Along Qinghai~ Tibet Railway)[R].兰州:专题情报(Lanzhou: Special Report),2001. [6] 付龙海,吴广宁,王颢,等(Fu Longhai,Wu Guangning,Wang Hao,et a1).青藏铁路格拉段雷 ・ 暴活动与防护原则的研究(Study on thunderstorm activity and lightning protection principle of Ge’Ermu tO Lasa segment within Qinghai—Tibet railway)[J].电力系统及其自动化学报 (Proceedings of CSU—EPSA).2006,18(2):22— 26. -173王颢,付龙海,吴广宁,等(Wang Hao,Fu Longhai, 维普资讯 http://www.cqvip.com 第19卷第6期 吴广宁等:采用避雷器提高青藏铁路110 kV输电线路耐雷水平 ‘47。 (上接第11页) [9] 谢晓锋,张文俊,杨之廉(Xie Xiaofeng,Zhang Wenjun,Yang Zhilian).微粒群算法综述(Overview of particle swarm optimization)[J1.控制与决策 (Control and Decision),2003,18(2):129—134. 制与决策(Control and Decision),1999,14(3):285 288. [141 高鹰,谢胜利(Gao Ying,Xie Shengli).混沌粒子群 优化算法(Chaos particle swarm optimization algorithm)[J].计算机科学(Computer Science), 2004,31(8):13—15. [101 Eberhart R,Shi Y.Comparing inertia weights and constriction factors in particle swarm optimization [c]//Proceedings of the 2000 Congress of Evolutionary Computation,IEEE Service Center, California,USA:2000,84—88. [15] 张伯明,陈寿孙.高等电力网络分析[M1.北京,清华 大学出版社,1996. [1 6] 郭亚利,文劲宇(Guo Yali,Wen Jinyu).一种新型的 电力系统无功优化算法(A new power system reactive power optimization algorithm)[J].电力勘 测设计(Electric Power Survey and Design),2005, 12(1):66—70. [11] 吕振肃,侯志荣(Lii Zhensu,Hou Zhirong).自适应 变异粒子群优化算法(Particle swarm optimization with adaptive mutation)[J].电子学报(Acta Electronica Sinica),2004,32(3):416—420. [121李兵,蒋慰孙(Li Bing,Jiang Weisun).混沌优化方 法及其应用(Chaos optimization method and its 作者简介: 赵国波(1985一),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系 application)[J].控制理论与应用(Control Theory and Application),1997,14(4):613—615. 统优化运行与控制。Email:sailor0727@gmail.corn 刘天琪(1962一),女,博士,教授,主要研究方向为电力系统 [131张彤,王宏伟(Zhang Tong,Wang Hongwei).变尺 度混沌优化方法及其应用(Mutative scale chaos optimization algorithm and its application)[J].控 稳定与控制、高压直流输电、调度自动化。Email:tqliu @sohu.corn
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