基于PSCAD/EMTDC输电线路绕击耐雷水平仿真研究

基于PSCAD/EMTDC输电线路绕击耐雷水平仿真研究

徐烁

（广州电力设计院广东广州510610）

摘要：如何减少输电线路的雷害事故是电力系统安全稳定运行的一项重要课题，介绍了输电线路绕击耐雷水平的计算方法并分析比较其优缺点，采用电气几何模型中的暴露距离法对输电线路进行屏蔽计算，结果显示随着雷电流的增加，暴露弧段越小，当增加到一定程度时，导线完全被屏蔽，不发生绕击，表明幅值小的雷电流容易出现绕击。利用PSCAD/EMTDC软件搭建220kV单回输电线路模型、雷电流模型及绝缘子串闪络模型，进行绕击耐雷性能分析，仿真结果同样表明，幅值较小的雷电流比较容易引起线路绕击跳闸，通过改变线路的接地电阻，接地电阻阻值大小对绕击跳闸率的影响不大。改变地面倾斜角从0º增加到30º，绕击跳闸率从0次/100km/a增加到0.6342次/100km/a，绕击跳闸率随着地面倾斜角的增大而增大，当倾斜角很小时对绕击跳闸率的影响不大，当地面倾斜角较大时，影响越明显。

关键词：220kV输电线路；绕击耐雷水平；雷电流；电气几何模型；PSCAD/EMTDC

0引言

从国内外高压、超高压输电线路多年的实际运行情况表明，雷击是造成线路跳闸停电事故的主要原因[1-4]，其中，各国数十年的雷击跳闸情况表明，220kV及以上线路雷击跳闸主要是由绕击引起的，对于国内500kV及以下电压等级输电线路，雷击跳闸事故占总跳闸事故的50%，而对于特高压输电线路，这一比例提高到了75%~90%，绕击防护成为线路防雷保护的主要工作。因此，准确的计算和评价输电线路的绕击耐雷水平和绕击跳闸率对电力系统的安全稳定运行、提高供电可靠性，显得尤为重要。

本文以220kV单回输电线路为研究对象分析输电线路的绕击耐雷水平，利用PSCAD/EMTDC仿真软件构建绕击耐雷性能数值仿真模型，通过所建立的绕击模型进行理论分析与仿真计算，得出220kV单回输电线路的绕击雷电性能，并分析其影响因素。主要工作包含：（1）通过电气几何模型法进行220kV单回输电线的绕击率、最大绕击电流、雷电流幅值概率密度函数和地闪密度Ng计算；（2）分析输电线路绕击耐雷水平的计算方法，针对数值计算方法开展绕击雷电流、杆塔模型、线路模型和绝缘子闪络判据等模型的研究；（3）针对220kV单回输电线路，仿真分析其绕击耐雷水平，并分析其影响因素及计算绕击跳闸率。

1输电线路绕击分析方法

1.1电气几何模型法

本文采用暴露距离法对输电线路进行屏蔽保护计算，如图1所示，通过暴露距离这一物理量来描述线路屏蔽失效的现象。

雷电先导定位位置为曲线CiBiAiDi，弧段CiBi和BiAi分别是以避雷线和导线为圆心，以导线击距ri为半径的弧线，AiDi为平行于地面、高度为地面击距rgi的直线。弧段BiAi为输电线路的暴露弧段，定位于BiAi上的落雷将击中导线，Dc是导线的暴露距离，为Ai、Bi两点的水平距离。用暴露距离来描述屏蔽失效，是假设雷电先导通道均是垂直于地面向下发展，忽略了先导发展的随机性，根据暴露距离的概念，当雷电先导落入暴露距离范围内，导线将被击中，如果先导落入其他范围，导线将会被有效的屏蔽。

随着雷电流的增加，暴露弧段越来越小，当增大到一定程度时，Ai和Bi重合，暴露弧为零，如图所示，对应于曲线Cm（Bm）AmDm的雷电流为可发生绕击的最大雷电流Imax，对应的击距为最大击距，此时导线被完全屏蔽，不发生绕击。记发生绕击的最小雷电流、发生绕击跳闸的临界雷电流、发生绕击的最大雷电流。

绕击率公式：

发生绕击的最小雷电流一般为2～3kA，发生绕击跳闸的临界雷电流一般取输电线路的绕击耐雷水平，最大雷电流Im由线路的最大击距来决定，即导线被完全屏蔽时最大击距对应的雷电流幅值。

由表4可看出，在杆塔高度和保护角相同的情况下，绕击跳闸率随地面倾斜角的增大而增大。在地面倾角为20º时比地面倾角为0º（平地）时的绕击跳闸率增大了5.28%；地面倾角为30º比地面倾角为20º时增大了58.14%，由此可见，当倾角较小时，地面倾斜角对绕击跳闸率影响不明显；当地面倾角较大，影响增大，也说山区线路的绕击跳闸率比平原线路的高。

4总结

本论以220kV单回输电线路为研究对象，利用PSCAD仿真软件构建了七基杆塔的输电线路绕击仿真模型，通过模拟雷电产生过电压波在输电线路中的传播过程，分析了雷电绕击导线，绝缘子串两端雷电过电压的特征，以电气几何模型的暴露距离计算方法为例对击距、最大绕击电流进行了计算。通过暴露距离法计算结果可知，雷电绕击导线的概率会随着随着雷电流的增加而减小。仿真结果表明，雷电流幅值较小时线路容易发生绕击；不同电压相位角，绕击耐雷水平不同；接地电阻对线路绕击耐雷水平的影响不明显，因此可以忽略接地电阻的影响。通过计算得到线路的最大绕击电流、雷电流幅值概率密度函数、地闪密度Ng和绕击耐雷水平在某一地面倾斜角度下求出不同耐雷水平下的绕击跳闸率。结果表明，当倾角较小时，地面倾斜角对绕击跳闸率影响不明显；当地面倾角较大时影响增大，说山区线路的绕击跳闸率比平原线路的高。考虑杆塔上雷电波的传播过程，绕击雷的耐雷水平相对比较低，即雷击导线时的耐雷水平低于雷直击杆塔或架空地线时的耐雷水平。因此，在防止线路发生因雷击导线导致的闪络跳闸方面，应重点考虑降低雷直击导线的概率，尽量化“绕击”为“反击”。

参考文献：

[1]IEEEWorkingGrouponEstimatingLightningperformanceofTransmissionLines.EstimatinglightningPerformanceofTransmissionLinesⅡ-UpdatestoAnalyticalModels[J]．IEEETrans.1993，PWRD-8（3）：1254-1267．

[2]罗日成，李稳，陆毅，等．基于Hilbert_Huang变换的1000kV输电线路雷电绕击与反击识别方法[J].电工技术学报，2015，30（3）：232-239.

[3]李培国．国外对特高压输电线路雷击跳闸原因的一个观点[J]．电网技术，2000（7）：63-65．

[4]钱冠军等．500KV线路直击雷典型事故调查研究[J]．高电压技术，1997，23（2）：73-75．

作者简介：

徐烁（1989-10），女，回族，助理工程师，学历：电气工程及其自动化学士，研究方向：输配电技术，智能电网