新疆750kV輸電線路雷擊評估及防護研究

新疆大學電氣工程學院 梁繼存 何 山

國家電網公司新疆電力科學研究院 董新勝

新疆大學電氣工程學院 王 松 李朋宇 郭福濤 王 杰 陳先飛

0 引言

新疆地區將逐漸形成750kV輸電線路基本網架，其電壓等級高，輸電線路一旦遭受雷擊引起跳閘，不但影響電力系統的穩定有效供電，增加輸電線路及開關設備的維護及檢修工作量，而且雷電波還會沿輸電線路侵入變電所，造成設備的損壞。由于輸電走廊的氣象、地形、地貌、雷電活動規律及線路本身的防雷設計和絕緣水平的不同,雷擊引起的故障原因各不相同，對特定的輸電線路無針對性采取防雷措施,既浪費又難以達到良好的防雷效果。因此，針對新疆某750kV輸電線路，通過計算統計選取針對性的防雷技術措施，以達到減少雷擊跳閘提高供電可靠性的目的。

1 新疆電網雷電監測系統

新疆2010年開始建立雷電監測網，并逐步對雷電監測站進行布置，重點覆蓋了750kV輸電線路。雷電監測定位系統能夠對所處地域的雷電情況進行實時監測，能監測到的雷電流幅值范圍是1.5-800kA（誤差不足10%），而且能夠確定每次雷電發生的時間、地點、極性（正確率在99.5%以上）、回擊次數以及接受到的雷電波的波形特征參量。探測站誤差時間不足1μs。針對平原地帶而言，單個探測站探測半徑是200km、探測效率設為80%及以上，針對山區地帶來說，單站探測半徑是150km、探測效率設為90%及以上，探測誤差小于0.7km。

2 雷擊跳閘率計算方法

2.1 雷電過電壓的種類

架空輸電線路的雷電過電壓主要有2種:感應雷電過電壓和直擊雷過電壓。750kV輸電線路絕緣水平高,感應雷過電壓幅值一般低于400kV，不會造成線路閃絡，在計算其耐雷水平時，一般不考慮感應雷電過電壓的影響，而把重點放在直擊雷的防護上。直擊雷過電壓按雷電擊中線路設備的位置不同分為反擊和繞擊。

圖1 750kV輸電線路部分仿真模型

2.2 反擊跳閘率計算方法

計算750kV輸電線路反擊跳閘率時，利用ATP-EMTP仿真軟件，以750kV輸電線路桿塔型號為依據，建立輸電線路的多波阻抗仿真模型，如圖1所示。雷電流用負極性、雙指數波，波形是2.6/50μs，通過調整雷電流的大小，通過仿真確定不同高度桿塔反擊耐雷水平，如表1所示。

表1 不同高度下桿塔反擊耐雷水平

在雷擊情況下，工頻周期每一個相角范圍內具有相等的雷擊概率。可以將其等分為n1個范圍，則反擊耐雷水平概率P可以用統計法得到如下式：

式(1)中：Pj-輸電導線各個相角范圍耐雷水平概率；n1-單個工頻周期進行n1等分。

計算反擊跳閘率時，雷電日值為40d，則0.07次/(km2?a)為與之對應區域的地面落雷密，那么輸電線路每100km?a的落雷次數如下式：

式(2)中：hT-塔高，m；b-兩根地線間距，m；Td-輸電線路所在區域的雷暴日；γ-地面落雷密度；η-建弧率，其值取為1。

線路的反擊跳閘率計算式為：

式(3)中：NL-線路每100km?a的落雷次數；η-建弧率；P1-考慮工作電壓下的統計耐雷水平概率；g-擊塔率。

2.3 繞擊跳閘率計算方法

輸電導線的波阻抗Zc取值大約是300Ω，750kV輸電線路上絕緣子的50%閃絡電壓U值是3100kV，由式(4)可得值24.1kA即是750kV輸電線路的繞擊耐雷水平。

對于輸電線路繞擊情況，可綜合考率輸電線路桿塔的地面傾角θ及擊距系數k，對EGM（電氣幾何模型）改進，如圖2所示，進而計算繞擊跳閘率。

圖2 改進的電氣幾何模型

擊距公式：

式(5)中：I-雷電流幅值，kA；rs-擊距，m。

擊距系數：

式(6)中：hc-導線對地平均高度，m；k-擊距系數。

受雷寬度：

式(7)中：b-避雷線間距，m；h-避雷線平均對地高度，m；B-受雷寬度。

臨界擊距：750kV輸電線路的臨界擊距rsc可以由其繞擊耐雷水平I1來確定，由式(5)易得：

繞擊率：

式(9)中：Pα-線路繞擊概率；x-雷電流作用下相導線閃絡的空間位置的條件概率；p(i)-某雷電流i的概率分布密度；I-雷電流。

線路繞擊跳閘率：

式(10)中：NL-雷擊次數/100km a，NL=Td γB/1000*100；Td-輸電線路所在區域雷暴日；γ-地面落雷密度；B-輸電線路受雷寬度；η-絕緣子閃絡后建弧率。

3 輸電線路雷擊風險評估

3.1 線路概況

新疆某750kV輸電線路，為新疆電網雷電監測系統雷電監測覆蓋范圍內，本線路所經過的區域地形一半是戈壁草場，另一半則為山地，海拔高度在300～2500m之間。此輸電線路桿塔數目一共539基，直線塔型號主要為ZB型；耐張塔型號有JG型，其中桿塔高度最高為80m，最低42m，線路檔距平均距離是480m，所有耐張桿塔均應用的是鐵塔。線路導線全部為6分裂導線，型號是LGJ-400/50，線路全部架設雙避雷線，避雷線種類一根是普通地線，普通地線型號為1*19-13.0-1270型鍍鋅鋼絞線，一根為OPGW，OPGW型號為OPGW-120，線路絕緣子包括：導線絕緣子和減少地線損耗用的地線絕緣子，其中導線絕緣子有瓷質、合成、玻璃絕緣子三種，瓷質絕緣子型號為U210BP/170T，玻璃絕緣子型號為U420B/205，復合絕緣子型號為FXBW-750，其中復合絕緣子的雷電沖擊耐受標稱放電電壓為2700kV，地線絕緣子采用的是型號為XDP-100C的絕緣子。根據雷電監測系統提供數據，線路走廊雷電活動典型參數統計見表2。

表2 典型雷電參數年平均值

3.2 評估等級的確定

根據前面介紹的雷擊跳閘率計算方法，反擊采用EMTP進行計算，繞擊采用改進的EGM（電氣幾何模型）進行計算。對輸電線路跳閘率進行逐基計算，根據計算結果對其劃分為A、B、C、D四個等級，其中A、B代表雷擊防護合格，C、D分別代表雷擊防護不合格和嚴重不合格。750kV輸電線路區域走廊的地閃密度取2.9次/(km2?a)，與之相應的雷擊跳閘率是0.11次/百公里?年。依據從前其它750kV特高壓輸電線路運行的實際情況，90%的繞擊、10%的反擊，則針對本次評估，把0.099次/百公里?年定作繞擊指標，把0.011次/百公里?年定作反擊指標。具體風險評估等級劃分指標如下表2所示。

表2 某750kV輸電線路雷擊風險評估等級劃分指標

3.3 輸電線路雷擊評估結果

圖3顯示的是整條線路不同反擊等級下的桿塔數目，雷電反擊級別為A、B、C、D塔數目分別是470基、0基、0基、68基，就是說87.36%的桿塔防雷電反擊性能是相對比較好的，12.64%的桿塔防雷電反擊性能相對較差，雷電反擊閃絡風險較高。雷電反擊風險偏高的桿塔主要在前200基桿塔相對集中，比例接近90%，這些桿塔所在位置主要為山上，大跨越段是另外的10%雷電反擊風險較高的原因。

圖4顯示的是整條線路不同繞擊等級下的桿塔數目，雷電繞擊級別為A、B、C、D塔數目分別是385基、27基、18基、108基，就是說76.58%的桿塔防雷電繞擊性能是相對比較好的，23.42%的桿塔防雷電繞擊性能相對較差，雷電繞擊閃絡風險較高。雷電繞擊風險偏高的桿塔主要在前200基桿塔相對集中，比例接近92%，這部分桿塔所在位置為山上，大跨越和桿塔比例較高是另外8%雷電繞擊風險較高的原因。

圖5顯示的是整條線路不同雷擊等級下的桿塔數目，雷擊級別為A、B、C、D塔數目分別是384基、27基、18基、109基，就是說76.39%的桿塔防雷電反擊性能是相對比較好的，23.61%的桿塔防雷電繞擊性能相對較差，雷擊風險較高。

圖3 反擊等級下的桿塔數目

圖4 繞擊等級下的桿塔數目

圖5 雷擊等級下的桿塔數目

3.4 結果分析

對于750kV輸電線路來說，通過以上的結果得知，輸電線路桿塔遭受雷電反擊跳閘率很低，跳閘率大于0.0500次/.百公里?年的桿塔不到10個，所以，因為雷電反擊而引750kV起線路跳閘可能性很小。

從評估結果可以看出，雷電繞擊率大于0.1000次/百公里?年的約有100基桿塔，并且有些桿塔反擊跳閘率較高的同時繞擊跳閘率同樣也高。由此可知750kV線路雷擊危害主要由繞擊造成的，在輸電線路防雷防過程中應當將繞擊放在第一位。

3.5 雷擊防護措施

新疆某750kV輸電線路評估結果中，易發繞擊線路走廊區域多在山區，其走廊的地形、地貌、氣候等影響繞擊率因素相當復雜，位于山頂的塔和大檔距的塔十分多，所以，非常有必要對繞擊閃絡風險高的塔采取防繞擊措施，措施如下，級別為C的塔可以裝上1支防繞擊避雷針，級別為D的塔可以裝上2支防繞擊避雷針。

在包含地形、氣候、塔結構等多種因素的影響下，從評估中并結合實際線路的經驗，不難看出依然存在少數塔的繞擊和反擊風險等級均高的情況。與繞擊相比，雖然反擊不是線路跳閘的主導因素，為了達到較好的綜合防雷效果，對反擊風險較高的線路采取防雷措施依然不可或缺。措施如下：將線路氧化鋅避雷器安裝在這樣的塔上，塔的反擊等級為C和D。

4 結束語

以新疆雷電監測系統所提供的數據，根據750kV輸電線路具體概況，對其進行雷擊風險評估，并對結果進行分析，得出新疆某750kV輸電線路防雷防過程中應當將繞擊放在第一位。對繞擊風險較高的桿塔，提出安裝防繞擊避雷針的措施，兼顧雷電反擊，反擊風險較高桿塔上安裝氧化鋅避雷器的措施。

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