输电线路杆塔接地电阻对线路反击跳闸率影响研究

(1.云南电网有限责任公司丽江供电局，云南 丽江 674100；2.云南宇恬防雷材料有限公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

近年来，超、特高压输电线路的规模迅速扩展，由于不同地理条件和输电走廊宽度的限制，线路杆塔的形式也多种多样[1-3]。输电线路规模的扩大，在雷害高发区域，线路遭受雷击事故的概率将随之增加，雷击不仅会引起线路跳闸导致供电中断，同时也对电网安全稳定运行造成影响。因此针对不同塔型线路的耐雷性能分析就显得格外重要[4-8]。

由于超、特高压输电线路的里程比较长，其杆塔跨越的地理环境差异很大，故在一条线路中，杆塔的接地电阻存在很大差别[9-10]。根据DL/T 620-1997[11]标准的相关内容可以看出，绕击跳闸率主要与杆塔高度以及地线保护角等有关，并没有具体分析接地电阻对反击跳闸率的影响。然而杆塔接地电阻是最直接影响杆塔反击耐雷水平和反击跳闸率的因素。在同一走廊的输电线路杆塔包含不同类型的塔头，从而不同类型塔头可能处于不同大气环境和土壤环境中，杆塔接地电阻存在很大差异。因此有必要对不同塔头类型的杆塔在不同接地电阻值下的耐雷水平和反击跳闸率进行研究。其实，针对线路反击有多种分析方法，但每种方法都有其对应的适用条件，因此对线路耐雷水平进行研究时需要考虑具体的现场运行环境，建立合适的反击模型[11-15]。

下面建立了猫头塔、酒杯塔以及鼓形塔的仿真模型，并分析了3种模型条件下接地电阻对线路耐雷性能的影响，重点研究了3种塔头模型的跳闸率，定量分析了塔型对反击跳闸率的影响程度。

1 输电线路反击耐雷模型

1)雷电流模型

雷电流模型采用的Heidler模型，波形取2.6/50 μs，模拟表达式为

(1)

式中：I0为雷电流幅值；n为电流陡度因子；tf为波前时间；th为波长时间。根据公式(1)拟合的雷电流曲线如图1所示。

图1 雷电流波形

2)杆塔模型

采用单波阻抗模型，波阻抗默认值取为规程推荐的150 Ω，杆塔波速计算公式一般取：

(2)

式中：c为光速，取3×108m/s；H为杆塔高度，m；L为最长横担长度，m。

3)绝缘子串的闪络模型

交流输电线路采用JMarti架空线模型，并采用绝缘子串压降分布与伏秒特性曲线的对比来分析闪络发生情况，如图2所示。

图2 闪络判断方法

4)感应电压

采用场抵消法的简化算法，感应电压波形为

(3)

式(3)中的感应电压最大值计算公式为

(4)

式中：hc为导线对地平均高度；k为修正系数，k=k0k1，k0为避雷线对导线的几何耦合系数，k1为电晕修正系数。

5)反击跳闸率的计算

线路的反击跳闸率可表示为

N1=NηgPI1

(5)

式中：η为建弧率；g为击杆率；PI1为雷电流超过I1的概率；N为每年每100 km线路雷击的总次数。

2 猫头塔反击跳闸率分析

2.1 线路参数

搭建500 kV用猫头塔，模型结构如下所示：

杆塔：塔型DFZ1，呼高32.5 m。

绝缘子串：类型XP-160。

导线：型号LGJQ-300，直流电阻0.108 Ω/km，4分裂，导线半径2.37 cm。

地线：型号LBGJ-120-40AC，地线半径1.425 cm，直流电阻0.360 6 Ω/km

大地：土壤电阻率1000 Ω·m。

2.2 仿真模型

ATP仿真模型如图3和图4所示。

图3 500 kV猫头塔与酒杯塔仿真模型

图4 500 kV猫头塔与酒杯塔线路电路仿真模型

2.3 猫头塔反击耐雷性能分析

图5 猫头塔反击耐雷性能分析

对典型猫头杆塔进行仿真计算，接地电阻从5 Ω到50 Ω范围内，每次增加5 Ω，计算结果如图5所示。当电阻由5 Ω增加到15 Ω，反击耐雷电流由146 kA降至138 kA；当由35 Ω递增到45 Ω时，耐雷水平由123 kA下降至108 kA，降值由5.5%升至12.2%；当电阻在更大范围内增加，反击耐雷水平下降得更快。

此外，当电阻值由5 Ω上升到15 Ω，反击跳闸率从0.243 5上升到0.300 2，上升了23.3%；电阻值由35 Ω上升到45 Ω，线路反击跳闸率从0.444 5上升到0.658 2，上升48.1%；当电阻在更大范围内递增时，反击跳闸率增加的陡度会更大。

3 酒杯塔反击跳闸率分析

3.1 线路参数

搭建500 kV酒杯塔模型，模型参数如下所示。

杆塔：塔型ZB1，呼高36 m

绝缘子：型号XP-160

导线：型号LGJ-300/25，直流电阻0.0943 3 Ω/km，4分裂，导线半径2.376 cm

地线：型号GJ-70，地线半径1.425 cm，直流电阻0.360 1 Ω/km

大地：土壤电阻率1000 Ω·m

3.2 仿真模型

500 kV酒杯塔仿真模型及交流线路放着模型与猫头塔类似，主要差异在于各模块之间的几何尺寸，从而表现出阻抗的差异。

3.3 酒杯塔反击耐雷性能分析

图6 酒杯塔反击耐雷性能分析

对典型酒杯塔进行仿真计算，接地电阻取从5 Ω到50 Ω范围内，每次增加5 Ω，分析结果如图6所示。反击耐雷水平由5 Ω时的200 kA降至15 Ω时的185 kA，减小约7.5%；当电阻值由35 Ω变化至45 Ω时，反击耐雷水平由146 kA将至121 kA，减小了17.1%。从仿真结果分析，接地电阻值变化相同时，酒杯塔的耐雷水平比猫头塔耐雷水平下降更明显。

对于典型的酒杯塔，当电阻值由5 Ω上升到15 Ω，反击跳闸率从0.049 5上升到0.073 2，上升了47.8%；接地电阻值由35 Ω上升到45 Ω时，跳闸率从0.203 2上升到0.390 8，上升了92.3%；当杆塔接地电阻在更大范围内递增，反击跳闸率增加陡度会更大，这也意味着跳闸率增加的会更快。

4 同塔双回鼓型塔反击跳闸率分析

4.1 线路参数

搭建500 kV鼓型塔模型，参数如下所示。

杆塔：型号S1，呼高33 m

绝缘子：型号XP-300

导线：型号LGJ-630/55，直流电阻0.013 Ω/km，4分裂，导线半径3.432 cm

地线：型号LHAGJ-150/25，地线半径1.71 cm，直流电阻0.229 19 Ω/km

大地：土壤电阻率1000 Ω·m

4.2 仿真模型

500 kV双回鼓型塔ATP仿真模型见图7和图8。

图7 500 kV同塔双回鼓型塔仿真模型

图8 500 kV同塔双回鼓型塔线路仿真模型

4.3 鼓型塔反击耐雷性能分析

图9给出了同塔双回鼓型杆塔模型条件下，单回及双回闪络情况下的耐雷性能分析。

图9 鼓型塔耐雷水平分析

当电阻值由5 Ω递增至15 Ω时，单回闪络耐雷水平下降了约5.6%，双回闪络下降约16.3%。当电阻由35 Ω增加至45 Ω时，线路的单回闪络情况耐雷水平由159 kA降至131 kA，降低了17.6%；双回闪络情况由167 kA下降到155 kA，降低了7.2%。

从图10鼓型塔反击跳闸率分析可以看出，当接地电阻值由5 Ω上升到15 Ω，单回线路闪络反击跳闸率从0.079 4上升到0.105 9，上升了33.4%；双回线路闪络反击跳闸率从0.030 2上升到0.081 5，上升了169.9%。电阻值由35 Ω上升到45 Ω，鼓型单回线路闪络反击跳闸率从0.209 2上升到0.435 2，上升了108%；双回反击跳闸率从0.169 7上升到0.232 2，上升了36.8%。

图10 鼓型塔反击跳闸率分析

5 不同塔头模型的反击跳闸率对比分析

对比分析了猫头塔、酒杯塔、鼓型单回以及鼓型双回闪络模型下接地电阻变化对反击跳闸率的影响，如表1所示。

表1 不同塔型对线路反击的影响

不同塔型反击跳闸率对比如图11所示，酒杯塔反击跳闸率的规律与鼓型双回闪络情况类似。鼓型单回闪络情况的反击跳闸率最大，其次是鼓型双回闪络和酒杯塔，影响最小的是猫头塔。

图11 不同塔型反击跳闸率的对比

6 结 语

前面根据具体的运行参数，建立了500 kV猫头塔、酒杯塔、同塔双回鼓型塔3种杆塔的ATP电气仿真模型和相应线路的仿真模型，并进行研究，得出以下结论：

1)通过理论计算研究了3种塔头模型下接地电阻对耐雷性能的影响，并得出其规律：接地电阻与反击耐雷水平负相关，与跳闸率正相关，当电阻在更大范围内递增时，反击耐雷水平下降的陡度以及跳闸率增加的陡度会更大；酒杯塔的耐雷水平受接地电阻的作用比猫头塔更敏感。

2)对比分析多种塔型耐雷性能的影响，酒杯塔反击跳闸率的规律与鼓型双回闪络情况类似。鼓型单回闪络情况的反击跳闸率最大，其次是鼓型双回闪络和酒杯塔，影响最小的是猫头塔。