緊湊型線路防雷性能的理論計(jì)算與分析

張 勝 歐 敏 梁盼望 湯光爭(zhēng)

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007）

0 引言

圖1 雷擊避雷線時(shí)輸電線路示意圖

近年來，我國(guó)的輸電線路建設(shè)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了重大的支撐作用，采用節(jié)約輸電走廊的緊湊型線路作為其中一種先進(jìn)技術(shù)的代表正在日益推廣使用。在我國(guó)雷擊跳閘率比較高的地區(qū)，由雷擊引起的輸電線路事故次數(shù)占總事故次數(shù)的40%～70%，緊湊型輸電技術(shù)措施在降低成本的同時(shí)，會(huì)對(duì)線路的防雷性能產(chǎn)生一定影響。因而，在緊湊型線路設(shè)計(jì)中，線路防雷性能的研究就成為設(shè)計(jì)中保證線路安全性的一個(gè)重要前提措施。

1 研究方法

輸電線路的防雷性能主要采用理論計(jì)算的方法，根據(jù)反擊與繞擊兩種不同現(xiàn)場(chǎng)情況，采用不同的方法進(jìn)行計(jì)算。分為兩個(gè)主要部分：

（1）基于電路模型進(jìn)行元件建模，采用專用計(jì)算機(jī)仿真軟件PSCAD/EMTDC計(jì)算雷擊桿塔時(shí)線路的耐雷水平。其中，PSCAD界面系統(tǒng)可以通過簡(jiǎn)單的拖放操作搭建圖形化的輸電線桿塔的物理模型，自動(dòng)生成電氣參數(shù)。EMTDC將程序分為幾個(gè)部分：核心計(jì)算模塊、電路參數(shù)計(jì)算模塊、用戶模型定制模塊。

（2）基于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范提供的方法進(jìn)行繞擊耐雷水平和雷擊跳閘率的計(jì)算。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 輸電線路雷電過電壓的仿真計(jì)算模型

輸電線路雷電過電壓仿真計(jì)算的基本思路是對(duì)輸電線路中雷電流、輸電線路、桿塔、絕緣子進(jìn)行電路建模，刻畫對(duì)應(yīng)元件的暫態(tài)特性，根據(jù)元件的等效模型建立輸電線路雷電過電壓計(jì)算模型，采用相應(yīng)的電路計(jì)算方法對(duì)雷擊桿塔時(shí)發(fā)生的暫態(tài)過程進(jìn)行定量計(jì)算。如圖1所示，選取遭雷擊桿塔和鄰近若干桿塔以及其間的輸電線組成的系統(tǒng)作為仿真計(jì)算對(duì)象。

圖2所示為雷擊桿塔塔頂避雷線時(shí)，由相鄰3個(gè)桿塔和其間4段線路組成的輸電線路系統(tǒng)仿真模型示意圖。施加不同幅值雷電流，通過仿真判斷與T1相連接的絕緣子的絕緣狀態(tài)，即可獲得桿塔線路雷電過電壓。下面將對(duì)輸電線路系統(tǒng)的計(jì)算原理做詳細(xì)介紹。

圖2 輸電線路系統(tǒng)仿真模型示意圖

2.2 輸電線路模型

由于雷擊輸電線路的作用范圍比線路導(dǎo)線的換位步距小得多，計(jì)算線路的電氣參數(shù)時(shí)，輸電線路被看成包括地線、三相導(dǎo)線在內(nèi)的n根不換位多導(dǎo)線系統(tǒng)來處理。線路的電感和電容等參數(shù)均取高頻時(shí)（106Hz）的參數(shù)，多導(dǎo)線線路的電氣參數(shù)采用已有的線路參數(shù)計(jì)算程序來計(jì)算[1]。本工作采用求解單導(dǎo)線波過程的Bergeron計(jì)算方法分別對(duì)每個(gè)模量求解，得到模量上的波過程解以后再反變換到相量，得到相量上的電壓和電流解[2]。

表1 耐雷水平和雷擊跳閘率

2.3 雷擊跳閘率

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]提供的計(jì)算方法，雷擊跳閘率由公式（1）計(jì)算得到：

式中：n1為雷擊桿塔時(shí)的跳閘率；n2為雷電繞擊導(dǎo)線時(shí)的跳閘率。

2.3.1 雷擊桿塔跳閘率（規(guī)程法）

雷擊桿塔跳閘率計(jì)算公式如下：

式中：N為每100 km線路每年遭受雷擊的次數(shù)[4]；g是擊桿率；P1是雷電流幅值超過雷擊桿塔耐雷水平I1的概率；η是建弧率。

2.3.2 繞擊跳閘率（規(guī)程法）

規(guī)程法繞擊跳閘率計(jì)算公式如下：

式中：參數(shù)N和η的意義和求法與n1的算法相同；Pa是繞擊率，輸電走廊地形不同，其計(jì)算方法略有差異；P2是雷電流幅值超過繞擊耐雷水平I2的概率。

2.3.3 雷擊跳閘率（電氣幾何模型計(jì)算方法）

電氣幾何模型是指將雷電的放電特性與線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來而建立的一種幾何分析計(jì)算模型?；驹砗图僭O(shè)如下[4]：

（1）由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)放電通道頭部到達(dá)被擊物體的臨界擊穿距離——擊距之前，擊中點(diǎn)不確定。頭部到達(dá)某物體的擊距以內(nèi)，即向該物體放電。

（2）擊距rs的大小由雷電流幅值I決定。

（3）不考慮雷擊目的物體形狀和鄰近效應(yīng)等因素對(duì)擊距的影響，假定先導(dǎo)對(duì)桿塔、避雷線、導(dǎo)線的擊距rs相等。

（4）假定先導(dǎo)接近地面時(shí)的入射角服從某一給定概率分布函數(shù)，垂直落雷密度最大，水平落雷密度下降到零。

3 計(jì)算結(jié)果

在地面傾角小于完全屏蔽最大地面傾角時(shí)，采用懸掛點(diǎn)高度和沿線平均法進(jìn)行計(jì)算，線路的繞擊跳閘率為零，即線路在避雷線的完全屏蔽之下，在這種地形條件下，從統(tǒng)計(jì)角度講，線路不會(huì)發(fā)生繞擊事故。在傾角大于完全屏蔽最大地面傾角的傾斜地面上，雷擊跳閘率隨角度增大而增大（表1）。從計(jì)算結(jié)果可知緊湊型保護(hù)角為-17.7°，因此，15°以下傾角時(shí)的繞擊跳閘率為零。

4 結(jié)語

本文研究了500 kV緊湊型輸電線路的防雷性能。基于參數(shù)選擇和理論計(jì)算，研究結(jié)果表明緊湊型線路由于副保護(hù)角比較大，線路繞擊不占主要成分，而線路反擊是主要矛盾。500 kV輸電線路反擊耐雷水平為125～175 kA，雷擊跳閘率為0.17～0.42次/（100 km·a）。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，本項(xiàng)目中線路高度為28 m和33 m情況下，桿塔接地電阻為15 Ω以下時(shí)，耐雷水平高于建議下限，線路雷擊跳閘率均低于0.3次/（100 km·a），線路防雷性能符合要求。