輸電線路繞擊特性中雷電活動及地形地貌的影響分析

趙 磊

（鄭州祥和電力設計有限公司，河南 鄭州 450000）

輸電線路繞擊特性中雷電活動及地形地貌的影響分析

趙 磊

（鄭州祥和電力設計有限公司，河南 鄭州 450000）

在社會、經(jīng)濟不斷發(fā)展的進程中，電能一直起著十分重要的能源供應作用，隨著用電需求的不斷增長，電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大，相應地，作為整個電力系統(tǒng)重要構成部分的輸電線路的分布范圍也越來越廣，路線越來越長。鑒于輸電線路長期暴露于自然環(huán)境中，且途徑區(qū)域的地形地貌和氣候特性多種多樣，其運行的安全性和可靠性極易受到外界因素影響。本文就雷電活動和地形地貌對輸電線路繞擊特性的影響進行了深入分析。

輸電線路；繞擊特性；雷電活動；地形地貌；影響

當輸電線路在雷擊作用下發(fā)生跳閘事故時，不但會對電力系統(tǒng)的正常供電造成影響，還會在一定程度上增加維修輸電線路與開關設備的工作量，同時雷擊產(chǎn)生的電流還會經(jīng)由輸電線路侵入變電站，很可能損害電力設備的絕緣性能，對整個電力系統(tǒng)的正常運行帶來影響，造成巨大的經(jīng)濟損失。為此，十分有必要對輸電線路繞擊特性的影響因素進行分析，下面從分析雷電活動和地形地貌對輸電線路繞擊特性影響的必要性入手，就二者對輸電線路繞擊特性的影響做了進一步具體分析。

一、分析雷電活動和地形地貌對輸電線路繞擊特性影響的必要性

雷電對輸電線路的危害形式有感應雷與直擊雷兩種，對于本身就有著較高絕緣性能的220kV以上（包含220kV）電壓等級的輸電線路來說，感應雷難以對其造成危害，大多數(shù)雷擊故障都是直擊雷引起的。同時，直擊雷又有反擊和繞擊兩種，隨著我國輸電線路自身絕緣水平的幅度提升，輸電線路對于反擊的耐雷水平也隨之提高，故當前階段輸電線路主要面臨的是針對繞擊的防護問題。為此，想要使輸電線路繞擊防護工作的開展發(fā)揮實際效用，就必須對能夠影響輸電線路繞擊特性的因素展開研究，其中雷電活動和地形地貌就是兩個主要影響因素。

二、雷電活動特征給繞擊閃絡率帶來的影響

根據(jù)每段線路單側繞擊閃絡率—Sfp表達式：

（其中P′（I）代表雷電流幅值的概率密度，Ic代表發(fā)生繞擊閃絡的最小雷電流）可知，輸電線路繞擊跳閘率與地閃密度和雷電流概率密度之間存在一定的聯(lián)系，其中地閃密度與雷電流概率密度都是雷電參數(shù)。下面舉例來對這兩個雷電參數(shù)對繞擊閃絡率的影響進行分析：當輸電線路的導線高度與避雷線高度使用的都是掛線處高度，分別為42.8m和49m；導線和避雷線到桿塔中心的距離分別為12.1m和10.7m，此時假設輸電線路的長度為100km，按照規(guī)程中給出的表達式計算地閃密度，同時，假設設計書中輸電線路的雷暴天數(shù)取值是76，那么此時線路的閃絡次數(shù)會在繞擊電流值增大的同時隨之增加。需要提出的是，采用的表達式不同，輸電線路閃絡系數(shù)的增加幅度也會有所不同，采用規(guī)程中推薦的那種表達式形式算出的結果最小，采用IEEE推薦的表達式形式計算則會得出較大的結果，若雷電流概率密度函數(shù)是在擬合相同形式表達式情況下得出的，則計算所得的閃絡次數(shù)并不會有太大差異。另外，通過雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)得出的結果都會大于經(jīng)由規(guī)程推薦公式得出的結果。從這點來看，超高壓輸電線路繞擊性能的理論計算結果之所以會出現(xiàn)比實際運行數(shù)據(jù)小的情況也可以利用此點做解釋，如圖1所示。

圖1　 10kV桿塔絕緣子

三、地形對輸電線路繞擊特性的影響

（一）地形分類以及地形對輸電線路繞擊性能的影響

1. 地形分類

輸電線路架設途徑的地形十分復雜多樣，有平地，也有山峰或山脊的頂部，或是經(jīng)過山谷，甚至是穿越山谷，有時還會沿坡、爬坡等。

2. 地形對輸電線路繞擊性能的影響

在輸電線路繞擊性能的計算方法中，由于我國行業(yè)標準是建立在低電壓等級防護經(jīng)驗的基礎上的，所以只用了山區(qū)和平地來區(qū)分地形影響因素，并認為地形會對山區(qū)輸電線路的空間電場產(chǎn)生一定影響，以致山區(qū)輸電線路的繞擊率是平原輸電線路的3倍，用另一種方式表述就是保護角增大了8°，此種情況下，相較于對途徑復雜地形的輸電線路耐電性能的預期值，往往會出現(xiàn)耐電性能偏小的情況。在像電氣幾何模型這樣的半經(jīng)驗模型中，就把地形對輸電線路繞擊性能的影響考慮在內(nèi)，通常情況下，會用桿塔處地面傾角表示地形的影響，取值則會由運行人員根據(jù)自身經(jīng)驗進行估計，如此在對輸電線路繞機性能做定性分析時，就可以不同地形輸電線路桿塔處地面傾斜角度的取值情況為依據(jù)展開。把電氣幾何模型同蒙特卡洛法結合在一起后可對跨溝、山頂?shù)匦沃胁煌瑮U塔類型在不同電壓等級下的繞擊跳閘率進行計算，進而得出溝深度會對繞擊跳閘率產(chǎn)生一定地影響。同時，在把輸電線路劃分為高山大嶺和丘陵、一般山地后，可分別將其在輸電線路中占有比例統(tǒng)計出來，在此基礎上利用加權平均法把各自繞擊跳閘率計算出來；利用先導法可對繞擊在不同側向距離和不同雷電流情況下的擊穿過程進行分析（仍舊用地面傾角表示地形的影響）。

四、從雷電流幅值概率分布對輸電線路雷擊跳閘影響看地形地貌的影響

雷電流幅值以及其特性是繞擊防雷計算中十分關鍵的一項基礎數(shù)據(jù)，并且氣象和自然因素等都會對雷電流幅值概率的分布產(chǎn)生一定影響，所以，雷電流幅值概率分布帶有明顯的地域性特點。這樣在分析不同地形地貌地區(qū)雷電流幅值概率分布特征的基礎上就能對其對輸電線路雷擊跳閘產(chǎn)生的影響進行分析，為輸電線路雷擊跳閘的風險評估提供參考依據(jù)，進而能夠根據(jù)地形地貌的不同制定不同的防雷措施。

輸電線路所處地土壤的電阻率和海拔高度將會對雷電流幅值的概率分布產(chǎn)生影響。具體如下：

（一）土壤電阻率

雷電先導逐漸向地面發(fā)展的過程中，如果區(qū)域土壤電阻率較低，就會更容易出現(xiàn)異性電荷的聚集現(xiàn)象，進而在其周圍形成畸變電場，此種情況下先導會朝著土壤電阻率低的區(qū)域方向發(fā)展，以致主放電期間會有更多數(shù)量的電荷發(fā)生中和，所以，土壤電阻率同雷電流幅值之間存在著負相關性，即當土壤電阻率變大的時候，雷電流幅值會隨之變小。需要說明的是，土壤電阻率會隨著地理位置和環(huán)境的變化而變化，土壤類別、溫度、含水量以及土壤顆粒尺寸、分布與松緊程度、外加電場、水溶解鹽種類和含量等都會對土壤電阻率造成一定影響。

（二）海拔高度

有學者認為同平原地區(qū)相比，山區(qū)雷雨云同地面間的高度相對更低一些，所以在大量電荷還未形成前就已經(jīng)到達空氣臨界擊穿強度，也就是說山區(qū)和平原相比，很高雷電流幅值出現(xiàn)的可能性要更小一些。對于為何當海拔高度增長時雷電流幅值會減小，除了上述的原因之外，還有一個可能的原因就是山區(qū)上行雷所占比例更大。具體來說就是由于高海拔地區(qū)雷暴云離地高度比海拔高度低的地區(qū)相比有所下降，距離的減小使得雷暴云同地面間臨界擊穿場的強度更容易達到，未等到大量電荷形成就達到臨界值，在海拔高度增加的情況下，負閃雷電流幅值會隨之大幅度降低。同時，相較于處于同一緯度的平原地區(qū)，海拔高的山區(qū)地帶上行雷的占據(jù)比例更大，且一般來說，同下行雷相比，上行雷有著更小的雷電流幅值，致使雷電流幅值出現(xiàn)隨著海拔高速增加而下降的現(xiàn)象。

結語

根據(jù)電網(wǎng)故障分類有關統(tǒng)計可見，在所有輸電線路跳閘、停電事故當中，有一半以上是因為雷擊引起的，多發(fā)生在那些地形復雜、土壤有較高電阻率、多雷電發(fā)生的地區(qū)，它是當前階段危及輸電線路運行安全可靠性的主要原因。對于高壓輸電線路來說，影響其繞擊性能的主要因素就是雷電活動以及地形地貌，比如，地閃密度、雷電流概率密度這兩個雷電參數(shù)對輸電線路繞擊閃絡率有影響；受土壤電阻率和海拔高度影響的雷電流幅值概率分布會對輸電線路雷擊跳閘率有影響等。

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