500kV同塔四回輸電線(xiàn)路全線(xiàn)雷擊特性研究

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司建設(shè)分公司 劉志偉 趙會(huì)龍 劉 巍 茅鑫同 揚(yáng)州北辰電氣集團(tuán)有限公司 周 俊

為提升輸電線(xiàn)路走廊利用效率、提高輸電線(xiàn)路的經(jīng)濟(jì)性，同塔多回輸電線(xiàn)路已成為遠(yuǎn)距離輸電的重要方式[1]。相比于傳統(tǒng)的單回輸電線(xiàn)路，同塔多回輸電線(xiàn)路桿塔高度高、引雷面積大、線(xiàn)路布置更加復(fù)雜，因此更容易發(fā)生雷擊事故[2-4]。而且，由于多回輸電線(xiàn)路布置在同一桿塔上，當(dāng)遭遇較大雷電流時(shí)，容易發(fā)生多回輸電線(xiàn)路同時(shí)跳閘的情況，造成大面積停電和電力設(shè)備損壞[5]。

因此，輸電線(xiàn)路雷擊特性對(duì)筑牢電網(wǎng)生產(chǎn)安全具有重要的作用。為了準(zhǔn)確獲取同塔多回輸電線(xiàn)路雷擊特性，需要結(jié)合線(xiàn)路實(shí)際條件，對(duì)全線(xiàn)輸電線(xiàn)路進(jìn)行分析。本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路的桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù)、沿線(xiàn)雷電活動(dòng)參數(shù)等，分析了線(xiàn)路沿線(xiàn)的繞擊和反擊特性。

據(jù)長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，同塔多回輸電線(xiàn)路因?yàn)榛芈窋?shù)較多、檔距長(zhǎng)、桿塔高，客觀上就導(dǎo)致電網(wǎng)輸電線(xiàn)路遭受的雷擊風(fēng)險(xiǎn)高且越來(lái)越多，一旦出現(xiàn)一次雷擊線(xiàn)路的跳鬧問(wèn)題，都能給電力系統(tǒng)產(chǎn)生極強(qiáng)的擾動(dòng)，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致輸電線(xiàn)路的設(shè)備出現(xiàn)損毀、發(fā)生線(xiàn)路停運(yùn)的狀況，嚴(yán)重的甚至可能會(huì)出現(xiàn)大面積的停電事故，必定會(huì)給社會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和不利的社會(huì)影響。因此，保證500kV 同塔多回輸電線(xiàn)路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是擺在電力工作者面前的難題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)500kV 高壓輸電線(xiàn)路雷擊跳閘次數(shù)，呈逐年遞增的態(tài)勢(shì)。因此，對(duì)輸電線(xiàn)路雷電繞擊進(jìn)行分析，對(duì)于影響同塔多回輸電線(xiàn)路防雷性能的敏感因素：地面傾角、接地電阻、保護(hù)角、導(dǎo)線(xiàn)的排列方式等進(jìn)行研究分析是十分必要的。本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路的桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù)、沿線(xiàn)雷電活動(dòng)參數(shù)等，分析了線(xiàn)路沿線(xiàn)的繞擊和反擊特性，對(duì)全線(xiàn)輸電線(xiàn)路進(jìn)行雷擊閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)而制定相應(yīng)的防雷措施。

1 500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路簡(jiǎn)介

虞城換流站-玉山500kV 輸電線(xiàn)路起自虞城換流站的500kV 構(gòu)架，止于玉山500kV 變電站，途經(jīng)江蘇省常熟市、蘇州市相城區(qū)和昆山市。其中，500kV 華能/石牌-車(chē)坊雙回線(xiàn)路走廊新建同塔四回線(xiàn)路，長(zhǎng)度為14.4km，采用六層橫擔(dān)布置。四回路段跨越地形以平地和河網(wǎng)為主，沿線(xiàn)總共36基桿塔，其中直線(xiàn)塔占比53%，耐張塔占比47%，全線(xiàn)均架設(shè)有兩條避雷線(xiàn)。本文基于沿線(xiàn)桿塔幾何特性和不等高懸掛模型，利用MATLAB 模擬全線(xiàn)輸電線(xiàn)路（圖中“1”為避雷線(xiàn)，“2～7”為各層導(dǎo)線(xiàn)）的高度分布情況如圖1所示。

圖1 虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路避雷線(xiàn)和各層導(dǎo)線(xiàn)的高度分布

2 500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路雷擊特性

本文基于改進(jìn)電氣幾何模型進(jìn)行繞擊耐雷水平和繞擊跳閘率計(jì)算，并基于ATP-EMTP 建模進(jìn)行反擊耐雷水平和反擊跳閘率計(jì)算，分析全線(xiàn)輸電線(xiàn)路的繞擊和反擊特性，其中輸電線(xiàn)路繞擊跳閘率N和反擊跳閘率n 的計(jì)算公式如下：

式中：η 為建弧率，Ng為地閃密度，Td為雷暴日數(shù)，LD為線(xiàn)路長(zhǎng)度，Zs為暴露距離，f（I）為雷電流幅值分布函數(shù)，ρ（φ）為入射角分布密度函數(shù)，b 為避雷線(xiàn)的水平距離，hb為避雷線(xiàn)對(duì)地平均高度，g 為擊桿率，PI為雷電流幅值大于反擊耐雷水平的概率。

由圖2和圖3可知，虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路全線(xiàn)路平均繞擊跳閘率（Nave）為0.067次/100km·a-1，其中超出平均值20%（120%Nave）的線(xiàn)路有7段，超出50%（150%Nave）的線(xiàn)路有3段。對(duì)于同塔四回輸電線(xiàn)路而言，第三層線(xiàn)路發(fā)生繞擊的概率最大，約為78%，其次是第二層線(xiàn)路和第五層線(xiàn)路，其余線(xiàn)路發(fā)生繞擊跳閘的概率很小。其原因在于桿塔第三層橫擔(dān)相對(duì)比較突出，受地線(xiàn)和上層導(dǎo)線(xiàn)的屏蔽作用較弱，導(dǎo)致暴露弧較大，繞擊風(fēng)險(xiǎn)增加。第一層、第四層線(xiàn)路和第六層輸電線(xiàn)路分別受到地線(xiàn)、第三層線(xiàn)路和大地的良好屏蔽作用，所以繞擊跳閘率較低。

圖2 500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路雷電繞擊特性

圖3 輸電線(xiàn)路各層導(dǎo)線(xiàn)的繞擊跳閘率

由圖4可知，全線(xiàn)路平均反擊跳閘率（nave）為0.033次/100km·a-1，超出平均值的桿塔有20基，且#85、#97、#101、#112、#111、#112的反擊跳閘率相對(duì)較高，均超過(guò)0.063次/100km·a-1。其中，直線(xiàn)塔第二層和耐張塔第一層線(xiàn)路最易發(fā)生反擊。結(jié)合輸電線(xiàn)路的繞擊特性和反擊特性，可以得到全線(xiàn)路綜合雷擊特性，如圖5所示。虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路綜合雷擊跳閘率為0.10次/100km·a-1，低于《110（66）kV～500kV 架空輸電線(xiàn)路管理規(guī)范》中的指標(biāo)（0.14次/100km·a-1）；而超出規(guī)范值的共有3基桿塔，均為直線(xiàn)塔（#97、#111、#112桿塔，其原因在于上述3基桿塔高度較高，約為140m，從而易于發(fā)生雷擊事故。另外，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，直線(xiàn)塔的平均雷擊跳閘率為0.084次/100km·a-1，顯著高于耐張塔的0.05次/100km·a-1。

圖4 500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路雷電反擊特性

圖5 500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路全線(xiàn)路綜合雷擊特性

3 主要防雷措施分析

對(duì)于500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路，防雷擊同跳事件是輸電線(xiàn)路防雷的工作重點(diǎn)，且在進(jìn)行輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)的初期應(yīng)嚴(yán)格采用“差異化防雷”的思想和策略，并采用合理的雷擊輸電線(xiàn)路仿真模型和計(jì)算方法，評(píng)估500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路的耐雷性能，進(jìn)而制定針對(duì)性防雷保護(hù)措施。

3.1 減小保護(hù)角

通過(guò)對(duì)雷電繞擊影響因素的分析，減小避雷線(xiàn)的保護(hù)角，或者采用負(fù)保護(hù)角，可以有效提高導(dǎo)線(xiàn)受避雷線(xiàn)的屏蔽作用，從而降低架空輸電線(xiàn)路發(fā)生繞擊的概率，減小保護(hù)角降低防雷的措施主要用于輸電線(xiàn)路改造工程和新建線(xiàn)路設(shè)計(jì)工程。

3.2 降低桿塔沖擊接地電阻

通過(guò)對(duì)雷電反擊影響因素的分析，降低桿塔沖擊接地電阻，可以有效提高輸電線(xiàn)路的反擊耐雷水平，從而降低輸電線(xiàn)路發(fā)生反擊的概率。對(duì)于我國(guó)平原地區(qū)，尤其是土壤電阻率相對(duì)較低的地區(qū)，常規(guī)的接地設(shè)計(jì)，其桿塔沖擊接地電阻均能滿(mǎn)足要求。

3.3 安裝線(xiàn)路避雷器

安裝線(xiàn)路避雷器是指在線(xiàn)路上安裝避雷器，使避雷器與絕緣子串構(gòu)成并聯(lián)，以提高輸電線(xiàn)路的反擊耐雷水平，降低輸電線(xiàn)路發(fā)生反擊的概率。相比其他防雷措施，安裝線(xiàn)路避雷器在防雷保護(hù)原理上更好、保護(hù)效果更顯著，但其防雷保護(hù)范圍僅為安裝線(xiàn)路避雷器處、兩基桿塔之間的一個(gè)檔距范圍。

3.4 其他

除以上常見(jiàn)的防雷措施外，當(dāng)桿塔沖擊接地電阻降低較難實(shí)現(xiàn)時(shí)，可在導(dǎo)線(xiàn)下方另架設(shè)一根地線(xiàn)進(jìn)行防雷，即架設(shè)耦合地線(xiàn)法。另外，還可通過(guò)安裝并聯(lián)間隙裝置、避雷針等防雷裝置對(duì)輸電線(xiàn)路防雷進(jìn)行較好的補(bǔ)充，最終降低輸電線(xiàn)路的雷擊跳閘率。

4 結(jié)論

為了準(zhǔn)確獲取同塔多回輸電線(xiàn)路雷擊特性，本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路的結(jié)構(gòu)參數(shù)、沿線(xiàn)雷電活動(dòng)參數(shù)等，利用MATLAB 編程和ATP-EMTP 搭建全線(xiàn)仿真模型，計(jì)算了全線(xiàn)路的雷電繞擊和反擊特性，并制定相應(yīng)的防雷措施，研究發(fā)現(xiàn)：一是全線(xiàn)路平均繞擊跳閘率為0.067次/100km·a-1，平均反擊跳閘率為0.033次/100km·a-1。其中，第三層導(dǎo)線(xiàn)易發(fā)生繞擊，直線(xiàn)塔第二層和耐張塔第一層導(dǎo)線(xiàn)易最先發(fā)生反擊。二是全線(xiàn)綜合雷擊跳閘率為0.10次/100km·a-1，低于規(guī)程規(guī)范中的指標(biāo)0.14次/100km·a-1。直線(xiàn)塔的平均雷擊跳閘率高于耐張塔，尤其是#97、#111、#112直線(xiàn)型高桿塔的雷電反擊跳閘率較高。

本文針對(duì)500kV 同塔四回輸電線(xiàn)路全線(xiàn)雷擊特性的研究可為防雷措施提供理論依據(jù)，但并未對(duì)不同防雷措施對(duì)桿塔的反擊耐雷水平和反擊跳閘率進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)分析，下一步可結(jié)合全線(xiàn)路雷擊特性和各種防雷措施的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇防雷的最優(yōu)措施來(lái)提升高風(fēng)險(xiǎn)桿塔的防雷性能。