基于ATP-EMTP的接地装置对输电线路耐雷水平影响的研究

付豪

(国网新疆电力公司,新疆乌鲁木齐 830000)

基于ATP-EMTP的接地装置对输电线路耐雷水平影响的研究

付豪

(国网新疆电力公司,新疆乌鲁木齐 830000)

杆塔接地装置的不同形式和冲击接地电阻值会直接影响输电线路的耐雷水平。本文采用ATP-EMTP软件仿真模拟雷电流冲击试验,对不同接地装置和不同雷电流注入点对输电线路耐雷水平的影响进行了研究。仿真结果表明,采用口字形接地极和水平放射型接地极能提高杆塔架空线路的耐雷水平,雷电流从接地装置的中点或四角同时注入时,接地装置能被充分利用,架空线路的耐雷水平更高。

接地装置耐雷水平ATP-EMTP

0 引言

输电线路杆塔的有效接地对于电力系统防雷和保障电力系统的正常运行具有重要意义。近年来随着超高压输电线路的建立和完善,杆塔高度大大增加,从而导致雷击杆塔率大大增加,为输电线路防雷带来了很大的压力。

雷直击与带避雷线的架空线路有三种情况,即雷击杆塔顶部、雷击避雷线档距中央和绕击导线。当雷击杆塔顶端时,线路耐雷水平与分流系数、杆塔等值电感、杆塔冲击接地电阻、导线与避雷线之间的耦合系数、绝缘子串的50%冲击闪络电压有关。在工程实际中,一般以降低冲击接地电阻和提高导线和避雷线间的耦合系数作为提高线路耐雷水平的主要手段[1]。接地装置的冲击接地电阻受多个因素共同影响,选取最有效的方式来降低冲击接地电阻能更经济更有效的提高线路的耐雷水平[2,3]。本文建立了雷电流、杆塔与接地装置的仿真模型,采用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP对相同材料下不同接地装置类型及不同的雷电流注入点对输电线路耐雷水平的影响进行了仿真研究,得出了一些结论。

1 ATP-EMTP中仿真模型的建立

1.1 雷电流模型

雷电冲击电流波形采用双指数波形,其解析表达式为:

1.2 杆塔模型

图1 雷电流波形图

本文采用Hara无损线杆塔模型[5],选取了一座220KV的输电线路双回鼓型耐张塔进行模拟仿真。根据杆塔各处尺寸大小的不同,采用相应的波阻抗计算公式计算杆塔每个部分的波阻抗,根据Hara的无损线杆塔模型,就可以搭建出一个完整的杆塔多波阻抗模型。

仿真中,雷电流从杆塔塔顶注入以模拟雷击杆塔时的情形,通过分析杆塔横担与绝缘子串连接处的电压峰值大小来分析不同接地装置及不同雷电流注入点对架空线路耐雷水平的影响。对于同一幅值的雷电流,在横担上产生的电压峰值越大,表示绝缘子串两端的电压越大,也越容易导致绝缘子发生绝缘闪络,引起雷击跳闸事故。

1.3 接地极模型

接地装置可以用若干段π型等值电路模型来进行模拟仿真,π型等值电路包含接地体自身电阻R,自身电感L,对地电容C,对地电导G四个部分[6,7],搭建的模型如图2。

π型等值电路的四个参数按如下公式计算:

图2 接地极π型等值电路模型

图3 四种不同形式的接地装置

接地体建模需要进行合理的分段,分段越多,越能精确的反应接地极的真实情况,但分段过多也会导致计算复杂和累计误差增加等问题。本文综合考虑各种因素,对水平接地极每一分段长度取4m,对其他形式的接地极取每一分段长度为2m。

2 接地装置对输电线路耐雷水平的影响

本文仿真采用了四种不同形式的接地电极进行仿真如图3所示,即水平接地电极、十字形接地极、口字形接地极和铁塔水平放射型接地装置。四种接地装置采用的材料总长均为64m,接地极直径、埋深、土壤电阻率等其他因素都保持相同。

2.1 水平接地电极

对水平接地极,仿真时计算了雷电流通过杆塔后经三种不同方式注入接地装置,即单端注入、中点注入和双端注入。仿真计算的各层横担电压如表1所示。

由表1所示的各层横担电压值变化可知,雷电流从中点注入和从双端同时注入时各横担电压差别不大,而只从一端注入时,同一层横担的横担电压要高出很多,耐雷水平也大大降低。对于同一种雷电流注入方式,横担电压从上层到下层依次递减,线路耐雷水平逐渐增加。仿真结果表明,当雷电流能均匀分布在接地极上时,接地极各处能够得到充分利用,架空线路的耐雷水平可以得到明显提升。

表1 水平接地极不同雷电流注入点时的横担电压

表2 十字形接地极不同雷电流注入点时的横担电压

表3 口字形接地极不同雷电流注入点时的横担电压

表4 水平放射型接地极不同射线长度时的横担电压

表5 不同接地装置的横担电压和冲击接地电阻

2.2 十字形接地极

对于十字型接地极,仿真计算时考虑了从中点注入和从射线四个端点注入两种情况,得到的结果如表2所示。

表2中的仿真结果表明,对于从中点注入和从四角注入两种不同的雷电流注入方式,上中下三层横担的电压均相差不大,且依次递减,这表明采用这两种不同的雷电流注入方式是基本等效的,都能将雷电流很好的释放到大地中,对于线路的耐雷水平没有明显影响,考虑到实用性,采用从中点注入雷电流更加方便。

2.3 口字形接地极

口字型接地极的仿真采用了从一个角注入雷电流、从对角注入雷电流和从四个角同时注入雷电流三种情况。三种不同方式的仿真结果如表3所示。

对于这三种不同的注入方式,从单点注入各横担电压最高,从对角注入次之,而从四个角同时注入时,各层横担电压最小。这个结果也表明,当电流在接地装置中分布的更均匀,对接地极各个部分利用更充分时,杆塔横担上电压更低,绝缘子串上的电压也更低,线路的耐雷水平则更高。

2.4 水平放射型接地极

采用ATP-EMTP软件进行仿真时,对水平放射型接地极从四个角同时注入雷电流,分析了在保证接地极总长度为64m时,图3中接地极方框边长a和射线长度b变化时的情况。仿真结果如表4所示,表4中第一行数字表示a+b的值。

表4的仿真结果表明,在保持接地极的总长度不变时,适当改变方框边长和射线长度的比例并不会对杆塔各层横担电压产生影响,也不会影响架空线路的耐雷水平。采用水平放射型接地极时,各层横担的电压都相对比较低,线路的耐雷水平较高。在实际应用中,可根据现场情况决定方框边长和射线长度。

2.5 不同接地装置对线路耐雷水平的影响

根据上面的仿真结果,可以对采用不同的接地装置时线路的耐雷水平进行对比。各种接地装置的横担电压和冲击接地电阻如表5所示,其中水平接地装置和十字形选择的是中点注入雷电流,口字形接地装置选择四角注入雷电流。

从仿真结果可以看到,对于这四种不同的接地装置,水平接地极的冲击接地电阻最大,而水平放射型接地极最小。杆塔的各层横担电压也是水平接地极最高,十字形次之,口字形和水平放射型最小且相差不大。因此,在实际应用中,当接地极材料一定时,应根据现场的实际情况优先选择口字形和水平放射型接地极,这两种接地极能在有限的材料下尽可能地提高架空线路的耐雷水平,对保障输电线路的供电可靠性有重要作用。从数据也可看出,随着冲击接地电阻的减小,各层横担电压也在减小,耐雷水平不断增加,所以降低输电线路的冲击接地电阻也是一个提高输电线路耐雷水平的重要措施。

3 结论

(1)水平接地极、十字形接地极、口字形接地极和水平放射接地极这四种接地装置,在接地极总长相同时采用后两种接地装置的杆塔架空线路耐雷水平较高。(2)雷电流注入点应优先选择在接地装置的中点或四角同时注入,尽可能使雷电流在接地装置中均匀分布以充分利用接地装置,能够提高架空线路耐雷水平。

[1]解广润.电力系统过电压[M].1985年6月第1版.水利水电出版社,1983.

[2]陈加清,周璧华,赵斐,等.辐射状接地体冲击接地阻抗特性的实验[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2010,11(2):142-146.

[3]杨琳,吴广宁,田晓菲.基于EMTP的水平接地体冲击时-频特性分析[J].电工技术学报.2011(06):194-198.

[4]孙建虎,刘颖芳,尹平.雷电流数学模型分析[J].后勤工程学院学报,2012(02):86-91.

[5]Hara T,Yamamoto O.Modelling of a transmission tower for lightning-surge analysis[J].IEE Proceedings-Generation,Transmission and Distribution.1996,no.3(vol.143):283-289.

[6]叶海峰.雷电流流过接地电极时的冲击特性研究[D].华中科技大学,2007.

[7]徐伟.考虑火花效应时杆塔接地装置冲击特性的研究[D].华中科技大学,2008.