特高壓直流輸電線路繞擊屏蔽研究PPT課件

1、1 緒論1.1 課題背景 中國的自然條件以及能源和負荷中心 的分布特點使得超遠距離、超大容量的電力傳輸成為必然，為減少輸電線路的損耗和節(jié)約寶貴的土地資源，需要一種經(jīng)濟高效的輸電方式，特高壓直流輸電技術恰好迎合了這一要求。第1頁/共62頁1.1 課題背景 架空輸電線路作為電力系統(tǒng)中發(fā)電，輸電，配電的三大重要組成部分之一，其安全、穩(wěn)定性尤為重要。 長期以來，有一種觀點占了主導地位，即認為隨著電壓等級的提高，線路抗雷能力會相應地增加，然而，國內(nèi)外的運行經(jīng)驗推翻了這一切。 第2頁/共62頁1.1 課題背景 廣東省500kV直流輸電線路雷擊跳閘90%以上是由20到50kA的小雷電流繞擊跳閘引起 。前蘇聯(lián)

2、500KV、750KV、1150KV三種輸電線路19851994年按原因分類的跳閘數(shù)隨著額定電壓的提高，雷電跳閘比例上升，500kV為l75，750kV為237，1150kV為842。 第3頁/共62頁1.2 研究現(xiàn)狀 針對特高壓輸電工程的需要，為了發(fā)揮特高壓輸電的潛在經(jīng)濟性，各國展開了一系列研究。美國、前蘇聯(lián)、日本、意大利和中國等國分別建設了特高壓試驗基地，開展理論研究、工程技術研究、電氣設備研制和實際模型的試驗與考核，并在特高壓電暈效應、特高壓絕緣及電磁場影響方面作了深入細致的研究。在特高壓輸電線路防雷方面，雷電屏蔽理論起了關鍵的作用。 第4頁/共62頁1.2 研究現(xiàn)狀 E.R.White

3、head、H.R.Armstrong和G.W.Brown等人根據(jù)“Pathfinder”研究計劃采集的現(xiàn)場數(shù)，開展了一系列輸電線路雷電屏蔽理論研究，發(fā)展了由Golde以及Young等人建立的電氣幾何模型 . Sargent、Eriksson等人在經(jīng)典的EGM方法基礎上，使用一種修改過的電氣幾何模型 第5頁/共62頁1.2 研究現(xiàn)狀 Mousa 等人在EGM的完善和推廣應用方面作了大量工作，形成了現(xiàn)代EGM方法。 19631964年我國華中理工大學朱木美教授獨立地提出了與Whitehead基本相似的模型 Eriksson，Dallera，Rizk等人，將近代的空氣間隙放電的研究成果用于屏蔽性能的

4、研究，提出了幾個新的計算模型，一般稱之為先導發(fā)展模型（LPM） 第6頁/共62頁1.2 研究現(xiàn)狀 近幾年，在華中理工大學及武漢高壓研究所進行了一系列實驗室長間隙放電性能的試驗研究。其主要目的是研究雷擊目的物的幾何形狀及擊距等因素對放電擊中點概率分布的影響。第7頁/共62頁1.3 本文研究內(nèi)容 上述電氣幾何模型、先導傳播模型的運用使繞擊屏蔽研究取得了長足的進步，但目前均以單側(cè)避雷線、極線和雷電先導構(gòu)成研究對象，計算表明，以此為研究對象的繞擊屏蔽模型僅適用于較低電壓等級的輸電線路。隨著導線工作電壓的提高，該模型已不能刻畫出特高壓直流線路的真實情況，也就無法解釋繞擊中存在的極性效應等問題，滿足不了工

5、程實際的需要。因此，本項主要研究內(nèi)容如下： 第8頁/共62頁1.3 本文研究內(nèi)容 運用ATP-EMTP建立800kV特高壓輸電線路、桿塔、絕緣子串秒伏秒特性等計算模型，研究特高壓直流輸電線路三種形式的雷擊過電壓的耐雷水平； 根據(jù)電磁場理論，建立計及工作電壓及桿塔高度擊距系數(shù)模型，計算隨著導線工作電壓的增加，不同雷電流大小、不同桿塔高度下，擊距系數(shù)的變化關系及先導對導線、先導對避雷線擊距的關系，并建立計及擊距系數(shù)的特高壓直流輸電線路繞擊率計算模型，進行繞擊率研究；第9頁/共62頁1.3 本文主要研究內(nèi)容 以模擬電荷法為基礎，將雷電先導、兩避雷線、兩極線作為整體研究對象，考慮極線工作電壓及極線分裂

6、數(shù)，計算雷先導垂直下行過程中各導線表面場強變化，并運用Peek判據(jù)確定各導線對應的雷先導一級定位高度，研究特高壓直流線路中存在的繞擊概率存在極性效應的問題；第10頁/共62頁1.3 本文研究內(nèi)容 在上述研究的基礎上，研究各種因素對特高壓直流線路繞擊屏蔽的影響，提出對特高壓直流線路繞擊屏蔽的新觀點。第11頁/共62頁2 特高壓直流輸電路線耐雷水平仿真分析 對于特高壓直流輸電線路，雷擊線路桿塔或避雷線時，如擊中極性與雷電相反的那一極導線，則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；雷繞擊極線時，如擊中極線的極性與雷電相同，則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。直流輸電系統(tǒng)

7、的這些特點使得雙極具有不平衡絕緣特性，因此，分析其耐雷水平時應考慮直流工作電壓的影響 .第12頁/共62頁2.2 模型的建立 根據(jù)云廣800kV特高壓直流輸電工程前期研究，一般輕冰區(qū)推薦導線為6LGJ-630/45。 雷電流模型本文采用雙指數(shù)表達式， 波型為2.6/50s，負極性為主要波形，計算得=-712000，=-15900。exp() exp()miAItt第13頁/共62頁2.2 模型的建立 特高桿塔在雷擊作用下，雷電波呈現(xiàn)折反射過程，故仿真模型采用波阻抗結(jié)合沖擊接地電阻式模型，計算中采用了雙極水平排列，極導線和地線布置尺寸見圖。第14頁/共62頁2.2 模型的建立 桿塔絕緣子串上的閃

8、絡電壓與作用其上的電壓波形有關，可用伏秒特性表示 。 本文采用45XWP-16，根據(jù)表中（見論文）數(shù)據(jù)運用Matlab進行最小二乘擬合并外推至45XWP-16的伏秒特性，再運用Origin6.0對外推數(shù)據(jù)進行非線性擬合如圖2-2，擬合得伏秒特性曲線方程如式 (-t/2.482E-6)3.67254E6+4.21117E6 eU 第15頁/共62頁2.2 模型的建立第16頁/共62頁2.3 仿真與結(jié)果分析 雷擊桿塔頂端 雷擊中極性與雷電相反的那一極避雷線時，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，故計算雷擊塔頂?shù)哪屠姿綍r模擬負雷電波擊中桿塔頂端，極線電壓取+800kV，仿真模型如圖

9、，雷電流幅值為閃絡時最小雷電流幅值-190kA。 第17頁/共62頁2.3 仿真與結(jié)果分析第18頁/共62頁2.3 仿真與結(jié)果分析（雷擊塔頂）(a)絕緣子串未閃絡 (b)絕緣子串閃絡 (c)極線地線波形第19頁/共62頁2.3 仿真與結(jié)果分析（繞擊極線） 雷繞擊極線時，如擊中極線的極性與雷電相同，則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，故計算繞擊耐雷水平時模擬負雷電波擊中負極性極線，極線電壓取-800kV。雷電流幅值取使絕緣子串最小閃絡雷電流幅值-50kA。第20頁/共62頁2.3 仿真與結(jié)果分析（繞擊極線）(a)絕緣子串未閃絡 (b)絕緣子串閃絡 (c)極線地線波形第21頁/共

10、62頁2.3 仿真與結(jié)果分析 以上三種雷擊過電壓中，雷擊檔距中央避雷線使絕緣子串閃絡的最小雷電流幅值最高，達到-215kA；而繞擊使絕緣子串閃絡的最小雷電流幅值最低，只有-50kA。據(jù)分析，雷繞擊極線使雷電波沿極線向兩側(cè)傳播過程中雷電波衰減變形，波頭拉長陡度降低，使得雷電波波頭作用在絕緣子串上的時間增加，對應絕緣子串的伏秒特性可知，波頭作用時間在3s后絕緣子串的50%閃絡電壓較1-2s時低得多，并且在地線上的感應過電壓較低。第22頁/共62頁2.3 仿真與結(jié)果分析 雷擊桿塔頂端，雷電波陡度較高，波頭作用時間較短，約在1s左右不易閃絡，且有桿塔沖擊接地電阻分流的作用，故繞擊的耐雷水平比雷擊桿塔頂

11、端要低得多。雷擊檔距中央避雷線時，雷電波沿避雷線向兩側(cè)傳播，陡度降低波頭拉長，由于極線上感應電壓較高，所以隨著雷電波傳播至桿塔，較高的感應過電壓削弱了絕緣子串兩端電壓，使得需要較大的雷電流幅值使絕緣子串閃絡。第23頁/共62頁2.4 污穢對耐雷水平的影響 目前，電力系統(tǒng)無論交流輸電或直流輸電，在清潔條件下對雷電沖擊電壓引起的絕緣閃絡機理的研究已經(jīng)比較深入，理論也較成熟。然而對污穢絕緣子遭受雷電沖擊及操作沖擊波時的電氣特性和閃絡的機理研究甚少，理論也顯得不夠完整，至于在運行電壓下疊加沖擊波的研究就更少了，800kV特高壓直流污穢絕緣子的雷擊閃絡特性還未有提及。 第24頁/共62頁2.4 污穢對耐

12、雷水平的影響 文獻34，35結(jié)論：雷電沖擊污閃時間在1040s內(nèi)為多，污穢絕緣子的雷電沖擊閃絡電壓比清潔干燥狀態(tài)下降低1/41/3， 可推導出表2.3所對應的污穢絕緣子串閃絡電壓及污穢情況下特高壓直流輸電線路三種形式雷電過電壓的耐雷水平，如表2.4所示。污穢下雷電沖擊閃絡電壓值降低的原因分析可發(fā)現(xiàn)：雖然雷電沖擊持續(xù)時間極短，但是絕緣子串的電氣強度在污穢條件下還是有很大的降低，在幾十s內(nèi)發(fā)生污閃其過程與熱過程的關系不大，很有可能是污穢層及其電導率分布不均而導致沿面電位嚴重畸變，從而導致了在高幅值的雷電沖擊下發(fā)生閃絡。 第25頁/共62頁 2.5 本章小結(jié) 本章運用ATP-EMTP對800kV特高

13、壓直流線路進行耐雷水平仿真研究，計算得出繞擊極線耐雷水平最低，并分析了污穢絕緣子對直流輸電線路耐雷水平的影響，揭示了污穢狀況下雷電沖擊閃絡電壓值降低的原因。作者亦對500kV直流輸電線路的繞擊耐雷水平進行仿真研究，分析繞擊的小雷電流入侵換流站對設備絕緣的影響，強化防繞的重要性。第26頁/共62頁3 計及工作電壓及桿塔高度的擊距系數(shù)研究 特高壓直流輸電項目的啟動，線路繞擊的防護必不可少，800kV的工作電壓不可忽視。本章將運用先導發(fā)展模型結(jié)合電磁場理論，計及導線工作電壓及桿塔高度對線路進行繞擊仿真研究，以合理的反映出工作電壓對繞擊率的影響，為工程實際提供參考。第27頁/共62頁3.1 經(jīng)典的EG

14、M（電氣幾何模型）scshchsg1rsgirsgmriD1DACmEEiE1B1iBCiC1s1rsirsmrrs1rsirsmm第28頁/共62頁3.2 模型的建立 雷電下行先導通道模型1下行先導主干通道 2等效分支現(xiàn)象的通道 3等效頭部積聚電荷 第29頁/共62頁3.2 模型的建立 假設雷電先導垂直下行，忽略上行先導的產(chǎn)生與發(fā)展，計及線性目的物工作電壓。當下行先導與目的物間的平均場強達到臨界擊穿場強時，發(fā)生間隙擊穿。 第30頁/共62頁3.3 模型計算流程第31頁/共62頁3.4 雷電下行先導在空間任意點場強及電位計算 雷電下行先導通道的作用在空間任意位置電場及電位計算是防雷設計中的一大

15、難點，在以往的研究中，總是采用經(jīng)典的電磁理論以空間靜止電荷電場及疊加原理為基礎的理論計算。實際上，雷電主放電速度已經(jīng)與光速相比擬，忽略如比大的的傳播速度，計算結(jié)果一定會與實際情況有偏差。本節(jié)將引入洛倫茲變換，提出下行雷先導在空間任意點產(chǎn)生場強的新型計算模型。 第32頁/共62頁3.4 雷電下行先導在空間任意點場強及電位計算 根據(jù)洛侖滋變換：2221/1xvtxyyzztvxct vc 第33頁/共62頁3.4 雷電下行先導在空間任意點場強及電位計算 垂直于電荷運行方面的電場強度增大到 倍，平行于電荷運動方向的場強與S系中的相同： 知道了場源電荷在其中靜止的參考系中的電場分布E，就可直接求得相對

16、上述參考系做勻速直線運動的另外的參考系的電場分布。 1222(1/)vc ,xxyyzzEEEEEE 第34頁/共62頁3.5 場強計算實例下行先導分支速度不同時對地O點場強 1不計及先導下行速度；2先導下行速度為0.3倍光速； 3先導下行速度為0.5倍光速；4先導下行速度為0.8倍光速 考慮到下行先導速度影響時，因為下行先導離地高度H從靜止系變化到運行系： 即離地高度在運動系中增長了倍，算得的運行系中的對地場強減小，故在圖3-9中曲線1在近地面區(qū)與高于曲線2、3、4，且下先先導速度的越大而相差越大。 1222(1/) (0)HHHvct第35頁/共62頁3.5 場強計算實例 下行先導分支速度

17、不同時對P點場強 1不計及先導下行速度； 2先導下行速度為0.3倍光速； 3先導下行速度為0.5倍光速； 4先導下行速度為0.8倍光速 考慮下行先導速度，根據(jù)上述理論雖然使P點y軸坐標從靜止系到運行系增加倍而使場強的垂直分量減小，這也僅限于頭部電點荷的影響較大。而由于垂直于電荷運行方向的電場強度增大到倍，即場強的水平分量將增大倍，頭部積聚電荷及先導分支線電荷作用在P點的場強的水平分量大大增加，這使下行先導離電面高度較低時，P點的合成場強遠遠高于不考慮先導下先速度的計算曲線1，并且速度越快，下行先導近地高度作用在P點的場強越高。第36頁/共62頁3.5 場強計算實例 雷電通道主放電速度約為光速的

18、 1/31/2，由上兩圖可知，先導下行速度在0.3c0.5c與不考慮雷電先導下行速度計算結(jié)果相近，且下行先導分支所占比例較小，故在以下章節(jié)的討論計算中，雷電先導作用下空間任意點場強時未考慮先導速度的影響。 第37頁/共62頁3.6 擊距系數(shù)計算結(jié)果分析 取雷云高度2500m，雷電流大小I=20kA，雷下行先導對導線的水平距離為40m，分別計算導線無工作電壓時、工作電壓為500kV時、工作電壓為800kV時不同桿塔高度H（m）下?lián)艟嗯c擊距系數(shù)，計算結(jié)果如表所示，電位及電場強度計算按上節(jié)所述方法。第38頁/共62頁3.6 擊距系數(shù)計算結(jié)果分析第39頁/共62頁3.6 擊距系數(shù)計算結(jié)果分析 隨著桿塔

19、高度的增加，先導對導線擊距增加，但先導對地擊距保持不變，所以擊距系數(shù)隨著桿塔高度的增加而減??；本文亦計算在不同的雷電流大小下，先導對導線擊距、先導對地擊距都隨雷電流增大而明顯增加，而擊距系數(shù)的增幅較小，表明雷電流的變化對擊距系數(shù)的影響較小，此結(jié)論與文4一致。 隨著導線工作電壓的增加，下行先導與導線之間的電位差增大，平均場強隨之增加，下行先導對導線的擊距增大，故相同雷電流大小、相同桿塔高度下的擊距系數(shù)明顯減小，如表3.1(a)(c)。 表3.1（a）可看作避雷線與大地擊距系數(shù)隨桿塔高度的變化規(guī)律，表3.1（b）、（c）可看作極線與大地擊距系數(shù)隨桿塔高度變化規(guī)律，由兩表比較得知在避雷線與導線平均高

20、度相差不大的情況下，先導對導線、對避雷線的擊距在計及工作電壓后不能近似相等。 第40頁/共62頁3.7計及擊距系數(shù)的特高壓直流輸電線路繞擊率計算 假設雷電先導勻速垂直下落。在雷電流為I時，如圖所示，繞擊導線的暴露面AB在水平方向的投影為Zs，雷擊線路的定位面（SA+AB）在水平方向的投影為Zb，Zb與Zs的比值即為對應于雷電流為I時的繞擊率。第41頁/共62頁3.7計及擊距系數(shù)的特高壓直流輸電線路繞擊率計算 計算時取雷電流I=20kA，下行雷先導距避雷線水平距離40m，保護角15，避雷線平均高度37m，導線平均高度33m。下行雷先導對避雷線擊距采用IEEE導則推薦公式，如式： 所以下行雷先導對

21、地擊距為： 下行雷先導對導線擊距為： 0.658srIgssgrrk/cgcgrrk第42頁/共62頁3.7計及擊距系數(shù)的特高壓直流輸電線路繞擊率計算 由于避雷線始終保持零電位，由表3.2可知，下行先導對避雷線擊距系數(shù)ksg不隨工作電壓變化，而下行先導對導線的擊距系數(shù)kcg隨著工作電壓的升高而減小。在雷電流大小為20kA時，該線路的繞擊率隨著極線工作電壓的升高而增大，若不考慮工作電壓的影響，將認為該線路無繞擊可能，這屬于明顯的誤判。第43頁/共62頁3.8 本章小結(jié) 本章以電磁場理論為依據(jù)，在考慮工作電壓及桿塔高度下建立了特高壓直流輸電線路擊距系數(shù)仿真計算模型。仿真結(jié)果不僅得到與文36一致的結(jié)

22、論，還得出隨著導線工作電壓的增加，相同雷電流大小、相同桿塔高度下，擊距系數(shù)明顯減小。計及工作電壓的影響，在避雷線與導線平均高度相差不大的情況下，先導對導線、對避雷線的擊距在計及工作電壓后不能近似相等。通過繞擊實例表明，線路的繞擊率隨著極線工作電壓的升高而增大，若不考慮工作電壓的影響，有誤判可能，故特高壓直流輸電線路的工作電壓對擊距、擊距系數(shù)甚至繞擊率的影響不可忽視。 本章還探討了計及主放電速度的雷電下行先導作用下空間任意點電場強度及電位計算，在下行先導靠近地面時，先導正下方空間任意點的場強低于不考慮先導速度的計算模型，但差別不大。先導側(cè)下方空間任意點的場強，由于水平分量的影響，在下行先導靠近地

23、面時，該點場強明顯高于不考慮先導速度的計算模型。第44頁/共62頁4 特高壓直流輸電線路繞擊屏蔽研究 本章基于長空氣間隙放電和雷擊放電過程的相似性，在現(xiàn)有長空氣間隙放電研究成果的基礎上，吸收已經(jīng)提出的各種輸電線路雷電屏蔽分析模型的優(yōu)秀思想，建立一個新的輸電線路雷電屏蔽整體仿真模型，該模型對雷擊輸電線路的全過程進行了合理模擬，并將該過程定性、定量以便于分析研究。 雷電放電過程 雷電繞擊機理：大于100kA雷電流，小于100kA雷電流第45頁/共62頁 先導發(fā)展模型第46頁/共62頁4.1 模型的建立第47頁/共62頁4.1 模型的建立 雷電下行先導模型如第三章所述。文章為了計算方便，假設極線與避

24、雷線為無限長電荷密度均勻分布的線電荷。 RIZK的上行先導起始電位只與線離地高度、線徑有關，與工作電壓無關。而新型模型計及極線工作電壓，800kV工作電壓必將對導線表面場強產(chǎn)生影響，故文章選取Peek提出的輸電線路電暈起始判據(jù)為上行先導起始判據(jù)，只要避雷線或?qū)Ь€的表面場強達到由Peek方程計算得出的臨界電離場強，那么其表面就開始產(chǎn)生迎面上行先導，確定此時雷先導離地高度，即雷先導一級定位點。 第48頁/共62頁4.2 計算方法 設置模擬電荷及匹配點； 列寫電位系數(shù)矩陣P； 計算僅在雷先導作用下，兩極線和兩避雷線處的感應電位Uinduce； 設置邊界條件并列寫線性方程組U=P+ Uinduce；

25、求出各模擬電荷量1，214； 校核該模擬電荷量 ； 確定雷下行先導一級定位點；第49頁/共62頁4.3 計算結(jié)果與分析 雷電流I=20kA，hc=33，hs=38m，分裂圓半徑0.5m兩避雷線間距l(xiāng)bs=20.1m兩極線間距l(xiāng)bc=23.6m保護角=15，分裂子導線半徑15.14mm，避雷線半徑5.05mm，雷下行先導距避雷線水平距離lls=50m，計算時假設雷先導垂直向下發(fā)展不發(fā)生間隙擊穿。 不考慮工作電壓即邊界條件U|s=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0T，當雷電先導從離地H=600m到離地50m向下運行時計算結(jié)果如圖4-4：第50頁/共62頁4.3 計算結(jié)果與分析(

26、a)模擬電荷量(b)校核導線避雷線表面電位(c)導線及避雷線表面場強圖4-4 先導向下發(fā)展時不考慮工作電壓的計算結(jié)果第51頁/共62頁4.3 計算結(jié)果與分析 各避雷線、極線起始上行先導時雷先導離地高度即雷先導一級定位點計算結(jié)果如表4.1：第52頁/共62頁4.3 計算結(jié)果與分析 考慮導線的工作電壓即邊界條件為: U|s=8e+5,8e+5,8e+5,8e+5,8e+5,8e+5,-8e+5,-8e+5,-8e+5,-8e+5,-8e+5,-8e+5,-0,-0T，計算結(jié)果如圖4-5所示: (a)模擬電荷量(b)校核導線避雷線表面電位(c)導線及避雷線表面場強圖4-5 先導向下發(fā)展時考慮工作電壓

27、正極線側(cè)落雷的計算結(jié)果第53頁/共62頁4.3 計算結(jié)果與分析 各避雷線、極線起始上行先導時雷先導離地高度即雷先導一級定位點計算結(jié)果如表4.2：第54頁/共62頁4.3 計算結(jié)果與分析 考慮導線的工作電壓即邊界條件為: U|s=-8e+5,-8e+5,-8e+5,-8e+5,-8e+5,-8e+5,8e+5,8e+5,8e+5,8e+5,8e+5,8e+5,0,0T ，計算結(jié)果如圖4-6所示: (a)模擬電荷量(b)校核導線避雷線表面電位(c)導線及避雷線表面場強圖4-6 先導向下發(fā)展時考慮工作電壓負極線側(cè)落雷的計算結(jié)果第55頁/共62頁4.3 計算結(jié)果與分析 各避雷線、極線起始上行先導時雷先導離地高度即雷先導一級定位點計算結(jié)果如表4.3：第56頁/共62頁4.3 計算結(jié)果與分析 不考慮極線工作電壓，如圖4-2所示，隨著雷先導向地面發(fā)展，避雷線13、14的表面場強遠大于導線1-12，兩避雷線將領先于兩極線產(chǎn)生上行先導,如表4.1。落雷離架空線水平距離越遠，極線產(chǎn)生上行先導越困難，兩極線將完全屏蔽于兩地線之下。遠雷側(cè)極線表面場強遠低于近雷側(cè)極線和兩避雷線表面場強，其上行先導的產(chǎn)生遠落后于近雷側(cè)極線及兩地線且落雷離線路水平距離較遠時將不會產(chǎn)生上行先導，若發(fā)生繞擊，則擊中近雷側(cè)極線概率更大，即