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基于长间隙负极性操作冲击放电的雷击特性研究

安韵竹  
【摘要】:特高压输电线路地处旷野,横跨山川、河流等复杂地形,绵延数千公里,易遭受雷击,威胁电力系统的安全稳定运行。特高压输电线路在全球的运行经验积累较少,日本、俄罗斯等降压运行的特高压线路遭受雷击次数明显高于其设计预期值。可见仅仅依赖于低压输电线路的运行经验,对特高压输电线路的雷电防护工作存在局限性。长空气间隙负极性冲击放电特性是高压输变电工程雷电屏蔽领域长期关注的基础问题之一。目前绝大部分特高压输电线路雷击特性研究均借鉴于4m以下空气间隙放电试验数据。实际雷击线路的空气间隙距离较长,其放电特性与较短间隙不同。本文旨在系统全面地开展长间隙放电特性的基础性研究,获取大量可靠放电数据和放电规律,以期为特高压输电线路雷电屏蔽性能理论评估模型的修正提供基础数据。具体内容如下(1)开展了1m~10m的三种典型长空气间隙负极性操作冲击放电试验。系统全面研究了20/2500μs、80/2500μs两种负极性操作冲击电压波作用下棒-棒间隙、棒-板间隙、棒-线间隙三种典型长空气间隙的负极性操作冲击放电饱和特性和统计特性。长空气间隙负极性操作冲击放电电压的饱和现象主要是由于最后一跃流注在整个间隙所占比例随着间隙距离增大而减小,棒-棒间隙、棒-接地线间隙与棒-板间隙的50%放电电压大小关系在间隙距离d=4m时翻转。棒-棒间隙与棒-线间隙两种间隙构型的间隙系数比值随着间隙距离d增大趋于1.05。采用统计学方法获取了棒-棒间隙、棒-板间隙的放电电压概率分布函数、伏秒特性等参数。(2)试验研究了线电极布置方式对棒-线间隙50%负极性操作冲击放电电压的影响。棒-线间隙50%放电电压随着线电极半径的增大而减小,与导线高度无关。棒-不接地线间隙比棒-接地线间隙的50%放电电压高。采用有限元法计算了悬浮导线的感应电压并通过高速摄影仪记录棒-线间隙的放电过程,结果表明:悬浮导线的感应电压随着间隙距离d增大先增大后减小;间隙距离为0.8m时,棒-不接地线间隙和棒-接地线间隙具有相同的流注放电过程。(3)开展了0.4m-1.2m的棒-棒间隙和棒-双棒组合间隙放电特性试验。研究了250/2500μs负极性操作冲击电压波作用下棒-棒间隙和棒-双棒间隙的50%放电电压的关系。低压电极头部为半球形和锥形时,对棒-棒间隙的50%放电电压无影响;间隙距离d1.2m时,棒-双棒组合间隙的50%放电电压低于棒-棒间隙的50%放电电压。对下棒电极形状和间隙结构对间隙50%放电电压影响进行T-tests假设检验,下棒电极形状对棒-棒间隙的50%放电电压无显著影响,棒-双棒组合间隙与棒-棒间隙的50%放电电压具有显著性差异。(4)采用组合算法计算放电路径参数,并与高速摄影仪拍摄的放电过程图像结合分析放电路径的发展特性。随着间隙距离的增大,高压电极表面放电初始发展角的分布范围增大,高压棒电极放电初始发展随机性增强;但伴随着间隙距离增大,下棒电极表面产生的上行流注,增强了下棒电极形状对放电路径选择性的影响。随着外施负极性操作冲击电压幅值的增大,高压电极表面放电初始发展角的分布范围、放电路径长度、直径及面积均增大,放电强度增大,放电初始发展随机性增强,放电路径概率分布分散性增大。(5)开展了1000kV特高压交流输电线路大尺寸缩比模型雷击特性模拟试验影响因素研究。选取模型比例为1:12.5真型特高压输电线路模型为研究对象,采用20/2500μs、80/2500μs两种负极性操作冲击电压波分别对导线接地方式、工作电压、线路保护角、冲击电压波参数几个影响因素开展对比试验。导线接地方式影响目标物放电被击概率,推荐导线不接地方式模拟实际线路;+72kV、-36kV和-36kV三相工作电压对棒-输电线路组合间隙的放电电压和放电时间无影响,但影响目标物的放电被击概率;冲击电压波波头时间对放电路径概率分布基本无影响;在20/2500μs负极性操作冲击电压作用下,放电路径概率分布的分散性随冲击电压幅值增大而增大,三相导线被击概率降低,验证了雷电绕击概率随雷电流幅值增大而降低;输电线路保护角越小,放电击中三相导线的概率越低。(6)开展了平原和山区1000kV特高压交流输电线路雷击特性模拟试验。采用80/2500μs负极性操作冲击电压波完成了间隙距离为5m~12m、模型比例为1:12.5的真型特高压输电线路在平原和山区地形下的雷击特性模拟试验:通过插值拟合绘制了平原地区线路的绕击空间概率分布云图,等概率曲线近似为向上倾斜的抛物线,线路雷电屏蔽失效边界随着间隙距离增大而升高;平原和山区地形对空气间隙的放电电压均值和放电时间均值无影响,但由于山坡改变放电路径的发展方向,增加了空气间隙放电电压和放电时间的分散性。采用有限元法计算输电线路表面场强,山区比平原的输电线路表面场强更高,且山区和平原的输电线路表面场强的偏差随着间隙距离增大而增大。这说明山区三相导线和避雷线表面更容易产生正极性迎面先导,增强了输电线路对雷电先导的吸引作用,从而增大了山区线路遭受雷击的概率。(7)将长间隙放电特性应用于击距系数修正。试验结果表明放电路径的概率分布与空气间隙的50%放电电压和低压电极形状均相关。假设长空气间隙的50%负极性操作冲击放电电压与雷电最后一击头部电势相等,根据长间隙负极性操作冲击放电试验数据和自然雷电先导头部电位计算公式,推导了特高压输电线路对地击距系数kg为1.3,指出特高压输电线路对避雷线击距系数可取1.0,通过试验数据验证该击距系数的合理性。


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