跨越天山山區(qū)的750 kV 輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

董新勝，張 東

(國(guó)網(wǎng)新疆電力公司 電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊830011)

0 引言

隨著新疆電力的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模和復(fù)雜度在不斷提高，其安全運(yùn)行隱患也日趨嚴(yán)重。特別是隨著氣候的變化，新疆電網(wǎng)的雷擊事故呈現(xiàn)逐年增多的趨勢(shì)。尤其是處于伊犁的天山山區(qū)雷電活動(dòng)較為頻繁，使跨越天山山區(qū)的220 kV 輸電線路遭受雷擊而跳閘。750 kV 伊蘇輸電線路2013 年投運(yùn)，該線路起自烏蘇市西大溝鄉(xiāng)的750 kV 開(kāi)關(guān)站，止于尼勒克縣蘇布臺(tái)鄉(xiāng)西側(cè)約2 km 的750 kV伊犁變電站。線路共有桿塔539 基，線路檔距平均為480 m。其中耐張桿塔全部采用鐵塔，鐵塔呼高41～82 m。該線路大部通過(guò)天山山區(qū)，桿塔較高，雷擊風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，有必要進(jìn)行防雷評(píng)估，以降低雷擊對(duì)電網(wǎng)的威脅。

1 線路防雷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估影響因素

線路雷擊跳閘率與線路走廊內(nèi)的雷電活動(dòng)有極大的關(guān)系［1］，而線路走廊內(nèi)的雷電活動(dòng)強(qiáng)度由雷暴日、地閃密度和雷電流幅值分析概率等組成，根據(jù)雷電定位系統(tǒng)對(duì)雷電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)研究，一條線路走廊內(nèi)的雷電活動(dòng)強(qiáng)度也存在較大差異。因此在防雷評(píng)估中不能利用一個(gè)地區(qū)統(tǒng)一的雷電參數(shù)［2］，而應(yīng)當(dāng)根據(jù)雷電定位系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)分析。同時(shí)不同類(lèi)型的線路桿塔結(jié)構(gòu)的避雷線保護(hù)角不同，絕緣子片數(shù)不同會(huì)影響線路的耐雷水平，接地裝置不同會(huì)影響接地電阻的大小，進(jìn)而整體影響線路的耐雷水平，所以線路桿塔結(jié)構(gòu)在防雷評(píng)估中也應(yīng)當(dāng)有所考慮。現(xiàn)有繞擊計(jì)算方法中對(duì)地面傾角及風(fēng)速的考慮都較多，認(rèn)為地面傾角對(duì)線路的繞擊有較大的影響。而不應(yīng)當(dāng)把地形分為簡(jiǎn)單的山區(qū)平原，特高壓的跳閘率中繞擊占較大的部分，在特高壓線路的評(píng)估中應(yīng)當(dāng)充分考慮地形因素的影響。

2 線路雷擊跳閘率計(jì)算

2.1 線路反擊跳閘率計(jì)算

計(jì)算線路反擊跳閘率應(yīng)當(dāng)先計(jì)算線路反擊耐雷水平，線路反擊耐雷水平計(jì)算方法較常用的有規(guī)程法和ATP-EMTP(電磁暫態(tài)仿真)法，下面利用這兩種方法分別計(jì)算線路的耐雷水平。

根據(jù)DL/T620-1997 《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》中桿塔反擊耐雷水平計(jì)算公式:

式中:U50%為絕緣子50%放電電壓;ha橫擔(dān)對(duì)地高度，m;ht桿塔高度，m;hg避雷線對(duì)地平均高度，m，為避雷線高度-2/3 避雷線弧垂;hc導(dǎo)線對(duì)地平均高度，m，為避雷線高度-2/3 避雷線弧垂;k導(dǎo)線間耦合系數(shù)，取電暈修正后的數(shù)值;β 桿塔分流系數(shù);Ri桿塔沖擊接地電阻;Lt桿塔電感。

根據(jù)式1 計(jì)算不同桿塔的反擊耐雷水平如表1 所示。

表1 不同桿塔反擊耐雷水平統(tǒng)計(jì)表

EMTP 法與規(guī)程法的不同之處在于對(duì)桿塔上雷電流傳播時(shí)的模擬不同，750 kV 輸電線路桿塔較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，單一等值電感模型往往不適于此類(lèi)桿塔［3，4］。EMTP 法可以采用多波阻抗模型計(jì)算桿塔的反擊耐雷水平，相對(duì)于規(guī)程法的單一等值電感模型，多波阻抗模型可以考慮雷擊桿塔時(shí)雷電流在桿塔上傳播時(shí)的反射及桿塔上不同點(diǎn)電位對(duì)絕緣子串上過(guò)電壓的影響［5］。

桿塔不同位置的波阻抗計(jì)算方法不同，垂直圓柱體的波阻抗值主要依賴于該處導(dǎo)體的半徑和對(duì)地高度［6］，可以根據(jù)式(2)來(lái)描述垂直導(dǎo)體的波阻抗。

式中:r 和h 分別為圓柱體的半徑和圓柱體頂端距地垂直高度。

對(duì)于n 根平行圓柱體組成的系統(tǒng)，第k(k=2～n)根圓柱體的自波阻抗ZT-kk和第k 根與第l 根之間的互波阻抗ZT-kl可表示為式(3):

式中:Rkl為第k 根與第l 根導(dǎo)體間的距離。則系統(tǒng)總的波阻抗如式(4)所示:

然后根據(jù)上述計(jì)算方法計(jì)算桿塔各段的波阻抗，利用EMTP 建立750 kV 伊蘇線常用的塔型為ZB231P 的計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 ZB231P 桿塔EMTP 模型

根據(jù)不同的桿塔高度建立不同的EMTP 反擊仿真模型。由于750 kV 運(yùn)行電壓占絕緣子閃絡(luò)電壓較高，在計(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮工頻電壓的影響。然后不斷調(diào)整工頻的角度和雷電流的大小，依次得出不同桿塔高度時(shí)使絕緣子閃絡(luò)的最小閃絡(luò)電流。

圖2 和圖3 給出桿塔高度為50 m 初始相角30°雷電流320 kA 和330 kA 時(shí)導(dǎo)線上雷電過(guò)電壓的波形圖。

從圖中可以看出，桿塔高度50 m 初始相角30°雷電流320 kA 時(shí)絕緣子沒(méi)有閃絡(luò);當(dāng)雷電流增大到330 kA 時(shí)絕緣子發(fā)生了閃絡(luò)，此時(shí)可以取桿塔的反擊耐雷水平為325 kA。

由于桿塔高度有多種，其他高度的桿塔的反擊耐雷水平計(jì)算過(guò)程與50 m 高桿塔的計(jì)算方法相同，計(jì)算得出不同桿塔高度的反擊耐雷水平結(jié)果如表2 所示。

圖2 320 kA 時(shí)導(dǎo)線波形圖

圖3 330 kA 時(shí)導(dǎo)線波形圖

表2 不同高度桿塔反擊耐雷水平統(tǒng)計(jì)表

雷擊時(shí)工頻電壓瞬時(shí)值按相角均勻分布考慮［7］。在計(jì)算中將1 個(gè)工頻周期的相角劃分為n1個(gè)相角區(qū)間，由此計(jì)算線路耐雷水平概率P 如式(5)所示

式中:Pj為線路在不同的工頻相角區(qū)間內(nèi)的耐雷水平概率;n1為劃分的n1個(gè)相角區(qū)間。n1一般取12，仿真中需分別計(jì)算12 種相角狀態(tài)下的耐雷水平，然后根據(jù)式(5)計(jì)算線路的反擊耐雷水平。

線路的反擊跳閘率計(jì)算公式如式(6)所示

式中:NL為線路每100 km·a 的落雷次數(shù)，其值的選取根據(jù)新疆雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2010～2013 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);η 為建弧率;P1為計(jì)及工作電壓的統(tǒng)計(jì)耐雷水平概率;g 為擊桿率，建弧率η 為1。

規(guī)程法計(jì)算得出的反擊跳閘率最大為0．461 3次/百km·a，平均為0．042 13 次/百km·a。EMTP法計(jì)算反擊跳閘率最大為0．089 8 次/百km·a，平均為0．033 18 次/百km·a。從上述分析可以看出，規(guī)程法計(jì)算得的反擊跳閘率較高，與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不相符合，不宜在防雷評(píng)估中應(yīng)用。

2.2 線路繞擊耐雷水平計(jì)算

目前我國(guó)輸電線路的雷電繞擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其性能估算，以電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》為依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為:雷電繞過(guò)避雷線直擊導(dǎo)線的概率與避雷線對(duì)邊導(dǎo)線的保護(hù)角、桿塔高度以及線路經(jīng)過(guò)的地形、地貌、地質(zhì)條件有關(guān)，平原和山區(qū)線路的繞擊率與保護(hù)角和桿塔高度的關(guān)系如下:

平原線路:

山區(qū)線路:

式中:Pα為線路繞擊率;α 為線路保護(hù)角;h 為桿塔高度。

在利用導(dǎo)線波阻抗計(jì)算線路繞擊耐雷水平如式(9)所示［8］

式中:Zc為導(dǎo)線波阻抗，約為300 Ω。前蘇聯(lián)科學(xué)家通過(guò)觀測(cè)和分析得出雷電通道的等值波阻抗Z0在300～3 000 Ω 間變動(dòng)。雷電流小于5 kA 時(shí)，Z0值約為數(shù)千歐;雷電流處在5～30 kA 范圍時(shí)，Z0值為900～600 Ω。從嚴(yán)考慮，取Z0=900 Ω，由彼德遜法則，得

即U=IZc/2．33

根據(jù)750 kV 線路絕緣子U50%閃絡(luò)電壓為3 100 kV，計(jì)算得出750 kV 線路的繞擊耐雷水平為24．1 kA。

計(jì)算得出線路繞擊耐雷水平后，分別根據(jù)規(guī)程法和改進(jìn)電氣幾何模型法計(jì)算線路繞擊跳閘率［9］。改進(jìn)電氣幾何模型法考慮了擊距系數(shù)和地面傾角的影響，可以客觀衡量不同地形下線路遭受雷擊的情況。改進(jìn)電氣幾何模型法介紹較多［10，11］，這里不再介紹，利用規(guī)程法計(jì)算線路繞擊率最大為0．140 3 次/百km·a，平均為0．043 4次/百km·a，而且平原地區(qū)的平均為0．030 5次/百km·a，山區(qū)平均為0．063 8 次/百km·a;利用改進(jìn)電氣幾何模型法計(jì)算線路最大繞擊率為1．162 2 次/百km·a，平均為0．078 8 次/百km·a，同時(shí)在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)平原地區(qū)的繞擊率基本為0，繞擊嚴(yán)重地區(qū)集中在山區(qū)和大檔距線路段。從以上分析可以看出，規(guī)程法不能有效反映地形地勢(shì)的影響，所以在防雷評(píng)估中推薦采用改進(jìn)電氣幾何模型法。

3 線路雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《110(66)kV～500 kV 架空輸電線路管理規(guī)范》及相關(guān)研究和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，750 kV 線路雷擊跳閘率取500 kV 的80%，《110(66)kV～500 kV 架空輸電線路管理規(guī)范》中各電壓等級(jí)線路的雷擊跳閘率(歸算到40 個(gè)雷暴日，2．78 次/(km2·a))，500 kV 應(yīng)達(dá)到如下指標(biāo):0．14 次/百km·a。因此，750 kV 伊蘇線線路走廊的地閃密度取2．9 次/(km2·a)，對(duì)應(yīng)的雷擊跳閘率指標(biāo)值為0．11 次/百km·a。按照以往750 kV 超高壓線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，繞擊占90%、反擊占10%，因此將750 kV 伊蘇線繞擊跳閘率指標(biāo)值定為0．099 次/百km·a反擊跳閘率指標(biāo)值定為0．011 次/百km·a。根據(jù)跳閘率指標(biāo)，實(shí)際跳閘率在跳閘率指標(biāo)50%以下的防雷評(píng)估為優(yōu)，等級(jí)為A;實(shí)際跳閘率在跳閘率指標(biāo)50%以上100%及以下的防雷評(píng)估為良，等級(jí)為B;實(shí)際跳閘率在跳閘率指標(biāo)100%以上150%以下的防雷評(píng)估為中，等級(jí)為C;實(shí)際跳閘率在跳閘率指標(biāo)大于150%以上的防雷評(píng)估為差，等級(jí)為D;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)劃分指標(biāo)如表3 所示。

表3 750 kV 烏蘇—伊犁線雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)劃分指標(biāo)

對(duì)各基桿塔的雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)劃分為A、B、C、D 的目的是將各桿塔繞擊、反擊防雷性能的相對(duì)強(qiáng)弱更為直觀的表示出來(lái)。其中A 與B 為合格，C 為略不合格，D 為嚴(yán)重不合格。

3.1 反擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

沿線逐基桿塔反擊跳閘率計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。反擊A、B、C、D 各級(jí)的桿塔數(shù)量分別為469 基、0 基、0 基、69 基，比例為87．17%、0．00%、0．00%、12．83%，也即有87．17% 的桿塔具有相對(duì)較好的防反擊性能，有12．83%的桿塔反擊防雷性能不理想，反擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)偏高。反擊風(fēng)險(xiǎn)偏高的桿塔主要集中在前200 基桿塔，約占到90%，這部分桿塔主要位于山上，剩下的10%風(fēng)險(xiǎn)較高主要是在大跨越段。

圖4 不同桿塔反擊跳閘率

3.2 繞擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

沿線逐基桿塔繞擊跳閘率計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。繞擊A、B、C、D 各級(jí)的桿塔數(shù)量分別為384 基、26 基、19 基、109 基，比例為71．38%、4．83%、3．53%、20．26%，也即有76．21% 的桿塔具有相對(duì)較好的防繞擊性能，有23．79%的桿塔繞擊防雷性能不理想，繞擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)偏高。繞擊風(fēng)險(xiǎn)偏高的桿塔主要集中在前200 基桿塔，約占到92%，這部分桿塔主要位于山上，剩下的10%風(fēng)險(xiǎn)較高主要是在大跨越段和桿塔比較高的線路段。

圖5 不同桿塔繞擊跳閘率

3.3 雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

沿線逐基桿塔雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。雷擊A、B、C、D 各級(jí)的桿塔數(shù)量分別為383 基、26 基、19 基、110 基，比例為71．19%、4．83%、3．53%、20．45%，也即有76．02% 的桿塔具有相對(duì)較好的防反擊性能，有23．98%的桿塔繞擊防雷性能不理想，繞擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)偏高。

圖6 不同桿塔雷擊跳閘率

4 改造措施

綜合上述分析，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合各種防雷措施的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，在對(duì)750 kV 烏蘇～伊犁線進(jìn)行防雷改造時(shí)，建議主要采用安裝防繞擊避雷針以及線路氧化鋅避雷器兩種措施進(jìn)行防雷改造。

(1)安裝防繞擊避雷針

750 kV 烏蘇～伊犁線位于山區(qū)部分線路走廊地形條件相對(duì)比較復(fù)雜，山頂及大檔距桿塔較多，因此針對(duì)繞擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)位于C 級(jí)和D 級(jí)的桿桿塔，本報(bào)告中建議安裝1 支或2 支可控針作為防繞擊措施。

(2)安裝線路氧化鋅避雷器

受到地形地貌、地閃密度、桿塔結(jié)構(gòu)等復(fù)雜因素的影響，750 kV 烏蘇～伊犁線部分桿塔的繞擊和反擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)較高。因此本報(bào)告建議對(duì)于反擊風(fēng)險(xiǎn)為C 級(jí)和D 級(jí)的桿塔安裝線路氧化鋅避雷器。

5 結(jié)論

應(yīng)用規(guī)程法和EMTP 法對(duì)線路的反擊跳閘率進(jìn)行了計(jì)算，用規(guī)程法和改進(jìn)電氣幾何模型法對(duì)線路的繞擊率進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，規(guī)程法不適合于750 kV 線路防雷評(píng)估的應(yīng)用。

利用雷電分布圖逐基計(jì)算了750 kV 伊蘇線在反擊及繞擊雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明有76．02%的桿塔具有相對(duì)較好的防反擊性能，有23．98%的桿塔繞擊防雷性能不理想，繞擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)偏高。

本次綜合防雷改造主要考慮降低線路的繞擊跳閘率。選用安裝線路避雷器和安裝側(cè)向避雷針作為此次防雷改造的主要改造措施。同時(shí)，建議運(yùn)行單位對(duì)部分接地電阻未達(dá)到要求的桿塔結(jié)合線路的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行接地改造。

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