高壓直流單回輸電線路耐雷性能研究

王恒康1，王佳燦1，高洛宜，何發(fā)璽

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.云南宇恬防雷材料有限公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

近年來，中國大力發(fā)展直流輸電線路，其中高壓直流輸電線路比例顯著增加，線路的雷擊事故也隨著增加[1-2]。雷擊線路不僅會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，也會給人民的財產(chǎn)和生命帶來危害，因此對高壓直流輸電線路的耐雷性能進行分析，并提出合理的耐雷措施具有重要的研究價值[3]。

輸電線路耐雷性能的研究方法經(jīng)歷了幾個重要階段，從最開始的以考慮感應(yīng)雷為主[4]，到運用行波理論來計算絕緣子串電壓分布[5]，再到采用模擬實驗、理論分析和現(xiàn)場測試等技術(shù)開展線路初步耐雷性能分析[6-7]，以及到現(xiàn)在的利用模擬試驗、現(xiàn)場實測、概率統(tǒng)計、計算機模擬計算等方法綜合分析計算線路耐雷性能等多個階段[8-9]。通過線路運行多年的總結(jié)經(jīng)驗以及相關(guān)學者的理論分析結(jié)果可以得出：500 kV及以上的輸電線路由于自身絕緣強度設(shè)計裕度比較大，跳閘率中繞擊占比較大；而針對占比較大的110 kV和220 kV高壓輸電線路，由于絕緣強度裕度相對比較小，雷擊跳閘以反擊為主[1-2，7，9]。

針對線路反擊和繞擊有多種分析方法，但每種方法都有其對應(yīng)的適用條件，因此對線路耐雷水平進行研究時需要考慮具體的現(xiàn)場運行環(huán)境，建立合適的反擊和繞擊模型[12-13]。針對跳閘率高的線路，需在耐雷性能水平理論研究的基礎(chǔ)上提出了多種措施，但此類方法的效果也是參差不齊[14，16]。

下面建立了較為精確的桿塔反擊和繞擊閃絡(luò)模型，并依據(jù)此模型分析了兩種桿塔線路的雷擊跳閘率，最后定量研究了避雷器對線路跳閘率的影響。

1 線路的耐雷性能分析模型

1.1 線路反擊閃絡(luò)模型

利用EMTP軟件建立基于行波法的反擊閃絡(luò)模型，并采用2.5/50 μs的標準雷電波。為了模擬的準確性，將高壓直流輸電線路塔身分為多段，并在程序中設(shè)置隨頻率變化的線路阻抗，如圖1所示。閃絡(luò)判斷依據(jù)以絕緣子的U50%值來判定，并考慮桿塔接地裝置的沖擊阻抗和雷電感應(yīng)電壓的計算。

采用基于行波法的EMTP程序來計算輸電線路反擊耐雷水平IFOC，結(jié)合對線路走廊雷電參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果，根據(jù)規(guī)程推薦的方法計算反擊跳閘率nSF為

nSF=NLηg[P(I>IFOC)]

(1)

式中：NL為百公里長度的落雷總次數(shù)；η為建弧率；g為擊桿率，按照規(guī)程規(guī)定取值；P(I>IFOC)為大于IFOC的雷電流概率密度函數(shù)。

圖1 線路桿塔及其等效模型

1.2 線路繞擊閃絡(luò)模型

在之前研究模型中，很少有考慮先導入射角度和桿塔在地面的傾角等因素對繞擊的影響，這里同時考慮這兩種情況的共同作用，示意如圖2所示。

圖2 高壓直流線路繞擊耐雷性能分析模型

在文獻[17]和文獻[18]對繞擊閃絡(luò)分析的基礎(chǔ)上，考慮先導入射角ψ和地面傾角等因素的影響，得出發(fā)生繞擊閃絡(luò)的概率。

導線C1的繞擊閃絡(luò)概率為

(2)

導線C2的繞擊閃絡(luò)概率為

(3)

線路的總繞擊閃絡(luò)概率為

SFFORC=SFFORC1+SFFORC2

(4)

式中：Ng為地閃密度；Imin為最小的繞擊發(fā)生電流；Ic為繞擊的臨界雷電流；I為繞擊閃絡(luò)時的最大電流；L為垂直于雷電入射方向的導線的暴露投影距離；

p(ψ)為先導入射角ψ的概率密度分布函數(shù)；P(I)為I的概率密度函數(shù)；IC1max和IC2max為兩導線繞擊的最大雷電流；φ1和φ2為導線C1的先導入射方向的最小和最大角度；φ3和φ4為導線C2的先導入射方向的最小和最大角度。

根據(jù)規(guī)程法可以計算出線路的繞擊跳閘率為

nFFOR=NLηSFFORC

(5)

故總的線路跳閘率為

n=nSF+nFFOR

(6)

2 線路雷擊跳閘率分析

2.1 高壓直流單回輸電線路參數(shù)

搭建±500 kV單回線路模型，相關(guān)參數(shù)見表1。

2.2 桿塔線路的雷擊跳閘率

1)桿塔線路的反擊跳閘率

針對負極性的雷電，正極導線更容易發(fā)生反擊。

表1 ±500 kV單回線路相關(guān)參數(shù)

因此這里主要計算雷擊正極性線路的情況，計算結(jié)果如表2所示。雷暴日和地閃密度對跳閘率有直接的影響，反擊跳閘率與雷暴日和地閃密度的乘積成正比；反擊跳閘率與桿塔接地電阻正相關(guān)。

2)桿塔線路的繞擊跳閘率

依據(jù)第1.2節(jié)相關(guān)理論，計算線路的繞擊跳閘率，由表3可知，桿塔的傾斜角與繞擊跳閘率正相關(guān)，傾斜角越大意味著暴露弧的面積越大，繞擊負極性線路時的跳閘率為0。

3)桿塔線路的雷擊總跳閘率

由表2至表5的計算結(jié)果可知，反擊跳閘率隨接地電阻的增大而增大，繞擊跳閘率隨地面傾角的增大非線性增大。線路跳閘率隨地閃密度增加線性增大。500 kV線路工作電壓的極性對跳閘率也有明顯影響，負極性雷電反擊正極性線路時線路反擊耐雷水平更低，跳閘率更高；負極性雷電繞擊正極性線路時線路繞擊耐雷水平高于負極性，但正極性導線對雷電先導的擊距明顯大于負極性導線：因此正極性導線繞擊跳閘率更高，負極性較小。

表2 桿塔反擊跳閘率(正極性線路)

表3 桿塔繞擊跳閘率(正極性線路)

表4 桿塔繞擊跳閘率(負極性線路)

表5 桿塔總跳閘率(正極性線路)

3 避雷器對線路耐雷性能影響分析

加裝線路型避雷器是防止雷擊線路跳閘的最有效措施之一。但一般而言加裝避雷器只能對所加裝相有較好的保護作用，對其他相鄰桿塔和本桿塔其他未加裝相影響很小。線路型避雷器一般只裝設(shè)在某些雷擊跳閘率嚴重偏高的桿塔上，例如山區(qū)地面傾角過大處、桿塔接地電阻過高處、轉(zhuǎn)角塔、保護角過大或特高桿塔等處。依據(jù)前述計算結(jié)果，正極性導線跳閘率更高，因此分析中主要針對正極性線路加裝避雷器的情況。依據(jù)上述分析，將單回輸電桿塔的正極導線加裝避雷器，參數(shù)見表6。

表6 單回線路加裝線路避雷器

圖3 避雷器伏安特性曲線

3.1 單回線路反擊耐雷水平

表7為避雷器對反擊跳閘效果的影響(正極性線路)。

由表7的計算結(jié)果可知，加裝避雷器后，反擊耐雷水平增加了32.5%。雷電反擊的耐雷水平均大于400 kA，高于400 kA的雷電概率幾乎為0。

3.2 單回線路繞擊耐雷水平

表8為加裝避雷器前后線路繞擊耐雷水平的比較(繞擊正極性線路)。

表7 避雷器對反擊跳閘效果的影響(正極性線路)

由表8的計算結(jié)果可知，加裝避雷器后，該桿塔的繞擊耐雷水平大幅度提高，繞擊耐雷水平提高了162.3%。

表8 加裝避雷器前后線路繞擊耐雷水平的比較(繞擊正極性線路)

4 結(jié) 語

1)搭建了以桿塔波阻抗為基礎(chǔ)的反擊閃絡(luò)模型以及考慮地面傾角和接地電阻作用的繞擊閃絡(luò)模型，提高了模型計算的準確性。

2)依據(jù)具體運行桿塔模型，研究了雷暴日、地閃密度和接地電阻對反擊跳閘率的影響規(guī)律，同時也分析了雷暴日、地閃密度和傾角對繞擊跳閘率的影響規(guī)律。

3)線路設(shè)置避雷器后，線路的反擊和繞擊耐雷程度各增加了32.5%和162.3%，線路總跳閘率明顯下降。