地线融冰绝缘架设对线路工频短路电流分流影响仿真

马御棠,王磊,马仪,崔光鑫

(1.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；2.云南电网公司昭通供电局,云南 昭通 657000)

地线融冰绝缘架设对线路工频短路电流分流影响仿真

马御棠1,王磊1,马仪1,崔光鑫2

(1.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；2.云南电网公司昭通供电局,云南 昭通 657000)

为解决输电线路覆冰问题,直流融冰技术在电网得到了广泛的应用。要在避雷线上加融冰电流,避雷线必须采用较大间隙进行绝缘化架设,这将改变输电线路网络结构,对短路电流的分配产生影响。本文以500 kV超高压线路避雷线绝缘化为例,试验分析避雷线绝缘子的电气性能；利用ATP-EMTP仿真软件建立仿真模型,对比仿真分析全线绝缘避雷线和直接接地避雷线工频短路电流分流情况,分析了杆塔接地电阻、杆塔档距、避雷线型号对避雷线分流系数的影响。这将会为满足融冰需要进行地线绝缘化改造和设计提供一定的理论支持和参考。

直流融冰；绝缘避雷线；避雷线分流系数；短路电流

0 前言

近年来,极端天气导致高寒地区输电线路覆冰严重,线路覆冰后由于线路荷载过重、不均匀脱冰、覆冰导线舞动等会造成输电线路倒杆、断线事故[1-2]。当架空避雷线上的覆冰达到一定程度后,会造成弧垂不足对线路放电、杆塔荷载不够导致避雷线支架受损、避雷线断股断线等情况发生,危及电力系统的正常运行[3-4]。输电线路融冰是应对电网大面积覆冰的有效措施。直流融冰在南方电网取得了较好的效果,得到了广泛应用[5-6]。避雷线因为直接接地,无法直接进行直流融冰,为了能使避雷线能够进行直流融冰,对架空避雷线进行绝缘化改造或绝缘化设计以满足直流融冰的需要[7],目前,在云南电网输电线路覆冰严重的主要在滇东北地区,采用直流融冰方式对避雷线进行融冰主要集中在昭通供电局。绝缘避雷线既要满足直流融冰时,对地不放电；又要满足正常运行时感应过电压不击穿,同时还不能对输电线路的耐雷水平产生较大影响。这与传统线路为满足节能需要,采用分段绝缘方式有很大的不同[8-11]。避雷线采用长间隙全线绝缘架设后对短路电流分布的研究较少。

高压架空输电线路一般都长达几十至几百千米,所用杆塔数目较多,杆塔和绝缘避雷线构成的网孔结构复杂。本文选用基于相分量原理的电磁暂态分析程序ATP-EMTP进行仿真计算,利用其图形预处理程序ATPDraw建立实际线路计算模型,进行融冰绝缘避雷线短路电流避雷线分流系数的仿真研究。

1 仿真模型

1.1 融冰地线绝缘间隙及其电气性能

避雷线绝缘化后避雷线绝缘子、间隙的电气性能进行试验是进行输电线路短路电流分析的基础。为得到避雷线绝缘子及间隙的电气性能,在超高压试验基地对加装间隙的复合绝缘子按要求进行了电气性能试验[12-13],试验结果如表1所示,可以看出,绝缘子的直流耐压及直流闪络电压分别是间隙的直流耐压及直流击穿电压的2.7和2.3倍。直流融冰装置对避雷线的融冰电压根据避雷线长短有所不同,一般情况下不超过30 kV,可见绝缘子和间隙的绝缘配合均能满足直流电压融冰要求。

表1 复合绝缘子及间隙试验数据

1.2 输电线路短路模型

超高压输电线路正常运行时,流过杆塔和避雷线的电流非常小,基本为零。当输电线路发生短路时,短路电流将从杆塔和避雷线分流。避雷线的分流系数被定义为当发生接地故障时,短路点处流过避雷线的电流与短路点的总电流的比值。避雷线的分流系数能够准确有效的反应当线路发生故障时,避雷线与杆塔的分流情况,避雷线的分流系数是输电线路发生单相短路故障时的重要参数。

输电线路短路模型如图3所示,其中：Ji、Ji'表示对应杆塔的绝缘避雷线间隙；Ri为接地电阻(其中i=1,2,3,.....n)；R0、R0'为两端变电站地网电阻；Ik为短路点的全部短路电流；Ik1、Ik2为两边变电站供给短路点的短路电流；Id1、Id2为流经避雷线返回变电站的短路电流；Iz1、Iz2为流回变压器接地中性点的短路电流；I1、I2为流经变电站地网的短路电流。

图1 绝缘避雷线短路模型

1.3 仿真条件

以云南电网昭通供电局500 kV线路为例进行仿真,仿真的基本假设条件为土壤电阻率取为200 Ω·m,变电站接地网等效电阻0.5 Ω,每档线路档距为500 m,每基杆塔接地电阻15 Ω,杆塔为直线塔,呼称高度30 m,导线型号为4×JL/ G1A-400/50-54/7,分裂间距400 mm,导线水平排列,间距10 m,避雷线采用一根避雷线一跟光缆形式,避雷线型号为LBGJ-120；光缆为OPGW -100,避雷线间距13 m,避雷线杆塔处挂点高度为45 m,仿真步长取为5 ns。利用已建模型,假设短路点在变电站附近4 km(8基杆塔)处避雷线分流情况进行了仿真。

2 避雷线输电线路的短路电流分析

2.1 避雷线输电线路短路电流分配规律分析

经过仿真计算,避雷线和故障杆塔分流情况见表2和图2：

表2 故障点短路电流分配情况

图2 杆塔和避雷线电流波形

从仿真情况可以看出,不管是避雷线直接接地还是采用全绝缘方式,当绝缘避雷线的输电线路发生单相接地短路故障时,故障电流主要由避雷线分流,只有很小的一部分经过杆塔流入大地,避雷线直接接地分流比避雷线绝缘架设的分流比例略大。

2.2 绝缘避雷线不同距离处杆塔的分流情况

当第8基杆塔发生短路故障时,在ATP中仿真得到第5、6、7、8、9、10基杆塔中的电流值如表3

表3 短路后不同杆塔处分流情况

由上表可知,不管避雷线是否绝缘,流过故障塔的短路电流是最大的,以故障塔为中心,故障塔两端的杆塔随着离故障塔距离的增大,流过这些杆塔的短路电流也在减小。避雷线直接接地总的短路电流和杆塔入地电流的值都小于全线避雷线的绝缘的值,参与分流的杆塔更多,因为绝缘间隙的存在,避雷线在隔几基杆塔后杆塔不在参与分流。

3 避雷线短路电流分流系数影响

为了对比直接接地避雷线和绝缘架设避雷线,建立了直接接地避雷线输电线路模型。分流系数与输电线路杆塔接地电阻、线路的档距以及避雷线的选择有很大的关系,在此研究分流系数与这三者之间的关系。

3.1 杆塔接地电阻值的影响

改变输电线路杆塔接地电阻值,保持其他仿真条件不变,得到避雷线分流系数随接地电阻变化规律如图3。

图3 接地电阻与分流系数的关系

由图可知,随着接地电阻的增大,避雷线的分流系数在增大,绝缘架设后避雷线的分流系数在相同条件下略小。随着杆塔接地电阻大于40 Ω后,避雷线分流系数随杆塔接地电阻增大比较缓慢。

3.2 杆塔档距的影响

改变实际输电线路档距,保持其他仿真条件不变,得到避雷线分流系数随输电线路档距变化规律如图4所示。

图4 档距与分流系数的关系

由图可以看出随着杆塔档距的增大,避雷线的分流系数在减小。相同条件下绝缘架设后避雷线的分流系数小于直接接地避雷线分流系数。在杆塔档距从200 m～800 m,绝缘避雷线和直接接地避雷线下降速度相似。

3.3 避雷线型号的影响

保持一根避雷线为OPGW-100,改变另一根避雷线型号,即改变了其直流电阻,保持其他仿真条件不变,得到避雷线分流系数避雷线型号变化规律如图5。

图5 直流电阻与分流系数的关系

由图看出,随着直流电阻的增大,避雷线的分流系数在不断减小。相同条件下,绝缘架设后避雷线的分流系数小于直接接地避雷线分流系数。当直流电阻大于2.5 Ω/km后,绝缘避雷线分流系数下降速度大于直接接地避雷线分流系数下降速度。

4 结束语

以云南电网实际运行的输电线路为参考,利用ATP-EMTP仿真软件,对比仿真分析了融冰地线绝缘架设与常规避雷线之间接地两种情况下发生工频短路时避雷线的分流情况,通过仿真,结论如下：

1)避雷线绝缘架设导致相同条件下短路电流略有增大,但避雷线的分流系数却略有减小。

2)杆塔的分流情况离短路点越远,分流越小,但地线绝缘架设因绝缘间隙的存在,一定距离后杆塔不在参与分流。绝缘避雷线输电线线路中总的短路电流和杆塔入地电流值较大。

3)避雷线分流系数随着接地电阻增大而增大,增大到一定程度后将变化很小。避雷线分流系数随着避雷线型号和杆塔档距增大而减小。

[1] 孙才新,蒋兴良,熊启新,等.导线覆冰及其干湿增长临界条件分析 [J].中国电机工程学报,2003,23(3)：141 -145.

[2] 李庆峰,范峥,吴穹,等.全国输电线路覆冰情况调研及事故分析 [J].电网技术,2008,32(9)：33-36.

[3] 蒋兴良,易辉.输电线路覆冰及防护 [M].北京：中国电力出版社,2002：15-38.

[4] 黄新波,刘家兵,蔡伟,等.电力架空线路覆冰雪的国内外研究现状 [J].电网技术,2008,32(4)：23-28.

[5] 侯慧,尹项根,陈庆前,等.南方部分500 kV主网架2008年冰雪灾害中受损分析与思考 [J].电力系统自动化, 2008,32.

[6] 傅闯,饶宏,许树楷,等.输电线路融冰技术研究与应用评述 [J].南方电网技术,2012,6(3)：33-37.

[7] 陈义刚,范松海.架空避雷线的绝缘化改造及融冰方法[J].四川电力技术,2012,35(3)：74-76.

[8] 吴伯华,张孝军,方瑜.超高压线路绝缘避雷线的研究[J].中国电力,1997,30(3)：11-12.

[9] 赵仁栋.对绝缘避雷线空气间隙大小的看法 [M].高电压技术,1982.3.

[10] 蒋陶宁,李军,孙成秋,等.交流特高压输电线路复杂避雷线系统单相短路电流的计算 [J].电网技术,2011, 35(10)：16-21.

[11] 宋立军,蒋陶宁,邹军,等.特高压交流输电线路避雷线绝缘间隙电压的研究 [J].电网技术,2013,37(3)：686-691.

[12] 全国带电作业标准化技术委员会.GB/T 16927.1—1997高电压试验技术,第一部分：一般试验要求 [S].北京：中国标准出版社,1997.

[13] 司马文霞,叶轩,谭威,等.高海拔220 kV输电线路绝缘子串与并联间隙雷电冲击绝缘配合研究 [J].中国电机工程学报,2012,32(10)：168-176.

Research on Fault Current Distribution of Insulated Ground Wire in Transmission Line

MA Yutang1,WANG Lei1,MA Yi1,CUI Guangxing2
(1Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China；2 Zhaotong Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid,Zhaotong,Yunnan 657000,China)

Direct Current(DC)melting ice is one of the effective measures to solve overhead transmission line icing.Insulated ground wire becomes precondition of DC melting ice.In this paper,the actual insulated ground wire of 500 kV extra high voltage transmission?line is taken as research object,analyze electrical performance when its insulation by experiment.Using electromagnetic transient analysis program EMTP to establish a line of insulated grounding wire and directly grounding wire transmission line model,simulate lightning line short-circuit current shunt coefficient and discuss the impact of the tower grounding resistance,tower span to grounding wire shunt model coefficients on.It has a certain reference to run and design insulated ground wire,potential's increase tower,the economic and rational design of power grid and so on.

DC melting ice；insulated ground wire；gap breakdown；fault current

TM75

B

1006-7345(2015)01-0113-04

2014-10-24

马御棠 (1986)男,硕士,云南电网公司电力科学研究院,从事防雷与接地相关工作 (e-mail)hvmyt＠qq.com。