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【论文推荐】浙江大学余敬秋,徐政:特高压杆塔的非均匀传输线模型

阅读量：3712320 2019-10-23

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本文发表在《电力工程技术》2019年第38卷第5期，欢迎品读！
本文引文信息
余敬秋,徐政. 特高压杆塔的非均匀传输线模型[J]. 电力工程技术, 2019, 38(5):55-62.
YU Jingqiu, XU Zheng. Non-uniform Transmission Line Model of the UHV Tower[J]. Power Engineering Technology, 2019, 38(5):55-62.
本文摘要
随着电压等级的提高，杆塔也越来越高，如果特高压杆塔仍采用多波阻抗模型，则不能反应其呼高的空间结构变化所产生的影响，因此本文从杆塔物理结构出发搭建了杆塔的非均匀传输线模型。然后将杆塔呼高用多段波阻抗模拟，研究杆塔呼高空间结构变化对其电磁暂态特性的影响，得出杆塔呼高建模越精确，其电磁暂态响应也越精确的结论。最后，对比了非均匀传输线模型和分段多波阻抗模型下杆塔的雷电电磁暂态响应，表明了相比于多波阻抗模型，非均匀传输线模型更适用于特高压杆塔雷电暂态分析。
特高压杆塔的非均匀传输线模型
余敬秋,徐政
浙江大学电气工程学院
//1.引言//国内外多年的线路运行经验表明，由雷击造成的线路跳闸事故占线路总跳闸事故的40%~70%，在地形地貌复杂，高土壤电阻率以及落雷密度较高的地区，线路雷击跳闸事故尤为突出。相较于普通高度的杆塔而言，特高压杆塔遭受雷击时的过电压水平更高，对绝缘的要求也更高，因此杆塔建模的精确性直接影响到输电线路的防雷分析计算结果的可靠性。
文中提出了一种简化的非均匀传输线模型，将杆塔塔身等效为单柱结构，并通过双锥天线理论推导其非均匀分布参数，横担部分用波阻抗模拟。在此基础上分析了非均匀传输线模型在特高压杆塔电磁暂态分析中的适用性。通过比较杆塔的分段多波阻抗模型和非均匀传输线模型下的电磁暂态响应，验证了非均匀传输线模型更适用于特高压杆塔的雷电电磁暂态分析。
//2.杆塔的多波阻抗模型//
多波阻抗模型既考虑了杆塔中的波过程，又考虑了塔自身结构、尺寸对波阻抗取值的影响，相比传统的杆塔模型而言更符合实际情况。常见的多波阻抗模型有多层传输塔模型、多层传输塔简化模型，Hara多波阻抗模型以及西安交通大学多波阻抗模型。其中,采用Hara多波阻抗模型计算得到的暂态响应特性和实测值最为接近,如图1所示。

多波阻抗模型由塔身、支架和横担三部分组成，每部分的波阻抗Z用其尺寸和几何形状的公式表示。该模型考虑了横担和支架对波阻抗Z的影响，适合推广到结构复杂、高度较高的传输塔上。主要用于500 kv输电线路防雷计算，且需要修正塔身的波阻抗以解决最初的低耦合系数的影响。
//3.杆塔的非均匀传输线模型//
鉴于杆塔的呼高已经成为了杆塔的主要部分，仅用一段波阻抗模拟不能反映杆塔呼高空间结构变化对其暂态特性的影响，因此针对多波阻抗模型的这一不足，文中搭建了非均匀传输线模型。
杆塔塔身通常为梯形结构，由4个不平行导体组成的。在推导柱体微元参数时，塔身的每个立柱微元四导体系统可通过集束公式等效为一个单导体结构，公式如下：

如果每个立柱微元四导体系统均用圆形截面的等效导体近似，则杆塔塔身可以被建模为一个等值的圆柱形导体系统，如图3所示。

因此，杆塔塔身的电磁暂态响应可由电报方程描述：

3.1横担部分水平横担L1、L2、L4、L5与地面平行。因此，将其等效为单导体系统后，其分布参数处处相等。即杆塔横担部分可用一段波阻抗模拟，且波阻抗Z可按如下公式计算：

3.2塔身部分杆塔的塔身L3、L6与地面垂直，因此受到大地影响，杆塔不同高度处的参数不同，即杆塔塔身部分可用非均匀传输线模型模拟。由于杆塔塔身部分的横截面半径远远小于其长度，因此雷电波可看作以球面波的形式在杆塔上传播，球面波的传播类似于双锥天线中横电磁波的传播。
图4所示为半径req、高H的圆柱导体上一离地面高度为h的柱体微元dh。其中，微元中球面波的传播可看作是图4(b)所示的双锥天线。

杆塔的塔身通常为梯形结构，因此塔身竖直导体微元等效半径的求取采用等比例法，如图5所示。

因此，可通过公式得到塔身L3和L6的分布电感参数L(h)；通过公式得到其分布电阻参数R(h)；通过公式得到其分布电容参数C(h)；通过公式得到水平横担部分L1、L2、L4和 L5的波阻抗。基于以上便可搭建杆塔的非均匀传输线模型。
//4.仿真分析//4.1仿真模型及参数文中计算所用的特高压杆塔的实际形状及其波阻抗模型如图6所示，其各项参数如表1所示。

杆塔两侧连接的输电线路采用PSCAD频率相关相域模型，远处的杆塔及输电线路采用Bergeron模型，如图7所示。

4.2分段多波阻抗模型仿真结果分析文中采用PSCAD仿真软件分析雷击时杆塔的暂态特性，雷击点取在避雷线与杆塔的交接处，即图6中的A点，得到的塔顶电压波形如图9所示，波峰附近的波动过程如图10所示。

可知，杆塔呼高划分得越细，杆塔上的波过程就越接近实际，杆塔呼高空间结构的变化就被模拟得越精确。但是，随着杆塔高度和结构的不同!达到饱和值的杆塔呼高划分段数也就不同，因而多分段数的多波阻抗模型在以精度为需求的实际应用中需要试探达到饱和值时的分段数，因此该模型缺乏灵活性和可靠性。
4.3非均匀传输线模型的仿真结果分析为验证非均匀传输线模型的准确性和有效性，文章将非均匀传输线模型与不同分段数模型下的电磁暂态响应进行对比分析，得到塔顶的电压波形如图11所示，峰值附近的波形情况如图12所示。

综上分析可得，采用非均匀传输线模型分析杆塔的电磁暂态响应比波阻抗模型更加精确，该模型体现了特高压杆塔的参数随着高度的降低和等效半径的增大而变化，因而更加接近于实际杆塔的暂态波动过程。在进行防雷分析计算中，采用非均匀传输线模型所得的计算精度更高，仿真结果更具可靠性和参考价值。
//5.结论//
文中对杆塔的多波阻抗模型进行了介绍，并搭建了杆塔的非均匀传输线模型，分析了不同分段数多波阻抗模型下杆塔的电磁暂态响应，并将非均匀传输线模型所得的响应与其对比，得出以下结论：
(1)随着杆塔呼高分段数的增加，杆塔塔顶电压的波形峰值逐渐降低，峰值时间逐渐减小，杆塔的电磁暂态响应被模拟得更加精确，而且当杆塔分段数达到一定程度时，杆塔的暂态响应波形基本不变。
(2)采用非均匀传输线模型所得杆塔的暂态响应与达到饱和时的多波阻抗模型非常接近，说明在防雷分析中采用非均匀传输线模型所得到的结果更具可靠性，规避了为达到足够的精度对多波阻抗模型分段数的试探。
(3)文中建立的非均匀传输线模型与多段多波阻抗模型的电磁暂态响应一致。相比于多波阻抗模型，该模型能够更真实地反映杆塔空间结构的变化，更适合于特高压杆塔的雷电暂态分析。
(4)杆塔模型的准确性决定了防雷保护仿真分析结果的可靠性。杆塔结构变得越来越复杂，普通的多波阻抗模型已不再适用，必须建立更加精确的杆塔模型。未来杆塔的建模应基于其自身的物理结构，并且能较好地反应雷电流流经杆塔时产生的电磁场作用。
主要作者及团队介绍

余敬秋：博士在读，研究方向为直流输电与柔性直流输电；徐政：博士，教授，博士生导师，研究方向为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、风力发电技术与风电场并网技术。
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