特高压输电线路相导体的直击雷雷击特性外文翻译资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

特高压输电线路相导体的直击雷雷击特性

摘要：特高压输电线路输电塔的高度比常规输电线路要高，相间距离要更长，因此了解相导体的直击雷雷击特性十分重要。基于此，对特高压输电线路的直击雷进行了特征观测，在1998年至2004年的7年间获得了81个数据集。在81个数据集中，记录了79次负闪击的击程，并通过对电流幅值、锋长和击程的电磁瞬变程序进行分析，定量评价了这些直击雷的特征。各相控阵的雷击频率分布也与传统屏蔽模型的估计值不同。根据本研究过程观测到的电流幅值的累积频率分布，提出了一种计算直击电流的方法，作为防雷设计的一部分。

指标术语：绝缘；雷电；过电压保护；参数估计；输电线路；屏蔽故障；浪涌

1.介绍

1999年的Minami-Iwaki线，是一条南北走向的超高压(特高压)联合输电线路，线路由(kashiwazaki - kariwa核电站到Higashi-Yamanashi变电站大约相距250公里，以及大约60公里的输电线路路程)和东西走向的特高压设计输电线路(Minami-Iwaki开关站到Nishi-Gunma站，大约240公里)顺利完工，所有的线路以500kV的运行电压运行至今。输电线路采用双回路结构，垂直布置，顶部有两根地线。由于特高压输电线路的输电塔比常规输电线路高，相间距离比常规输电线路长，因此了解相导体的直雷击特性(以下简称“直雷击”)是一个重要问题。然而，直击雷的特征到目前为止还没有在实际测量数据的基础上进行研究，也不知道它们到底是怎么样的。另一方面，未来积极推进电力设施防雷设计的规范化和精度的提高，了解相导体的直击雷特性是必不可少的。

为了获得必要的信息，建立了一个综合系统来观察整个电力系统的雷击现象，从雷击到变电站的雷击浪涌。该系统是为包括500kV设计的跨接线路在内的特高压输电线路设计的，目的是观察雷电的特性。所观察到的传输线是垂直排列的双回路结构，顶部有两条地线。主要任务是观测变电站雷电冲击的波形，利用摄像机进行观测，利用闪电定位跟踪系统(LPATS)跟踪雷击位置。

在1998年至2004年的七年间，共观测到81次对相导体的直接雷击。该数字基于多行程事件的第一个行程，并排除了一些无法估计参数的数据。所有的闪电都发生在夏季，81例中2例为正闪电，其余均为负闪电。分析了79种负雷击现象，研究直接雷击对相导体的特性。直接闪电中被了解的特点包括许多，除了最基本的参数，如电流幅值、持续时间，和闪击期间直接雷击电流，电流的瞬时相角被相导体和阶段进行了直接闪电中段(安排阶段)。在电流幅值、锋面持续时间、行程持续时间等方面，与输电塔塔顶雷击电流进行了对比研究，认为塔顶雷击事件对输电线路具有全部雷击特征。

本文的主要目的是分析相导体直接雷击的特性，并与输电塔的雷击特性进行比较，阐明某些雷击特性。本文首先讨论了用电磁瞬变程序(EMTP)再现现象的一种典型观测方法和分析方法，然后报告了对雷击特征的研究结果。本文还研究了这一信息在日本防雷设计中的应用，为读者了解另一种防雷技术提供参考。

2. 观测系统

特高压输电线路综合观测系统主要用于变电站雷电涌的观测。以下所述的所有装置均装有全球定位接收器(GPS)，可将不同的观测结果与记录的时间进行比较。

图1. 观察的目标传输线

A .变电站雷电浪涌观测

为确定变电站雷击入侵的频率和幅度，对5个供电站(变电站或开关站)的变电站入口电压波形和线路避雷器电流波形进行了观测。图1为雷电冲击入侵观测对象系统。用电容分压器测量电压波形，分压器采用气体绝缘子系统(GIS)在线路服务入口处的绝缘隔离片，电流波形由电流互感器(CTs)测量到浪涌避雷器。在本研究中，触发法采用工频电压幅值1.2 p.u作为早期观测到的500kv输电线路雷暴的触发值，提取出大于1khz的高频分量，其中p.u作为雷暴电压触发值。所附时钟的精度为mu;s。下面是电压传感器的基本系统配置和详细说明。

1)系统基本配置：图2为雷电电涌观测系统示意图。该系统大致可分为电压传感器部分和信号处理部分。在电压传感器段获得的GIS主电路上的电压信息，通过E/O转换器转换成光学信号，并通过光学链路传输到安装在测量室内的信号处理段。光学信号通过安装在测量室内的O/E转换器转换为电信号，然后输入触发设备。当触发条件满足时(在1 kHz以上的频率范围内电压变化超过plusmn;0.3 p.u)，数字示波器记录波形数据和时间信息也由GPS存储。

利用高速和低速两个数字示波器测量各自的频率范围，得到了雷电冲击波形。高速示波器获得了详细的雷击波形，而低速示波器则确定了50赫兹交流电压的哪个相位与雷击叠加。

图2.观测系统的基本配置

2)浪涌电压传感器：图3为浪涌电压传感器部分结构示意图。为测量GIS主电路电压，采用高压导体与绝缘隔离片嵌入电极间的杂散电容C1作为分压器的主侧电容，采用电容分压器分压系统。对于二次侧电容C2，采用低电感的陶瓷电容器并联，测量包含高频分量的波形。

下一阶段，利用高输入阻抗的CR分压器，并输入到缓冲放大器中，进一步细分电容电压。缓冲放大器驱动E/O转换器，将电压信号转换为光信号，再将光信号传输到信号处理部分。探头选用高阻抗可以降低频段的下限值，从而实现对工频分量的精确测量。

图3.浪涌电压传感器的配置

B.用摄影机观察闪电

为了观察相位控制装置的直接雷击特性，安装了48台摄像机。每一个都有三个液晶百叶窗，并根据外部光强控制开关自动拍照。在白天，液晶百叶窗在检测到闪电后打开(启动时间约为3秒)，并在250秒后关闭，以补充薄膜。夜间，液晶百叶窗保持打开状态，并在检测到闪电后250秒给薄膜充电。在夜间和白天，当外部光线强度较低时，液晶百叶窗保持打开状态，使照片可以从第一次冲程获得。时间精度在年代规定范围内。

C .输电塔雷击波形观察

1994年至2004年，特高压输电线路和500千伏输电线路的60座输电塔(平均约90米高)上安装了2.5米长的避雷针，并利用罗格斯基线圈测量了避雷针上的电流波形。测量范围为10 kA-300kA(触发级为9 kA)，分辨率为0.6 kA，采样时间间隔为0.1mu;s，记录时间可达3.2 mu;s。所附时钟是准确的年代。

D .闪电位置和跟踪系统(LPATS)

LPATS是一种利用雷电产生的电磁波到达时延来确定雷电冲程位置的装置，它还可以估算雷电冲程电流。时间精确到plusmn;1mu;s秒。

3.直接雷击特征的估计

雷击电流最基本的参数是电流幅值、锋面持续时间和雷击持续时间。然而，直接测量相导体中的雷击电流是很困难的。因此，利用观测装置与LPATS之间的时间差来估计雷击位置，利用输电线路上的传播模型，通过对分站雷击突增的EMTP分析，得到了直接雷击电流波形。

利用数字示波器对变电站的雷电涌进行观测，既可以捕捉到一次冲击，也可以捕捉到次冲击。其中，本研究提取了第一个笔画并进行了分析。以2000年7月3日特高压输电线路的电雷击为例，利用EMTP观测资料分析方法，估算出直击雷的特征。分析采用ATP-EMTP。

A .观察的例子

2000年7月3日14时54分13秒，摄象机拍摄到由267号输电塔至268号输电塔之间的南卷输电干线1号下相导线被直击的照片。在南磐开关站和东岗麻变电站观测到雷电冲击侵入波形。LPATS也捕捉到了这种冲程。

图4为图5所示的直击雷击位置。图6为南水北调所观测到的雷电冲击入侵波形。图6为南水北调、新垣开关站和东垣组间在176、203、300 s左右的负反射波形，分别为南水北调、新垣组和东垣组间的反射波形。雷击下相为负极性，诱导相在波前为正极性，在83 s左右变为负极性。这被认为是由传输线上以接近光速传播的线模分量与以较低速度传播的地模分量之间的传播速度和衰减(传播常数的差异)引起的。感应相中主导体模态分量极性相反，接地回路分量极性与直接雷击电流极性相同。

B .分析条件

根据子站雷暴侵入波的波形，采用EMTP分析方法再现了这一现象。在分析，观察复制通过模拟雷击电流用斜坡波连续两个部分和当前的振幅不同，持续时间，和闪击持续时间(表1)，然后使用电场波形的波前的LPATS作为参考，雷击电流估计通过设置当前的振幅，持续时间，和闪击持续时间，使他们提供的结果最符合图6中的观察结果。

图4.直击雷位置

图5. 介乎267至268号线的南磐线直接遭雷击的照片。(彩色版本可在http://ieeexplore.ieee在线获得。org)

图6. 观测到的雷击侵入波型(Minami-Iwaki子站)

表1.雷电冲击观测装置的基本规范

表2.参考条件

以1kA和1.2 s为参考，计算LPATS所获得的电流和锋长估计值。EMTP分析条件见表二。

对于雷击阻抗，本研究使用了日本传统使用值400Omega;；然而，如果使用1000Omega;，电流估计要小17%左右。实际的雷击阻抗尚未明确，需要进一步研究。

C .分析结果

EMTP的结果分析电压从光飙升入侵Minami-Iwaki电池更换站是图7所示，假设雷击电流斜坡波与kA电流振幅连续两个部分，前面2 s，时间和行程时间50年代。

图7.雷电波入侵波形分析（Minami–Iwaki站）

与图6中观察到的波形相比，每个波形的前端(长达50 s左右)对波形的特性非常重要，与图6中观察到的波形非常吻合。利用GIS技术，通过变压器的反射产生波前的脉冲波形。波形的去斜部分是不同的。这可能是由于对光击电流波形的直线模拟造成的误差，因为在传输塔上直接观测到的雷击波形只在少数情况下，电流在达到峰值后呈线性下降。在分析中，由于南相马变电站是由匹配电路模拟的，因此没有反射。考虑到这一点，下面的数字是估计的直

击雷击。

bull;雷击位置。 南卷1号输电线路267号输电塔附近的下相导体。

bull;雷击电流。 1kA， 2/50 s(假设是一个斜坡波)

bull;闪电时的交流相位角。 171 °(sine)。

特高压输电线路的灭弧角间距分别为5.9 m和6.3 m， 50%闪络电压为3 610 kV和3 840 kV。在25ka的情况下，雷击时相控阵电压约为3300 kV，估计无闪络发生。 电流幅值和前缘持续时间估计分别为1 kA和1 s左右，估计参数的唯一确定是可能的。根据电涌区[11]的EMTP计

算精度，将直接雷击的交流功率估计在10%左右。计算行程时间的准确性将略低于最新的振幅或前面的时间因为波形变形III-A节中所描述的是由于传播模式的传播常数的差异在输电线路雷电冲击波旅行距离变得更长，很难估计通过EMTP分析波形。

4.直击特征的统计分布

从1998年到2004年，共获得79个相位导体负雷击数据集。对于这些结果，采用与第三节示例相同的方法估计电流波形参数，得到了直击特征的统计分布。

图8. 直击电流的累积频率分布

图中所示为电流波形放大器(电流幅值、前端持续时间、行程持续时间)、雷击时相导体中的交流相角和直接雷击时相的分布。为了研究直雷击电流的特性，将参数分布与输电塔上的雷击进行了比较，认为与输电线路上所有雷击的特性相似。在1994年至2004年期间，在500千伏和特高压设计的输电塔(包括直击雷击观测范围内的输电塔)上测量了输电塔顶部的雷击电流波形。输电塔上的雷击电流有120个数据集。

A .电流幅值分布

图8为基于79个数据集的直击电流幅值累积频率分布。当电流幅值的累积频率分布近似为对数法线纸上的一条直线，并沿水平线取电流幅值的对数算术值时，累积频率的5、50和95%分别为30.2、14.7和7.1 kA。直流电行程最大电流幅值为36ka。

同时，透射塔雷击电流幅值累积频率分布的50%值为29.3 kA，且直击电流一般小于透射塔雷击电流。这表明，在电流相对较小的情况下，雷击会发生屏蔽故障，从而导致雷击对相导体的破坏。

为了计算输电线路雷电停运率，采用电几何模型(EGM)考虑雷电屏蔽。在EGM中，雷击距离是雷击电流幅值的函数，较大的雷击电流表示较大的雷击距离。这说明地线对小雷击具有较小的屏蔽作用，与本研究的观测结果基本一致。

图9.直击锋持续时间的累积频率分布。

图10.直击持续时间的累积频率分布

B .前沿持续时间分布

图9为基于79个数据集的直雷击电流锋时累积频率分布。直击雷击电流的锋面持续时间分布在1 ~ 10 s之间，累计频率为8.1 s、3.0 s、1.1 s时，累计频率分别为5、50、95%。透射塔雷击电流的锋面持续时间的累积频率为50%，为4.8 s，而直射雷击电流的锋面持续时间一般小于透射塔雷击电流的锋面持续时间。[4]阐明了电流幅值越小，前缘持续时间越短，认为直击光击与输电塔雷击相比，电流幅值越小，前缘持续时间越短。我们也注意到，虽然大多数雷击电流波形都有一个凹波前[4]，但与估计波形一样，用直线模拟雷击电流波形的前端持续时间近似于峰值电流附近的陡峭波形，这往往提供了较短的前端持续时间。

C .行程持续时间分布(参考)

有人担心，用间接测量来估计冲程持续时间可能不如用电流幅值和前缘持续时间的测定准确。因此，本段评估闪击持续时间，以供参考。图10为基于72个数据集的直击雷击持续时间的累积频率分布。直击电流持续时间分布在4 ~ 160 s之间，累积频率假设为对数正态分布时，累积频率的5、50、95%分别为145、38、10 s。

一般来说，冲程持续时间，除非非常短，否则不会显著改

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[19190]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word