500kV緊湊型線路雷電反擊特性的計算研究

劉 東 馬 儀 陳 磊 趙 明 許丹莉 王毅楠

(1.華北電力大學云南電網公司研究生工作站 昆明 650217;2.云南電網電力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

由于緊湊型線路具有電磁環境友好、節約輸電走廊等特點，日益被推廣使用［2～3］。云南電網地處高海拔地區，輸電線路處在雷電活動頻繁，雷暴日高。根據云南電網多年統計結果表明，雷擊是造成線路跳閘的主要原因，云南電網輸電線路防雷問題嚴峻。因此，對緊湊型線路的防雷性能進行研究，探討進一步降低其累計跳閘的可能性，對其安全運行具有重要的實用意義。本文采用bergeron法計算高海拔地區緊湊型線路的耐雷水平和反擊跳閘率。

2 雷電反擊模型的建立

首先建立雷電流、線路和桿塔的等效模型，通過該模型計算雷擊過程中絕緣兩端的過電壓波形，依據某種閃絡判據對該波形進行分析，判斷絕緣是否發生閃絡，介于閃絡與不閃絡之間的雷電流臨界值即為耐雷水平，最后利用耐雷水平等參數根據規程所述方法計算雷擊跳閘率。目前絕緣閃絡判據方法主要有三種:定義法，先導發展法和相交法。三種方法各有其優缺點。這里為計算簡便起見，采取的為定義法判據。若所求得的耐雷水平為I時，則反擊跳閘率n的計算公式為:

式中，η為建弧率，與平均運行電壓梯度的關系可用下式表示:

式中E為絕緣子串的平均運行電壓(有效值)梯度，kV/m

g為擊桿率，其相應取值如下表1所示［3］:

表1 擊桿率的取值

P1為超過雷擊桿塔頂部時耐雷水平的雷電流概率，且

其中式(4)用于除陜南以外的西北地區和內蒙古部分地區。

雷擊次數為Nl(單位次/100km·40雷暴日)，其計算公式為:

式中b為兩根避雷線之間的距離(m)，h為避雷線的平均高度(m)。

目前對反擊的分析方法主要有規程法、行波法和 bergeron法等，本文基于 bergeron法，對500kV緊湊型塔線路的反擊特性進行了計算分析。

本文計算雷擊跳閘率時采用規程規定的年雷暴日為40日。

2.1 雷電流模型

常用的典型化的雷電流等值波形有標準沖擊波、等值斜角波、等值余弦波和雙指數波等。在仿真計算中，我們采用2.6/50us的雙指數波作為雷電流的等值波形，并取400歐為雷電通道電阻。2.6/50us的雙指數雷電流等值波形的標準公式如下式所示:

式中A為與所要取雷電流幅值有關的常量。

2.2 緊湊型塔模型

在仿真計算中，采用波阻抗來建立緊湊型塔模型，將桿塔的主干、支架和橫擔分成幾部分，分別計算其波阻抗，構成整個桿塔的模型。桿塔沖擊接地電阻是影響線路耐雷水平的非常敏感的因素，我們選對桿塔沖擊接地電阻對耐雷水平的影響做了分析。

圖1 緊湊型塔波阻抗模型

緊湊型塔等效分布參數線路模型由三部分組成:主干、支架和橫擔，各部分的波阻抗表示為其尺寸和形狀的函數。

圖1為緊湊型塔的波阻抗模型，其中塔窗部分Za1～Za6波阻抗用支架公式計算，其余部分用主干公式計算，Rch為桿塔沖擊接地電阻。

2.3 感應過電壓

耐雷水平計算過程，實質就是計算導線上的過電壓。在計算導線上的電壓的時候，一個不能忽略的重要因素就是雷擊桿塔時，桿塔對導線上的感應過電壓分量。

雷擊桿塔時，導線上的感應過電壓的磁分量比電分量要小得多，故僅考慮電分量。則雷電流作用下桿塔處導線上的感應過電壓的電分量為:

式中:β—反放電速度與光速c的比值，取為0.3。

HT—桿塔高度，m。

Hc—導線的平均高度，m。

dR—雷擊桿塔時，迎面先導的長度，m。

α —雷電流陡度，kA/μs。

3 500kV緊湊型塔反擊計算分析

3.1 絕緣子串與最小空氣間隙的閃絡比較

在緊湊型塔中，存在導線與塔窗的最小空氣距離，當雷擊桿塔時，有可能存在絕緣子上過電壓未閃絡而最小空氣間隙閃絡的情況。因此有必要對此進行分析，來確定哪部分先閃絡。500kV緊湊型塔中，由于均壓環等桿塔金具的存在，實際的絕緣子串的干弧距離為4.4米，最小空氣間隙為4.2米。通過計算比較得知，最小空氣間隙間的過電壓值要高于絕緣子串間過電壓值，而二者的閃烙電壓相差不多，因此最小空氣間隙將先于絕緣子串閃絡。

3.2 桿塔接地電阻的影響

桿塔接地電阻降低能使雷擊桿塔時的塔頂電位相應降低，提高耐雷水平，從而有效地防止反擊，這是基本的防雷措施。

表2 緊湊型塔接地電阻對桿塔反擊耐雷性能的影響(跳閘率單位次百公里·年)

表2、圖2和圖3為此緊湊型塔在不同桿塔沖擊接地電阻對其耐雷水平和反擊跳閘率的影響，可以看到，在山區的反擊跳閘率要高于平原地區下的跳閘率，如桿塔的沖擊接地電阻為15歐的情況下，平原的反擊跳閘率為0.620次/百公里·年，要低于山區的反擊跳閘率0.930次/百公里·年。在實際工程中，在可能條件下盡可能降低桿塔的接地電阻。

接地電阻對線路耐雷水平影響較大，接地電阻越小，跳閘率越低。得出在條件允許的情況下，應盡量降低接地電阻，進而降低反擊跳閘率。

3.3 桿塔高度的影響

保持塔窗大小不變，改變緊湊型塔的主干高度，從而改變桿塔高度。表3和圖4以3米一檔，分別計算不同桿塔高度下的耐雷水平值。

可以看到，緊湊型塔高度與耐雷水平成反比關系，即桿塔越高，耐雷水平越低，如在桿塔高度為43.8米時，耐雷水平為101kA，而桿塔高度增加為58.8米時，相應的耐雷水平降低到90 kA。

表3 緊湊型塔高度對耐雷水平的影響

根據實際情況適當降低桿塔高度。桿塔越高，送電線路截獲的雷電越多。一方面，桿塔高度越高，引雷面積增大，著雷次數增加;另一方面，雷擊塔頂后沿塔傳播至接地裝置時引起的負反射波返回到塔頂所需時間增長，致使塔頂電位增高，容易造成反擊，從而導致雷擊跳閘率增加。因此，在條件允許的情況下，應盡量降低桿塔高度以降低。

4 結論

地處高海拔地區的云南電網，雷電活動頻繁，嚴重威脅電網輸電線路的安全。本文通過對高海拔地區緊湊型桿塔的研究，首先建立了桿塔的數學模型，在此模型的基礎上，得出針對高海拔地區的輸電線路反擊特性及防范措施:接地電阻對線路耐雷水平影響較大，接地電阻越小，反擊跳閘率越低，桿塔接地電阻降低能使雷擊桿塔時的塔頂電位相應降低，提高耐雷水平，從而有效地防止反擊;對于防止反擊來說，塔桿越高，遭到雷擊的概率越大，所以應盡量降低桿塔高度以降低反擊跳閘率。

［1］索春梅.500kV同桿多回路線路雷電反擊性能的研究［M］.東北電力大學工學碩士論文.

［2］馬志堅，傅春蘅.500kV緊湊型輸電線路技術應用研究［J］.電力建設，2005，26(10):26～29

［3］于幼文，金永純.昌房500kV緊湊型輸電線路中的關鍵技術［J］.電網技術，2003，27(1):75～77