輸電線路繞擊耐雷性能計算方法研究探索

張金國

摘 要：針對電網(wǎng)快速發(fā)展已給輸電線路繞擊耐雷性能計算帶來的新問題，結(jié)合輸電線路的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢，比較、分析了幾種常用的繞擊耐雷性能計算方法，重點(diǎn)分析了其計算過程和優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了亟待解決的問題及相應(yīng)的改進(jìn)方法，最后指出，今后的研究重心應(yīng)該放在尋求一種能夠有效考慮平行走廊分布的，不同電壓等級線路間的相互屏蔽作用上，主要有兩類情況，即分析高電壓等級對低電壓等級的屏蔽和分析標(biāo)高高位的線路對低位線路的屏蔽。這兩類情況均要考慮包括線路本身擊距、標(biāo)高、桿塔高度、桿塔所處地理位置和情況等因素的輸電線路繞擊耐雷性能計算模型和方法，以指導(dǎo)輸電線路防雷設(shè)計向著更為可靠與經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：輸電線路；繞擊耐雷性能；屏蔽作用；線路繞擊率

中圖分類號：TM863 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.114

從電網(wǎng)的實際運(yùn)行情況來看，輸電線路安全、可靠運(yùn)行的最大威脅仍是雷害。莆田地區(qū)四區(qū)一縣中有3個位于強(qiáng)雷區(qū)。2013—2014年，35～220 kV輸電線路主要跳閘原因按次數(shù)依次為雷擊、外力破壞、異物、山火、產(chǎn)品質(zhì)量、冰害、鳥害、風(fēng)害。其中，雷擊跳閘占比達(dá)50%以上，尤其是2014年，雷害占比高達(dá)60%.220 kV線路雷電跳閘占自然災(zāi)害的比例超過60%，雷電已成為莆田輸電網(wǎng)絡(luò)可靠供電的最大威脅。國內(nèi)外經(jīng)過幾十年的防護(hù)雷電研究，已取得許多重要成果，并獲取了許多正確的耐雷水平確定方法。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求日增，輸電線路建設(shè)劇增，土地資源越發(fā)珍貴。據(jù)統(tǒng)計，輸電線路通道費(fèi)用占線路建設(shè)投資的比例呈上升趨勢，已達(dá)20%以上。在輸電線路的設(shè)計上，不同電壓等級線路同一平行通道分布設(shè)計已極為常見，因不同線路間存在屏蔽作用等，需要進(jìn)一步完善耐雷水平確定方法。

比較、分析幾種常用的繞擊耐雷性能計算方法，重點(diǎn)分析其計算過程和優(yōu)缺點(diǎn)，筆者就如何尋求一種能夠有效考慮平行走廊分布的，不同電壓等級線路間的相互屏蔽作用的耐雷水平確定方法提出一些自己的看法。

1 輸電線路發(fā)展趨勢

1.1 輸電線路發(fā)展建設(shè)的主要問題

面對我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)度不斷深入，土地資源越發(fā)緊張，

電力先行與土地規(guī)劃矛盾不斷升級，相互促進(jìn)、相互制約的情況，為適應(yīng)環(huán)境，緊湊型輸電線路已成為主要發(fā)展模式。

1.2 輸電線路今后的主要發(fā)展模式

輸電線路今后的主要發(fā)展模式有以下3種：①為平衡電力建設(shè)和土地資源兩者的關(guān)系，輸電線路架設(shè)模式逐步由原來單回路向同塔多回路轉(zhuǎn)變；②采用技術(shù)成熟的不同電壓等級同塔多回路架設(shè)模式；③同一通道不同電壓等級多回路同塔架設(shè)模式。

2 輸電線路雷電防繞擊研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外幾十年研究分析和運(yùn)行經(jīng)驗表明，現(xiàn)有的幾種雷電防繞擊計算方法和模型在一定程度上是科學(xué)、可行的。

2.1 規(guī)程法

采用規(guī)程法，通過分析線路地線保護(hù)角、線路所處地理位置（地形、地貌、山背、山脊、地質(zhì)條件、鄰近水庫等）、桿塔高度、桿塔標(biāo)高等因素，得到平原、山區(qū)線路繞擊率關(guān)系式分別如下：

式（1）（2）中：α為地線保護(hù)角，°；Pα為繞擊率，%；h為桿塔高度，m。

經(jīng)過多年的運(yùn)行經(jīng)驗證實規(guī)程法科學(xué)、可靠，但其是基于小電流試驗?zāi)Ｐ退玫摹ｋS著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，負(fù)荷不斷增加，該方法已越來越無法反映具體線路特征，更無法對線路間的屏蔽作用現(xiàn)象進(jìn)行解釋，已跟不上時代的發(fā)展，不適用于現(xiàn)有的緊湊型輸電線路。

2.2 先導(dǎo)發(fā)展模型法

先導(dǎo)發(fā)展模型LPM是一種利用長間隙放電過程來模擬自然雷電放電過程，通過分析吸引半徑、側(cè)面距離等參數(shù)來判斷實際雷電活動情況的分析計算模型。分析過程所用的吸引半徑、側(cè)面距離等參數(shù)由雷電流幅值、結(jié)構(gòu)物高度構(gòu)建函數(shù)所得。這些參數(shù)是否符合雷電實際活動情況，有待進(jìn)一步實踐證明。

2.3 電氣幾何模型法

電氣幾何模型EGM是一種建立雷電放電特性與線路結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)聯(lián)的幾何分析計算模型。假設(shè)桿塔、避雷線、導(dǎo)線三者擊距相等，在雷電未擊穿物體前，擊中點(diǎn)不確定。圖1為EGM屏蔽保護(hù)計算幾何圖。

圖1中，雷電流強(qiáng)度I的雷電先導(dǎo)定位置曲線為CABD，弧線AC和AB分別以地線、導(dǎo)線為圓心、半徑為rs的圓弧，BD為平行于地面、高度為rk的直線。弧線AB為暴露弧線，定位在AB上的落雷將繞擊導(dǎo)線；弧線AC為屏蔽弧線，定位在AC上的落雷將擊中避雷線。隨著雷電流的增加，暴露弧段越來越小，對應(yīng)于CmAmBmDm的雷電流為可發(fā)生繞擊的最大雷電流Imax，對應(yīng)導(dǎo)線、地面的最大擊距分別為rsmax，rkmax，導(dǎo)線將被完全屏蔽。綜上可知，僅當(dāng)雷電流強(qiáng)度I∈（Imin，Imax）時，繞擊率的計算如下：

式（3）（4）中：Ng為地閃密度，km2/a；Imin為可發(fā)生繞擊的最小雷電流，為2～3 kA；Imax為可發(fā)生繞擊的最大雷電流，kA；Zs為導(dǎo)線的暴露距離，m；Ic為可發(fā)生繞擊的臨界雷電流，kA；p（I）為雷電流幅值的概率密度函數(shù)。

該方法已被廣泛使用于解釋線路繞擊特性分析和屏蔽失效現(xiàn)象。由于其假定在雷電未擊穿物體前，桿塔、避雷線、導(dǎo)線三者擊距相等，導(dǎo)致計算結(jié)果產(chǎn)生偏差。

2.4 改進(jìn)的電氣幾何模型法

針對經(jīng)典電氣幾何模型計算方法的不足，Eriksson提出改進(jìn)模型，借由吸引距離來考慮桿塔高度對雷電防繞擊分析計算的影響，更加接近實際。雷電先導(dǎo)進(jìn)入吸引半徑內(nèi)即發(fā)生雷擊，超出吸引半徑的即直接擊向地面，為后續(xù)研究提供指導(dǎo)方向。

3 亟待解決的問題

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，各種電壓等級輸電線路交錯縱橫，整體輸電網(wǎng)絡(luò)越發(fā)復(fù)雜，尋找合理的繞擊計算方法尤為重要。改進(jìn)的電氣幾何模型法有效考慮了線路間的相互屏蔽作用、電壓等級、高度等因素對擊距的影響以及雷擊大地、避雷線、導(dǎo)線時的差別。因此，如何改進(jìn)，以最大限度地接近現(xiàn)場實際情況成為重要的研究課題。下面就改進(jìn)方法的關(guān)鍵因素進(jìn)行簡要說明。

3.1 擊距公式

上述兩種擊距公式均只考慮雷電流幅值、桿塔高度因素的影響，且分析計算結(jié)果同實際情況是否吻合還有待檢驗。因此，擊距公式的選擇有待進(jìn)一步研究。

3.2 雷電先導(dǎo)對導(dǎo)線與地面擊距不同的影響

擊距系數(shù)k，即雷電先導(dǎo)對地?fù)艟嗯c雷電先導(dǎo)對導(dǎo)線擊距的比值。擊距系數(shù)會直接影響繞擊跳閘率計算結(jié)果和對線路耐雷水平的評估工作。在經(jīng)典的電氣幾何模型中，事先假定雷電先導(dǎo)對導(dǎo)線、避雷線、地面三者的擊距相等。但此屬于理想化設(shè)想，現(xiàn)實中線路桿塔高度不斷增加。此設(shè)想已無法真實反映現(xiàn)場實際情況，無法科學(xué)模擬雷電活動情況。現(xiàn)較常見的3種擊距模型，朱氏模型選定擊距系數(shù)k為0.9，Mousa選定擊距系數(shù)k為1.0～1.2，IEEE導(dǎo)則選定擊距系數(shù)k為0.6375～1.IEEE導(dǎo)則中擊距系數(shù)表達(dá)式為：

3.3 考慮各因素對雷電繞擊跳閘率的影響

由現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗可知，在同一平行走廊分布的不同電壓等級線路間存在兩類屏蔽作用，要考慮線路本身擊距、標(biāo)高、桿塔高度、桿塔所處地理位置和情況等因素。然而，傳統(tǒng)方法均不能夠很好地描述不同因素對繞擊跳閘率的影響，因此，對改進(jìn)的電氣幾何模型再進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，以有效考慮不同因素的影響還有待進(jìn)一步研究。

4 輸電線路繞擊耐雷性能研究的展望

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，各種電壓等級輸電線路交錯縱橫，整體輸電網(wǎng)絡(luò)越發(fā)復(fù)雜，桿塔高度越來越高，塔型結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，傳統(tǒng)輸電線路繞擊計算方法已不滿足實際需求，尋找合理的繞擊計算方法尤為重要。它將指導(dǎo)輸電線路防雷設(shè)計向著更為可靠與經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。今后研究的重點(diǎn)是結(jié)合實際情況，尋找一種能夠有效考慮高電壓等級線路對低電壓等級線路間屏蔽作用和標(biāo)高高位的線路對低位的線路的屏蔽作用的輸電線路繞擊耐雷性能計算模型和方法，指導(dǎo)輸電線路防雷設(shè)計向著更為可靠與經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]維列夏金，吳維韓.俄羅斯超高壓和特高壓輸電線路防雷運(yùn)行經(jīng)驗分析[J].高電壓技術(shù)，1998（2）：76-79.

[2]柴小亮，李海璇，吳漢斌.輸電線路的建設(shè)規(guī)劃與發(fā)展分析[J].電子世界，2012（22）：53.

[3]電力工業(yè)部電力科學(xué)研究院高壓研究所.DL/T 620—1997 交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[4]朱木美.架空地線的保護(hù)范圍及繞擊率的計算[J].華中工學(xué)院學(xué)報，1965，5（8）：1-14.

〔編輯：劉曉芳〕