±660kV HVDC輸電線路典型桿塔繞擊性能評估

袁海燕，劉 民，莊燕飛 ，姚金霞

（1.山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；（2.山東電力集團公司檢修公司，山東 濟南 250021）

0 引言

寧東—山東±660kV高壓直流輸電線路于2010年投運，是世界上第一條電壓等級為660 kV的直流輸電線路。 ±660 kV高壓直流輸電線路本身的絕緣水平比較高，雷擊避雷線或塔頂而發生反擊閃絡的可能性很小。 線路桿塔高，導線工作電壓高，避雷線和導線間距離大，因此它的繞擊耐雷水平對線路防雷特性有決定性的影響，對其繞擊耐雷性能的準確評估是保證系統安全穩定運行的基礎。

相對于交流線路，高壓直流線路由于正常運行時線路電壓恒定不變，遭受直擊雷時，會呈現下列特點：繞擊與反擊時閃絡極與雷電流的極性密切相關。由于雷電放電多為負極性，因此正極絕緣相對薄弱。本文主要研究雷電流為負極性時，正極線路的繞擊跳閘率。

20世紀60年代建立的電氣幾何模型（EGM）仍是目前國內外分析繞擊率的主流方法。EGM在Golde首先提出擊距的概念［1］，將擊距與雷電流相聯系后，Young’s模型進一步引入了計算技術，使EGM能有效地與現場觀測數據相結合［2］。根據尋跡器的現場調查，Whitehead提出的擊距公式應用于輸電線路的屏蔽設計較成功［3-4］。Sargent利用Whitehead模型分析了建筑物高度對雷擊概率的影響［5］。Eriksson針對經典電氣幾何模型的一些不足，提出了改進的EGM［6］，我國學者結合模擬實驗研究也提出過改進EGM［7］。 中國電力科學研究院在EGM分析特高壓線路的繞擊特性時還考慮了導線工作電壓的影響［8］。

已見文獻用各種方法針對不同電壓等級的線路進行過詳細的研究，本文在前人工作的基礎上，建立了綜合考慮風偏、地形和工作電壓影響的改進EGM來分析±660 kV HVDC輸電線路的繞擊耐雷性能。

1 繞擊性能分析方法

1.1 考慮導線工作電壓的擊距

雷電對避雷線的擊距采用IEEE標準所推薦的擊距公式［9］

擊距系數是先導對地擊距與先導對避雷線擊距之比，采用 IEEE 給出的表達式［9］：

式中：I為雷電流，kA；rs為雷電對避雷線的擊距，m；rg為雷電對大地的擊距，m；hs為避雷線平均高度，m。

不考慮導線工作電壓時，長空氣間隙負極性放電電壓 V0與擊距 rc0的關系為［10］：

雷電先導下降時，其頭部電位與主放電電流的關系為［8］：

因此，考慮導線工作電壓時，由（4）（5）兩式可推導得出，導線的擊距為：

式中：rc0為考慮導線工作電壓的擊距，m；U為導線上工作電壓，MV。

1.2 考慮風偏和地形后模型的基本參數

分裂導線懸垂絕緣子串的風偏角φ和導線風偏角ξ如圖1所示。

圖1 風偏角

分裂導線懸垂絕緣子串的風偏角［10］

導線風偏角

式中：L、G 為水平和垂直檔距，m；g1、g2為導線自重和風荷比載，kg/（m·mm2）；M、N 為絕緣子串重量和其風荷載；A為導線截面積；λ為絕緣子串長度；d為導線分裂間距。

考慮風速影響之后，模型的參數會發生變化，如圖 2 所示。圖中 hc′、hs′、Lc′、Ls′為考慮風速后導線和避雷線的位置，α′為考慮風速后的保護角，各變量可由下式計算得到：

式中：hc、hs、Lc、Ls為考慮風速前導線和避雷線的位置，fc、 fs分別為導線和避雷線的弧垂；ξc、ξs分別為導線和避雷線的風偏角。

圖2 考慮風速和地形的電氣幾何模型

擬合風速分布的模型很多，其中韋布爾雙參數分布被普遍認為適于對風速v作統計描述，v的韋布爾分布概率密度函數為［11］

式中：k為形狀參數，是一個無因次量；C為尺度參數，其量綱與速度相同。可根據T時間內觀測到的10 min最大風速和平均風速，通過下式近似地估計韋布爾分布參數［11］

1.3 最大繞擊電流的計算

如圖2所示，

當θ1=θ2時，繞擊暴露弧AB=0，假如雷電流繼續增大，將不存在繞擊暴露區域，因此，此時雷電流為最大繞擊電流Imax。

1.4 繞擊耐雷水平的計算

繞擊耐雷水平計算：

式中：U-50%為絕緣子負極性50%閃絡電壓；Zc為導線波阻抗；U為導線上工作電壓。

1.5 暴露距離的計算

經典電氣幾何模型中的暴露投影計算方法將暴露弧長等同于直線來計算其投影，使計算結果偏大。用暴露弧在弧長中所占比率來評價線路的繞擊性能的方法在模型中直接令雷擊地面的概率為零，這種假設顯然有欠合理。 等值受雷寬度的計算將避雷線的屏蔽區域也計算在線路遭雷擊的范圍之內，計算結果偏大。在 1993年的 IEEE工作報告中提出用暴露距離描述線路屏蔽失效現象［12］，其前提是假定雷電先導通道垂直于地面向下發展。 文獻［13］指出采用暴露距離將繞擊特性與線路本身的幾何尺寸相聯系計算繞擊跳閘率可較準確地評估線路的繞擊特性。 本文采用暴露距離計算繞擊跳閘率。

在文獻［12］的基礎上考慮地面傾角和風速的影響。 如圖2所示，屏蔽弧、暴露弧和地面擊距直線相交于 A、B兩點，以避雷線所在點作為坐標原點，X軸和Y軸分別平行和垂直于地面，建立XSY坐標系。SC為導線與避雷線間的距離。導線所在點 C， A、B 兩點的坐標分別為 A（xA，yA）和 B（xB，yB），Zs為暴露距離。

1）如果 yA>0，rg>hc，則

2）如果 yA>0，rg≤hc，則

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3）如果 yA≤0，rg>hc，則

4）如果 yA≤0，rg≤hc，則

1.6 繞擊跳閘率計算

綜合考慮風偏、地形和工作電壓概率分布后，推得每年每100 km的繞擊閃絡次數的計算公式為

式中：Ng為地閃密度；Imax為最大繞擊電流；Ic為繞擊耐雷水平。

2 基于典型桿塔的繞擊性能仿真分析

按我國±660 kV高壓直流輸電線路設計參數，導線采用4×JL/G3A-1000/45型鋼芯鋁絞線，分裂導線的分裂間距400 mm；避雷線采用LBGJ-150-20AC鋁包鋼絞線，年雷電日40；以ZP2711和JP2711兩種型號的桿塔為例，見圖3。 下面首先利用ZP2711塔型線路分析導線工作電壓、地面傾角和風速對線路繞擊跳閘率的影響，然后將模型分別應用于采用ZP2711和JP2711兩種塔型的線路，對它們的繞擊特性進行了比較分析。

圖3 ±660 kV線路典型塔型結構參數

2.1 導線電壓瞬時值對繞擊跳閘率的影響

表1 繞擊跳閘率比較

從表1可見，在地面傾角相同的情況下，不考慮導線工作電壓時的繞擊跳閘率幾乎是考慮導線電壓的一半。隨著地面傾角的增大，繞擊跳閘率逐漸增大。因此研究±660 kV高壓直流輸電線路的雷擊性能時必須要考慮導線工作電壓。

2.2 地形對繞擊跳閘率的影響

圖4是綜合考慮風偏、地形以及導線工作電壓的情況下，在風速v不同時線路繞擊跳閘率n隨地面傾角θ變化的情況。隨著地面傾角的增大，線路繞擊跳閘率增大，地面傾角在0°到10°之間時，繞擊跳閘率略有增大；隨著地面傾角的增大，繞擊跳閘率的增長速度加快。隨著風速的增長，繞擊跳閘率隨地面傾角的增長速度也加快。

圖4 地面傾角對繞擊跳閘率的影響

2.3 風速對繞擊跳閘率的影響

圖5為綜合考慮風偏、地形以及導線電壓瞬時值的情況下，地面傾斜角 θ分別為 0°、10°、20°、30°時線路繞擊跳閘率n隨風速v變化的情況。 當風速小于5 m/s的時候，風偏對線路的影響不大，當風速大于5 m/s的時候，風偏對繞擊跳閘率的影響明顯增大。隨著地面傾角的增大，風速對繞擊跳閘率的影響越來越大。

圖5 風速對繞擊跳閘率的影響

2.2與2.3節的計算結果都說明惡劣的氣象條件與地形狀況是導致線路跳閘的主要原因。 地面傾角的增大使線路保護角增大，風偏又進一步增大了線路的繞擊暴露面積，這兩者相結合嚴重改變了線路本身的繞擊屏蔽性能，導致繞擊跳閘率大大增加。

表2 線路桿塔分別為ZP2711與JP2711時的仿真結果

2.4 兩種典型塔型ZP2711與JP2711的繞擊性能比較

線路桿塔分別為ZP2711與JP2711時的仿真結果如表2所示。表2中n為繞擊跳閘率（次/100km.a），Imax為最大繞擊電流（kA）。

桿塔為ZP2711的線路最大繞擊電流比桿塔為JP2711的大；這是因為ZP2711塔比JP2711塔的呼高高6 m，而且ZP2711的線路保護角比JP2711塔的大。根據國家電網公司輸變電設備運行規范對雷擊跳閘率的規定，在年雷暴日為40天/年的情況下，±660 kV線路雷擊跳閘率不宜超過0.1次/100 km.a。桿塔為ZP2711的線路，當地面傾角小于20°時，風速小于20 m/s時才能滿足繞擊跳閘率的設計要求。 桿塔為JP2711的線路，在本文所考慮的范圍內，即地面傾角小于30°，風速小于30 m/s時均能滿足要求。

3 結語

對于本文研究的兩種典型桿塔，由于桿塔為ZP2711的線路當風速大于20 m/s，且地面傾角大于20°時，繞擊跳閘率超過指標要求，因此適用于在內陸平原地區使用。而在山區和沿海地帶，桿塔JP2711的設計較為理想。

±660 kV線路導線的工作電壓使線路繞擊跳閘率增大1倍，影響不容忽視，因此在防雷設計中必須考慮導線工作電壓。

地面傾角小于5°時，風速對繞擊跳閘率的影響不大；說明在地形條件理想的情況下，可以不考慮風偏的影響。在地面傾角大于5°的時候，應該綜合考慮風偏、地形的影響，盡量使用線路呼高和保護角較小的桿塔。

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