架空輸電線路雷電電氣幾何模型的優化分析

（云南省電力設計院，云南 昆明 650051）

架空輸電線路雷電電氣幾何模型的優化分析

余 斌

（云南省電力設計院，云南 昆明 650051）

繞擊率的計算是架空輸電線路防雷性能評估中的重要內容。本文采用電氣幾何模型（EGM）計算雷電繞擊率，重點闡述了計算模型中關鍵因素的處理方法，指出其他處理方法的優缺點，并給出優化措施。計算結果與實際線路運行情況的對比表明，該推薦方法可以較為準確的計算架空輸電線路的繞擊率。

架空輸電線路；繞擊；電氣幾何模型

引言

國內外運行經驗表明，雷電是造成架空輸電線路跳閘的主要原因。國際大電網會議公布的美國﹑前蘇聯等12個國家的電壓275kV～500kV總長為32700km。輸電線路連續三年的運行資料反映，雷擊故障占60%。日本電力系統事故中由雷擊輸電線路造成的占50%。我國輸電線路故障中，雷擊也占很大比例，如2003年我國110kV～500kV線路雷擊閃絡跳閘占線路總跳閘的35.12%。因此，加強架空輸電線路防雷設計尤為重要。

在架空輸電線路雷電閃絡率計算中，一般分為繞擊率計算和反擊率計算。繞擊率的計算模型主要有兩種：電氣幾何模型（EGM）和先導傳播模型（LPM）。LPM計算所采用的參數存在爭議，計算結果也有較大的差異。目前，我國繞擊率的計算以EGM為主。

同時，雷電是一種復雜的自然現象。防雷設計中許多參數都具有不確定性。例如雷電流的波形，幅值分散性很大；不同的地質條件的桿塔接地電阻，差異很大，同時隨著時間的推移而發生變化；地域的雷電日或者落雷密度也是在統計意義上的平均值。這些因素都增加了防雷設計中的不確定性。在雷擊閃絡率的計算中，必須考慮這些因素。因此，防雷設計中應將理論計算與運行經驗結合起來，提出防雷的有效措施，以減少雷擊跳閘率，提高線路運行的可靠性。

1 電氣幾何模型

電氣幾何模型的基本原理為：由雷云向地面發展的先導頭部到達距被擊物體臨界擊穿距離（簡稱擊距）的位置以前，擊中點是不確定的，先到達哪個物體的擊距之內，即向該物體放電；擊距同雷電流幅值有關。本文重點論述電氣幾何模型中對計算結果影響較大或存在爭議因素的處理方法。

1.1 導線電壓

導線由于自身具有一定的電壓，尤其在超高壓﹑特高壓線路中，導線本身電壓可能很高，在擊距計算中必須考慮。中國電力科學院根據負極長間隙放電電壓與擊距的關系，指出導線擊距公式為：

Vdc為導線工作電壓，對于負電壓取正值，正電壓取負值。這是根據大部分雷電均為負極性得到的。

1.2 屏蔽率計算

以往的電氣幾何模型中，屏蔽率的計算是以暴露弧長在地面的投影來計算的，這樣當采用負保護角時，繞擊率便為零。從日本特高壓輸電線路運行中拍攝到的雷擊照片得知，有雷電先導側向擊中導線的情況發生。從雷電的先導模型可知，雷電的發展是個相當復雜的過程，暴露在雷電發展范圍的物體都有可能被雷電擊中。采用暴露弧長比計算屏蔽率更加近似物理模型。因此，推薦采用暴露弧長比計算屏蔽率。

1.3 同塔雙回或多回繞擊率計算

對于同塔雙回或者多回輸電線路繞擊率的計算，目前有兩種不同的考慮方法：

（1）分別作出各個導線和地線的擊距圓，以暴露導線總的暴露弧長與地線和導線弧長和的比值作為繞擊率。

（2）不考慮導線間互相的屏蔽效應，分別以每根導線和地線之間的幾何位置關系，計算繞擊閃絡率，取最大值作為線路的繞擊閃絡率。這種方法主要是基于以下兩個事實：①只要一根導線發生繞擊閃絡，即認為整個線路發生繞擊閃絡，導線間的互相屏蔽作用對整個線路的繞擊閃絡率影響很小；②這種處理方式得到的繞擊率與第一種方法比較相差不大，但是實現起來要簡單的多。

推薦第二種方法。

1.4 雷電入射角

（1）根據雷電先導模型的研究成果，雷電通道在向下發展過程中其發展方向具有一定的隨機性，從統計的規律來看，雷電通道總是趨于沿電場最大的方向發展。因此，雷電入射角概念本身并沒有物理過程上的依據。

基于以上分析，在雷電繞擊中考慮雷電入射角的觀點是錯誤的。至少在觀測數據比較少的情況下，沒有必要做這樣的處理。

1.5 后繼雷電流

Anderon R.B.和Eriksson在《Lighting parameters for engineering application 》指出：雷電在發展中經常存在，沿同一通道多次擊中地面物體的情況，而且后繼的雷電流的大小與先導雷電流無關，存在后繼雷電流超過先導雷電流的情況。因此，IEEE std1243-1997建議在繞擊計算中要考慮這個因素。但是，國內的研究多忽略這個因素。本文也不予考慮，認為在雷電流分布函數中已經涵蓋了這些情況。

1.6 交流線路導線電壓的選取

對于直流線路，不存在電壓相位的問題。但是，在交流線路中，由于電壓是時變的，要考慮雷擊時導線電壓的幅值。一般的處理方法為，每隔15°選擇選取一個電壓值，計算繞擊閃絡率，取平均值作為線路繞擊閃絡率。

1.7 地形的影響

輸電線路在空間上分布范圍很廣，沿線地形條件復雜。針對地形對雷電繞擊率的影響，主要有兩種處理方法：一種是在電氣幾何模型中以地面傾斜角度考慮地形；另一種方法是按地形分類對導線的平均高度經行修正。

第一種方法針對線路走廊不同的地形定義相應的地面傾角，在電氣幾何模型中考慮由于地面傾角造成的大地屏蔽效果的減弱。這種處理方法的缺點是沒有考慮地形對導線高度的影響，計算所得的結果偏于樂觀。

圖1 計算軟件輸入界面

表1 線路基本情況

第二種方法是美國E.R.Whitehead提出的。他將地形分為三類：平原﹑丘陵和山地。對于這三種地形，在確定導線高度的參數時采用不同的原則。計算公式如下：

其中，hdt為導線掛點高度，Sd為導線最大弧垂。

各種地形下地線對地的平均高度hb計算方法如下：

圖2 直線塔型式示意圖

圖3 耐張塔型式示意圖

本文中結合兩種處理方法，對不同類型的地形，考慮不同的地面傾角和導地線高度，由此更加全面的反應整個線路的防雷性能。

1.8 全線雷擊閃絡率的計算

根據IEEE std1243-1997給出的結論，全線雷擊閃絡率按如下公式計算：

Tn—典型區段雷擊閃絡率。

Ln—典型區段的長度。

2 計算軟件開發

根據以上分析，建立輸電線路繞擊電氣幾何計算模型，并開發相應軟件。Excel本身具有強大的二次開發性。本文所設計雷電繞擊計算系統基于Excel平臺。

軟件界面如圖1所示。表格中實現基礎數據的錄入，VBA中實現計算過程。該軟件應用方便，可以方便的進行不同地線保護角下，不同地形下，雷電繞擊閃絡率的計算。

3 計算案例

線路實際繞擊閃絡率需長期運行觀測及積累。本文以某條500kV線路為例進行計算。線路基本情況見表1。直線塔型式如圖2所示，耐張塔型式如圖3所示。

將以上數據輸入計算程序，得到不同地形下雷電繞擊率，根據公式（4）進行加權，得到全線繞擊率，計算結果見表2。

表2 雷電繞擊率計算結果

根據參考文獻[5]中雷電反擊計算方法，該線路反擊跳閘率在0.124次/（100km·a）。因此，該500kV線路全線雷擊跳閘率為0.392次/（100km·a）。該結果與山區線路運行經驗基本一致。

結語

（1）雷電繞擊輸電線路是一個非常復雜的物理過程。目前，繞擊率的計算一般使用電氣幾何模型。該模型與先導模型相比，雖然忽略了物理過程上的細節，但是計算結果仍可以反映線路的運行繞擊情況。

（2）在電氣幾何模型中，對于超﹑特高壓線路要考慮導線電壓，可以不考慮雷電的入射角。屏蔽率的計算使用弧長比更加科學。同時，本文還給出同塔多回線路，交流線路在計算繞擊率時應注意的問題。

（3）結合以往的研究結果，給出繞擊率計算中地形因素的處理方法，并使用IEEE推薦公式計算整條線路的繞擊率。

（4）開發繞擊計算軟件并與科研單位的成果進行了對比。線路的繞擊率與線路的所處的自然條件緊密相關，應針對不同區域不斷積累相關數據，完善模型。

[1]杜澍春.關于輸電線路防雷計算中若干參數及方法的修改意見[J].電網技術，1996，20（12）：53-56.

[2]Kunihiko Miyake，Toshio Suzuki，Masao Takashima，Masao Takuma，Takashi Tada.Winter lightning on Japan sea coast[J].IEEE Transactions on Power Delivery， Vol.5， No.3， July 1990：1370-1376.

[3]張志勁，司馬文霞，蔣興良，等. 超/特高壓輸電線路雷電繞擊防護性能研究[J]. 中國電機工程學報， 2005， 25（10）：1-6.

[4]王城鋼，張仲先，潘秀寶，等.架空輸電線路繞擊防護的新措施[J].高電壓技術，2008，34（03）：620-624.

[5]DL/T 620-1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

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