超特高壓輸電線路繞擊性能分析

劉 意，文 藝

(國網四川檢修公司，四川 成都 610072)

超特高壓輸電線路繞擊性能分析

劉 意，文 藝

(國網四川檢修公司，四川 成都 610072)

運用電氣幾何模型(EGM)的方法來分析超/特高壓交流輸電線路的繞擊耐雷性能，并給出了計及導線工作電壓的繞擊耐雷水平和繞擊跳閘率計算式。然后，再對影響超/特高壓輸電線路繞擊耐雷特性的雷電流幅值、桿塔高度、線路絕緣水平，線路所經過的地形、保護角、工頻瞬時電壓、地面植被等主要因素做了分析研究。

超特高壓；輸電線路；耐雷性能；電氣幾何模型；繞擊跳閘率

0 前 言

經驗表明，不同電壓等級的輸電線路雷擊跳閘的主要原因不同。500 kV及以上超/特高壓輸電線路，繞擊占絕大部分[1]。分析超/特高壓交流輸電線路的耐雷性能，就要對其繞擊耐雷性能展開分析。

超/特高壓線路輸送距離遠，線路走廊所經區域地形復雜，大多穿越中國多雷區域，因此，需要綜合考慮多方面因素對超/特高壓線路繞擊性能的影響。

1 雷電繞擊分析方法

中國現今常用的輸電線路繞擊耐雷性能的分析方法有：規程法、電氣幾何模型(electric geometric model,EGM)、改進型電氣幾何模型、先導發展模型(leader progression model,LPM)等。目前廣泛使用的EGM仍然有不足，這里提出了一種新的改進型EGM來分析超/特高壓輸電線路的繞擊特性。

2 超/特高壓輸電線路EGM

在超/特高壓交流輸電線路的雷擊跳閘事故中，繞擊引起的雷擊故障是主要因素。在運用EGM對輸電線路繞擊耐雷性能進行分析時，由于超/特高壓桿塔很高，當較小的雷電流繞擊導線時，大地雷電捕捉面離地高度低于導線在桿塔的懸掛高度，因此，繞擊弧需要畫到導線所在水平面以下。文獻[2]還表明導線擊距與雷電流、導線平均高度和導線工作電壓有關。

在已有EGM基礎上，給出了一個垂直地面落雷的桿塔線路EGM(水平地面)，如圖1所示。圖中，α為地線保護角；以過地線的垂線為基準逆時針為正，順時針為負；θ1、θ2以水平線為基準，逆時針劃過為正，順時針劃過為負；W為邊相導線到桿塔中垂線的水平距離；hg、hc分別為地線和導線的平均對地高度；hs為大地雷電捕捉面離地高度；Rg、Rc為地線和導線的擊距。圖2所示EGM的基本原理與經典EGM類似，只不過這里考慮了導、地線以及大地對雷電先導吸引能力的區別，在分析導線上的擊距時，還考慮了導線上的工作電壓的影響。地線擊距公式、大地雷電捕捉面離地高度公式如下。

地線擊距[3]為

(1)

大地雷電捕捉面離地高度為[4]

hs=5.5I0.65

(2)

式中，I為雷電流幅值。

考慮導線工作電壓時，按以下方法確定其擊距計算式。長空氣間隙的負極性放電電壓跟不考慮工作電壓時導線擊距的關系如下[5]。

(3)

式中，Rc0為不考慮工作電壓導線的擊距；U0為雷電先導頭部電壓MV。

根據式(1)和式(3)可得

(4)

雷電對導線的擊距公式如下：

(5)

式中，UPH為導線上工作電壓的瞬時值,MV。

圖1 完整桿塔線路的電氣幾何模型

由圖1所示EGM可以看出，當雷電先導進入弧OB或弧FB上，雷電放電將擊向地線，這樣導線就被保護起來了，故稱弧OB和弧FB為屏蔽弧；當雷電先導進入弧OA或弧FE上，則雷擊擊中導線，地線未起到應有的屏蔽作用，即發生了繞擊現象，弧OA和弧FE稱作繞擊弧；若雷電先導落地大地雷電捕捉面上，那么雷電將對大地放電。

3 各因素對超/特高壓輸電線路繞擊的影響

中國的防雷體系對線路走廊的雷電活動特征掌握不夠全面，線路結構及地形地貌特征等還未能全面考慮，使得目前的防雷設計和措施改造還處于簡單、粗放的狀態，缺乏針對性[1]。因此，應該充分考慮線路工作電壓、走廊雷電活動、線路絕緣配置、線路桿塔結構特性以及地形地貌等因素的影響，對輸電線路的防雷進行綜合評估[6]。

3.1 導線工頻電壓對繞擊的影響

3.1.1 導線工頻電壓對繞擊耐雷水平的影響

計及導線工頻電壓的繞擊等效電路見圖2。圖中虛線右側UPH=UPHmcos(wt+φ0)為從雷擊點A看向被擊交流線路的瞬時工作電壓，Z/2為被擊線路的等值波阻抗，Z為線路波阻抗；虛線左側為從雷擊點A看向雷電通道的電壓源等效電路，U0分別代表沿雷電通道傳播而來的電壓波；Z0代表的是雷電通道的等值波阻抗。

從圖2易得，雷擊點A的電壓表達式如式(6)：

(6)

在粗略計算式，近似有Z0≈Z/2成立。式(6)可簡化為

(7)

繞擊導線時，整個雷電放電過程的時間相對于工頻電壓變化的時間非常短，可認為雷擊過程工作電壓瞬時值不變，當雷擊發生在工頻電壓位于任意初始相位φ0時，即存在

(8)

令Z=400Ω，UA=U50%，其中U50%為絕緣子串50%沖擊放電電壓。則計及導線工作電壓時繞擊耐雷水平[7]公式為

(9)

圖2 線路繞擊等效計算電路

3.1.2 導線工頻電壓對繞擊跳閘率的影響

繞擊要造成跳閘事故須滿足兩個條件，當繞擊雷電流幅值I大于線路耐雷水平Imin時才會發生絕緣閃絡現象，但絕緣閃絡并不一定會造成跳閘，只有在沖擊閃絡轉化為穩定的工頻電弧才會引起線路跳閘。其中沖擊閃絡轉化為穩定的工頻電弧的概率稱為建弧率η[8]。建弧率可由式(10)獲得：

η=(4.5E0.75-14)×10-2

(10)

式中，E為絕緣子串的平均電場強度，可由式(11)求得：

(11)

式中，Un為線路運行額定電壓；l為絕緣子串長度。

由圖2中幾何關系不難得出

(12)

(13)

那么，雷電流幅值I繞擊概率Pα為

雷電流幅值概率是表征雷電活動頻度，計算繞擊跳閘率的另一重要參數。西南交通大學結合中國雷電流幅值概率分布，提出了一種適合中國實際情況的雷電流概率密度計算公式[9]。該雷電流概率密度PI的計算為

(15)

由式(15)和式(16)，可得繞擊閃絡率Pf為

(16)

因為雷電流幅值為Imax時，繞擊弧變為0，θ1=θ2，聯立式(12)和式(13)，并帶入導、地線擊距和大地雷電捕捉面高度可求得Imax。

繞擊跳閘率n(次/km·a)的計算式如式(17)。

n=NPfη

(17)

式中，N為分析線路的年落雷次數。

3.2 雷電流對繞擊的影響

雷電流有兩方面含義：一是雷電流幅值的大小；二是雷電流幅值概率，其取值精確性直接關系到跳閘率的計算精度，進而也會對耐雷性能的分析產生影響。

3.2.1 雷電流幅值對繞擊的影響

圖3為雷擊線路的EGM。較大幅值的雷電流對應較大的擊距，一系列逐漸變大的雷電流形成了逐漸向外的一系列定位曲面，圖中陰影部分為各雷電流情況下的繞擊區，繞擊弧隨著雷電流幅值的增大而逐漸減小。當雷電流幅值超過該線路的繞擊耐雷水平Imin時，線路就會發生繞擊閃絡；當雷電流增大到Imax時繞擊弧長變為0，此時雷電不是擊中地線，就是擊中大地，而不會再發生繞擊。此時的雷電流幅值Imax稱為該線路的最大臨界繞擊電流，對應的擊距則是最大擊距Rcm[10]。最大擊距Rcm與桿塔上導、地線的平均高度、塔頭結構以及地形等有關。考慮擊距系數β時，水平地面的最大擊距計算公式為

(18)

式中，F=β2-sin2α；G=F[(hg-hc)/cosα2]。

圖3 雷擊線路的電氣幾何模型

3.2.2 雷電流幅值概率對繞擊的影響

每次雷擊的雷電流幅值呈隨機概率分布，通過分析大量實測的雷電流幅值，可得到雷電流的幅值概率分布曲線。數據表明：雷電流幅值概率分布具有很強的地域性，它主要和該地區的緯度、地形地貌、雷暴強度等因素有關。

國網武漢高壓研究院對1 000kV特高壓交流輸變電示范工程沿線雷電分布特征和易閃絡段開展了全面的分析得到了如圖4所示的沿線路走廊雷電流幅值累積概率分布曲線和圖5所示的雷電流自然分布概率曲線。

圖4 雷電流幅值累積概率分布曲線

以“晉東南—南陽—荊門”1 000kV特高壓交流輸變電示范工程ZBS2桿塔為例，由式(9)可得計及導線工作電壓時的最小耐雷水平Imin≈35.51kA，雷電流概率密度PI≈32%，即幅值超過繞擊最小閃絡電流35.51kA的雷電流概率約為32%。

圖5 雷電流自然分布概率曲線

3.3 線路絕緣水平對繞擊的影響

超/特高壓輸電線路的絕緣有兩類：一類是導線與桿塔之間的絕緣子串；另一類則是導線跟桿塔之間或大地之間的空氣間隙[10]。

輸電線路的絕緣水平主要取決于線路和桿塔間絕緣子串的放電特性。一般來說，當絕緣子串串長一定，絕緣子串片數越多，線路絕緣水平就越強，絕緣子串50%沖擊放電電壓U50%就越高，線路的繞擊跳閘率就越低，線路的耐雷水平就越高。為使線路保持一定的絕緣水平，在設計桿塔和導線布置形式時，應合理設置導線與桿塔或大地的空氣間隙。

3.4 線路走廊地形對繞擊的影響

從4種不同類型的地形狀況，考慮超/特高壓交流輸電線路的繞擊耐雷性能。平原下的繞擊狀況已在3.1節中做過相應分析，這里主要研究山坡、山頂、峽谷3種地形對繞擊的影響。

3.4.1 山坡上輸電線路繞擊分析

山坡線路的繞擊EGM如圖6。θ為山坡的傾角。

圖6 山坡線路EGM

繞擊弧在山坡地面的投影長度計算式如式(19)。

(19)

式中，θ1y、θ1z、θ2都是傾角θ的函數。由圖6可得

(20)

位于山坡的輸電線路繞擊率計算式為

(21)

位于山坡的右側和左側輸電線路的最大擊距Rmy和Rmz的計算式如式(22)。

(22)

式中，

(23)

(24)

由3.1節所述方法可以得到Imaxy、Imaxz。然后，可計算輸電線路的右側和左側的繞擊閃絡率Pfy和Pfz以及總的繞擊閃絡率Pf。

(25)

Pf=Pfy+Pfz

(26)

其中，PI為雷電流概率密度；Imin為繞擊閃絡的臨界電流，kA。

3.4.2 山頂上輸電線路繞擊分析

山頂線路的繞擊EGM如圖7。其中θy、θz分別為山體右側和左側的地面傾角。

繞擊弧在山坡地面的投影長度計算式如式(27)。

(27)

圖7 山頂線路EGM

θ2z位于山頂的輸電線路，其EGM中θ1y、θ1z、θ2y、都是山體傾角θy或θz的函數，由圖8可得

(28)

山頂輸電線路繞擊率計算式為

(29)

位于山頂的輸電線路右側與左側最大擊距Rmy和Rmz的計算公式為

(30)

式中，

(31)

(32)

求得輸電線路右(左)側最大繞擊雷電流Imaxy(Imaxz)，再根據式(25)和式(26)就可得到通過山頂的輸電線路的繞擊閃絡率。

3.4.3 峽谷上輸電線路繞擊分析

穿過峽谷輸電線路的繞擊EGM分析如圖8所示。θy、θz分別為峽谷右側和左側的地面傾角。

圖8 峽谷線路EGM

與位于山坡、山頂的輸電線路情況一樣，位于峽谷輸電線路繞擊弧與θ1y、θ2y、θ1z、θ2z有關。其繞擊弧在地面投影長度計算式如式(33)。

(33)

式中，θ1y、θ1z、θ2y、θ2z也都是山體傾角θy或θz的函數，其中θ2y、θ2z的計算式與式(28)中的計算式一樣。由圖8中幾何關系有

(34)

峽谷輸電線路繞擊率計算式為

(35)

穿越峽谷的輸電線路右側與左側最大擊距Rmy和Rmz的計算公式為

(36)

式中，Fy、Fz的計算式如式(37)，Gy、Gz的計算式與式(32)一致。

(37)

求得右側和左側最大繞擊雷電流Imaxy、Imaxz，再根據式(25)和式(26)就可得到通過山頂的輸電線路的繞擊閃絡率。

3.5 保護角對繞擊的影響

線路保護角對輸電線路繞擊耐雷性能也有較大影響。當輸電線路的保護角變小時，導線受到地線更強的屏蔽作用，輸電線路的繞擊跳閘率會降低[11]。固定塔型上的輸電線路，由于導線的弧垂大于地線的弧垂，故輸電線路在兩基桿塔檔距中央處有最小保護角，在塔頭處有最大保護角，所以在評價保護角對超/特高壓輸電線路繞擊特性的影響時，應選擇塔頭處的保護角來進行分析[12]。以特高壓ZBS2線路桿塔為研究對象，分析同一雷電流幅值不同線路保護角下平原地區塔頭處輸電線路繞擊EGM。

圖9 不同保護角下酒杯塔線路EGM

圖9為20kA雷電流下不同保護角時水平地面ZBS2塔型輸電線路繞擊EGM。通過逐漸縮短兩根避雷線之間的距離以逐漸增大線路保護角α，對不同保護角下輸電線路繞擊跳閘率做定性分析。

結果顯示：在20kA雷電流幅值作用前提下，地線位置從G移動到G″的過程中，當地線位于G處時，保護角α為負，導線不會發生導線繞擊的情況；當地線位于G″處時，保護角α為正，這時可能會發生繞擊導線的情況；當地線位于G′處時，并且當大于此保護角時，導線不再得到地線的有效屏蔽保護，小于此保護角時導線始終處于地線的有效保護下。稱地線位于G′處的保護角α0為20kA雷電流幅值作用時的臨界保護角，由圖9得

(38)

臨界保護角計算式為

(39)

3.6 地面植被對繞擊的影響

國內關于地面植被對輸電線路繞擊跳閘率的影響的研究還很少，IEEE工作組在IEEEStd1410-2004中給出了樹木對線路繞擊跳閘率影響的標準，認為地面植被對線路的屏蔽作用隨著樹木高度以及樹木與導線之間的水平距離的不同而存在較大差異[13]。地面植被影響下輸電線路繞擊跳閘率計算式為

N=n(1-Sf)

(40)

式中,N為考慮植被屏蔽后線路的繞擊跳閘率；n為沒有植被屏蔽作用的空曠地域中線路的繞擊跳閘率；Sf為樹木的屏蔽因素。

屏蔽因素Sf指線路周圍的樹木對單位線路繞擊的屏蔽作用[14]。Sf值的確定現在還沒有固定的公式，IEEEStd1410-2004給出了Sf隨樹木高度以及樹木與導線間的水平距離而變化的曲線圖10。

圖10 不同樹高、線路到樹水平距離時的屏蔽因數

線路周圍樹木對線路繞擊跳閘率的影響很大，在導線平均高度、樹木與導線間水平距離不變的情況下，樹木對線路的屏蔽作用隨著樹木高度的增加而增強，樹木高度越高繞擊跳閘率越小；在樹高不變，樹木與導線間水平距離不變的情況下，樹木對線路的屏蔽作用隨導線平均高度的增大而變小；高度大于10m的樹木，對線路的屏蔽作用隨與輸電線路水平距離變近而越強。

4 計算分析

這里以500kVZB1型酒杯塔為例，桿塔幾何尺寸如圖11所示。導線弧垂為12m，避雷線弧垂為9.5m，絕緣子串長度為5m，四川地區落雷密度取5 次/km2·a，繞擊耐雷水平為17kA。

地面傾角θ=0°，導線工頻電壓相角φ=0°，忽略地面植被影響時，不同絕緣子片數下線路的繞擊跳閘率如圖12(a)；地面傾角θ=0°，導線工頻電壓相角φ=0°，絕緣子串片數為28片，忽略地面植被影響時，不同線路保護角下線路繞擊跳閘率如圖12(b)；導線工頻電壓相角φ=0°，絕緣子串片數為28片，忽略地面植被影響時，不同地面傾角下線路繞擊跳閘率如圖12(c)；導線工頻電壓相角φ=0°，絕緣子串片數為28片，不同地面傾角線路繞擊跳閘率加權平均值下，不同樹高、不同線樹距離下線路繞擊跳閘率如圖12(d)。

圖11 500 kV單回線路桿塔結構幾何尺寸

圖12 不同影響因素對500 kV單回線路繞擊跳閘率的影響

圖12是根據上述繞擊跳閘率計算式所得500kVZB1型酒杯塔在不同影響條件下的繞擊跳閘率。從圖中可以看出：隨著絕緣子串片數的增加線路繞擊跳閘率降低；繞擊跳閘率值隨著保護角的增加逐漸增大，當保護角超過10°時，繞擊跳閘率值增加幅度變大；線路繞擊跳閘率隨著地面坡度的增大呈非線性上升趨勢；在導線平均高度、樹到導線水平距離不變的情況下，樹木越高，樹線路繞擊跳閘率越小，且樹木與輸電線路的水平距離越近時，線路繞擊跳閘率越小。

5 總結及建議

運用EGM分析了垂直地面落雷條件下超/特高壓交流輸電線路的繞擊性能，通過對影響其繞擊性能的幾個主要因素的分析，結果表明如下：

1)只有在繞擊導線的雷電流幅值I滿足：Imin

2)決定線路絕緣水平的絕緣子片數足夠多、導線與桿塔間或大地間的空氣間隙足夠長時，不會發生因線路絕緣而產生的繞擊故障；

3)線路經過山頂時，繞擊跳閘率最大；經過山坡時次之；位于峽谷的線路繞擊跳閘率最低；平原地區的線路繞擊跳閘率也很低；

4)減小地線保護角，繞擊跳閘率將明顯降低；

5)地面植被對超/特高壓輸電線路繞擊耐雷水平的影響，與樹高以及樹木到線路的水平距離等有關。

上述各繞擊影響因素的分析結果是在僅考慮某一個變量條件下得到的，而實際運行線路中，各類影響因素需綜合考慮，才能準確評價線路的繞擊特性。

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Electro-geometric model (EGM) is used to analyze the lightning protection performance of shielding failure for UHV/EHV transmission lines, and the formula for calculating the lightning shielding failure withstand level and the shielding failure trip-out rate is given which considers the effects of conductor operation voltage. Then, the main factors which would impact the lightning shielding failure performance for UHV/EHV transmission lines are analyzed and studied, such as lightning current amplitude, tower height, insulation level of lines, landforms along the transmission line corridor, the protection angle of tower, power-frequency voltage and ground vegetation.

EHV/UHV; transmission line; lightning protection performance; electro-geometric model; shielding failure trip-out rate

TM863

A

1003-6954(2015)03-0015-08

2015-03-19)

劉 意(1982)，工學碩士，工程師，研究方向為高壓輸電線路運行狀態監測與安全評價；

文 藝(1988)，男，工學碩士，研究方向為輸變電設備狀態監測與故障診斷。