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基于pscad-emdc的雷擊直流線路耐雷性能仿真分析

1交流輸電線路的耐雷能力研究抗雷能力是衡量輸電線安全性的重要指標。輸出線的安全性直接影響電氣系統(tǒng)的安全和可靠性。因此,對送輸線的閃閃劑和泄漏進行模擬計算非常重要。一般雷電直擊架空導線的發(fā)生概率很小,大部分雷擊發(fā)生在傳輸線桿塔頂部。雷擊桿塔時大部分雷電流沿桿塔泄入大地,使桿塔電位升高,絕緣子串發(fā)生反擊閃絡,因此有必要分析雷擊桿塔頂部時線路的耐雷性能。我國現(xiàn)行的《電力設備過電壓保護設計技術規(guī)程》推薦的交流輸電線路耐雷水平計算方法未考慮線路工作電壓的影響。對于高壓直流架空線路,雷擊線路桿塔或架空地線時,其中極性與雷擊過電壓相反的那一極導線,其塔頭間隙和絕緣子串承受的電壓是雷電沖擊電壓和直流工作電壓之和,而與雷擊過電壓極性相同的另一極導線,其塔頭間隙和絕緣子串承受的電壓是雷電沖擊電壓和直流工作電壓之差。直流輸電系統(tǒng)的這些特點使得雙極具有不平衡絕緣特性,間隙的放電電壓也必然與沒有直流工作電壓的情況大不相同。因此,分析直流線路耐雷水平時應考慮直流工作電壓對線路耐雷性能的影響。目前國內外對交流輸電線路的耐雷性能研究較多,而對直流線路耐雷性能的研究較少。本文采用仿真軟件PSCAD/EMTDC分別對不考慮直流工作電壓和考慮直流工作電壓的情況下,單極±500kV金屬回線和雙極±500kV運行方式下,雷擊直流線路1號桿塔時線路的過電壓水平和雷擊閃絡進行仿真分析,并在桿塔接地電阻分別為10Ω、15Ω和20Ω的條件下,討論各種運行方式下可能發(fā)生的閃絡類型,計算發(fā)生閃絡時的最小雷電流,比較各種運行方式下的線路耐雷水平。2計算模型2.1換流站直流側進段線路模型結構線路采用雙避雷線。由于雷電流波形中含有豐富的高次諧波,而線路的參數(shù)隨頻率變化,不同頻率的諧波分量在線路中傳播時的衰減和畸變各不相同,因此本文線路模型中的傳輸線采用頻率相關模型。換流站直流側進線段的線路及桿塔仿真模型結構如圖1所示,對換流站直流側進線段的前5個桿塔及桿塔與桿塔之間的每一檔距分別建模,并考慮桿塔結構尺寸、導線和避雷線型號、檔距等線路參數(shù)的影響。導線型號為4×LGJQ-300,分裂間距450mm,弧垂12m;避雷線型號為QJ-70,弧垂9.5m;5個桿塔的型號及檔距尺寸列于表1中。2.2波阻抗模型的建立仿真中常采用的桿塔模型主要有電感模型和傳輸線波阻抗模型兩種。電感模型將桿塔視為一個集中參數(shù)的電感與接地電阻相串聯(lián)。傳輸線波阻抗模型將塔身視為分布參數(shù)傳輸線,考慮了入侵波在塔身中的傳播時間和折反射過程,波阻抗模型是比較合理的桿塔模型。本文的仿真計算中采用波阻抗模型。根據(jù)桿塔的結構尺寸和導線懸掛點的位置將桿塔波阻抗分為幾部分,文獻建議桿塔波阻抗取為150Ω??紤]到橫擔的影響,本文的波阻抗選擇文獻推薦的200Ω,波速取300m/μs,桿塔接地電阻取10~20Ω。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中,可用Bergeron模型來搭建桿塔傳輸線波阻抗模型,其中1號桿塔的模型如圖2所示,圖中,ZA為橫擔波阻抗,ZT為桿塔波阻抗,Rg為接地電阻。根據(jù)桿塔的幾何結構參數(shù),將1號桿塔模型稍加改動就可得到其他桿塔的模型。2.3雷流模型根據(jù)文獻,雷電流波形為斜角波,雷電流的波頭為2.6μs。波尾為50μs,雷電通道波阻抗為348Ω。2.4仿真模型的建立根據(jù)物理過程確定絕緣子是否閃絡的判據(jù)主要有兩種(如圖3所示):(1)如絕緣子串兩端電壓曲線1在ts時刻與絕緣子伏秒特性曲線3相交,即判為閃絡,如圖3(a)所示。(2)如絕緣子串兩端電壓按曲線2變化,雖未與伏秒特性曲線3相交,但其峰值超過了絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%,也判為閃絡。以曲線2和U50%第二次相交的時刻ts作為閃絡發(fā)生時刻,如圖3(b)所示。本文采用文獻的伏秒特性曲線,其表達式為式中Us-t為閃絡電壓,kV;L為絕緣子串長度,m;t為從雷擊開始到閃絡所經(jīng)歷的時間,μs。標準盤形懸式絕緣子串和長絕緣子串的U50%僅與干閃絡距離Lg(Lg=L)有關,且基本呈線性增長關系式中U50%的單位取kV,L的單位取cm。文獻的試驗結果表明:在干燥及淋雨條件下,異極性直流電壓的存在使絕緣子串的U50%略小于無直流電壓時的U50%,當直流電壓為±(300~600kV)時,可用式(3)近似求出各極線的50%沖擊閃絡電壓式中Udc50%為考慮直流工作電壓時絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓,kV;Udc為直流工作電壓。本文的仿真模型中絕緣子型號為CA-735EZ,每串有32片。由式(2)、(3)計算出的正極線絕緣子串的Udc50%=2609.5kV,負極線絕緣子串的Udc50%=3609.5kV,金屬回線絕緣子串的Udc50%=3009.5kV。3模擬結果和分析3.1不同桿塔閃絡類型下的最小電弧流仿真分析本文分別在采用單極±500kV金屬回線運行方式、采用雙極±500kV運行方式和不考慮工作電壓的情況下,當桿塔接地電阻分別為10Ω、15Ω、20Ω時,對雷擊直流線路1號桿塔時的雷擊閃絡情況進行了仿真分析,計算了各種閃絡類型下的最小雷電流,結果如表2所示。3.2模擬結果分析(1)雷達探波閃絡類型在不考慮工作電壓的情況下,兩極線(或金屬回線)上的絕緣子串50%閃絡電壓均為3009.5kV,因此兩極線(或金屬回線)同時發(fā)生閃絡,閃絡形式主要有波尾閃絡和波頭閃絡兩種,如圖4所示。圖4(a)為極線(或金屬回線)波尾閃絡波形(雷電流幅值為-244kA);圖4(b)為極線(或金屬回線)波頭閃絡波形(雷電流幅值為-338kA)。發(fā)生各種類型閃絡的雷電流范圍詳見表2。表中閃絡類型為:①正極線U50%(波尾)閃絡;②正極線波尾閃絡,金屬回線波尾閃絡;③正極線波頭閃絡,金屬回線波尾閃絡;④金屬回線U50%(波尾)閃絡;⑤金屬回線波頭閃絡;⑥金屬回線波頭閃絡,負極線波尾閃絡;⑦正極線波頭閃絡;⑧正極線波頭閃絡,負極線波尾閃絡;⑨兩極線(或金屬回線)波尾閃絡;⑩兩極線(或金屬回線)波頭閃絡。(2)金屬回線閃絡+500kV單極-金屬回線運行方式下,正極線上有正電壓,且極線上的絕緣子閃絡電壓比金屬回線上的絕緣子閃絡電壓低,使得大部分雷電反擊發(fā)生在正極線上;但隨著雷電流的增加,反擊可能同時發(fā)生在金屬回線上。在該運行方式下,隨著雷電流的逐漸增加會出現(xiàn)三種類型閃絡:①正極線波尾閃絡,金屬回線不閃絡;②正極線波尾閃絡,金屬回線波尾閃絡;③正極線波頭閃絡。金屬回線波尾閃絡。各種類型閃絡判據(jù)如圖5所示,圖5(a)為正極線波尾閃絡、金屬回線不閃絡波形(雷電流幅值為-170kA),圖5(b)為正極線波尾閃絡、金屬回線波尾閃絡波形(雷電流幅值為-244kA),圖5(c)為正極線波頭閃絡、金屬回線不閃絡波形(雷電流幅值為-283kA)。發(fā)生各種類型閃絡的雷電流范圍如表2所示。(3)不同方式下電弧流的閃絡特征-500kV單極-金屬回線運行方式下,負極線上有負電壓,使得絕大部分雷電反擊發(fā)生在金屬回線上;但隨著雷電流的增加反擊也可能發(fā)生在負極線上。在該運行方式下,隨著雷電流的增加會出現(xiàn)三種類型閃絡:①金屬回線波尾閃絡,負極線不閃絡;②金屬回線波頭閃絡,負極線不閃絡;③金屬回線波頭閃絡,負極線波尾閃絡。各種類型閃絡判據(jù)如圖6所示,圖6(a)為金屬回線波尾閃絡、負極線不閃絡波形(雷電流幅值為-225kA),圖6(b)為金屬回線波頭閃絡、負極線不閃絡波形(雷電流幅值為-300kA),圖6(c)為金屬回線波頭閃絡、負極線波尾閃絡波形(雷電流幅值為-338kA)。發(fā)生各種類型閃絡的雷電流范圍詳見表2。(4)-500kv單極-金屬回線閃絡雙極運行時,大部分雷電反擊發(fā)生在正極線上,這時的反擊與+500kV單極-金屬回線運行時的情況相似;但其閃絡形式與-500kV單極-金屬回線運行時的情況比較相似,隨著雷電流的增加會出現(xiàn)三種類型閃絡:①正極線波尾閃絡,負極線不閃絡;②正極線波頭閃絡,負極線不閃絡;③正極線波頭閃絡,負極線波尾閃絡。各種類型閃絡判據(jù)與圖6的判據(jù)相似,發(fā)生各種類型閃絡的雷電流范圍詳見表2。4高壓直流線路閃絡類型(1)在研究高壓直流輸電線路的耐雷水平時,應考慮工作電壓的影響。(2)高壓直流線路的耐雷水平隨著接地電阻的增大而顯著減小,應在接地電阻最大的情況下確定該線路的耐雷水平。(3)在不同的運行方式和雷電流條件下,高壓直流線路會發(fā)生不同類型的閃絡。單極+500kV運行時兩極線均可能發(fā)生波尾閃絡,單極-500kV運行(或雙極運行)時金屬回線(正極線)可能發(fā)生波頭

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