基于VB的輸電線路耐雷水平與雷擊跳閘率的計算與分析

李恩佳

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

輸電線路是傳輸電能的“高速公路”，我國目前輸電距離最長的±800kV高壓直流輸電線路工程酒湖線全長2383km，輸電線路穿梭于崇山峻嶺之間，線路運行海拔最高超過1900m，線路所經過的地區地理環境多變，氣候條件復雜，輸電線路極易遭受到雷電侵襲。與此同時，雷電產生的強大電流會沿輸電線路侵入到系統變電所和重要的用電負荷部門，對人員和電氣設備產生巨大的威脅。因此，對線路的防雷保護應該予以十分充分的重視。

1 耐雷水平和雷擊跳閘率

雷擊線路時，其絕緣尚不至于發生閃絡的最大電流幅值或能引起絕緣閃絡的最小雷電流幅值(kA)。當耐雷水平高于雷電流擊于線路時是不會發生閃絡現象的；而當耐雷水平低于雷電流擊于線路時就會發生閃絡現象的。

每百公里線路、40雷電日，由于雷擊引起的開斷數(重合成功也算一次)，稱為該線路的雷擊跳閘率。

1.1 耐雷水平的計算及耐雷水平的比較結果

1.1.1 雷擊桿塔塔頂時的耐雷水平的計算

計算公式如下：

I=U/[(1-k)b(R+L/2.6)+(1-k)h/2.6]

(1)

式中，b—設計通常長度檔距的線路桿塔所取的分流系數值，見表1；U—絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓；L—單位桿塔電感；R—桿塔接地電阻；k—電暈下的耦合系數。

表1 分流系數表

在線路的設計過程中，設計人員通常會降低桿塔接地電阻R，以及提高耦合系數k這兩種方法提高輸電線路的耐雷水平。

1.1.2 雷擊避雷線檔距中央時

假如雷擊避雷線檔距中央時，雷擊點的阻抗為z/2，雷電流為Iz=iL/(1+zb/2z0)。計算收到雷擊位置的電壓為uA=iz×zb/2=iLz0zb/(2z0+zb)，電壓波uA從遭受雷擊的位置沿著避雷線向最近的桿塔運動，在經過L/2vb時間(L為兩桿塔之間的距離，vb為雷電流在避雷線中傳播的速度)后到達最近的桿塔；又由于桿塔接地，將會產生相反的反射波回到雷擊的位置，再次經過L/2vb時間，假如雷電流還未達幅值2×(L/2vb)，則雷擊點的電位自負反射波到達之時開始下降，故雷擊點的最高電位將出現在t=2×(L/2/vb)時刻。

雷電流假如是斜角波iL=at，雷擊點電位為：

UA=a×(/vb)×[(z0×zb)/(2z0+zb)]

(2)

考慮到避雷線和導線產生的耦合作用，會產生耦合電壓KuA，所以避雷線遭受雷擊的位置，與導線間的空氣間隙s上所承受的最大電壓Us=UA(1-k)，由此可以推斷，空氣間隙s上的電壓的高與低，與耦合系數k，雷電流陡度a以及檔距長度L是相關聯的。故當電壓超過空氣間隙s的放電電壓時，空氣間隙會被過電壓擊穿而發生短路事故。

1.1.3 繞擊時的過電壓和耐雷水平

當輸電線路裝有避雷線時，雷電也有可能繞過避雷線而擊中線路。在這樣的情況下，線路上的絕緣子串會發生閃絡。

電氣幾何模型的特征參數如圖1所示。

圖1 電氣幾何模型的特征參數圖

臨界擊距rsc：是線路能承受繞擊雷能力的擊距。當臨界擊距rsc大于擊距時，是不會發生絕緣子串的閃絡。繞擊耐雷水平計算式:

IFO=2×(CFO)/Z

(3)

式中，CFO—線路發生臨界閃絡電壓值，Uso%，kV；Z—線路導線阻抗，Ω。

最大擊距rsmax：這是由桿塔幾何尺寸及地形決定的一個擊距。當rsmax小于擊距時，不會發生繞擊相導線。計算rsmax的公式如下：

(4)

暴露弧線和屏蔽弧線：一個擊距為r的先導頭到達弧線ab的位置時，先導將對導線閃絡；當先導頭到達弧線be時，將對屏蔽線產生閃絡；當先導頭到達弧線ad時，將對地面閃絡。故稱弧線be為屏蔽弧線，把弧線ab叫做暴露弧線。

臨界保護角θsc：指的是桿塔的外形尺寸與絕緣性能達到所要求的水平時，rsmax≤rsc暴露弧線降為零，繞擊跳閘將不會發生。

當rsmax=rsc時，θsc=θg+arcsin(1-y/rsc)-arcsinC/2，

式中，θsc即稱臨界保護角，通常是把線路設計的保護角與臨界保護角，作對比性的分析，從而做出相應的結論。

通過仿真計算與分析，以110kV及220kV各3種不同外形尺寸的桿塔模型，得出輸電線路耐雷水平與雷擊跳閘率是計算結果為：

110kV輸電線路，單回線路，具有雙避雷線，其耐雷水平高于只有單避雷線的線路，高39.7%～48.3%；同樣具有雙避雷線的輸電線路，雙回線路的耐雷水平要低于單回線路，低13.4%～11.6%；220kV輸電線路，杯型塔的耐雷水平均高于鋼筋混凝土單桿和雙回塔，分別高21.8%～16.6%和13.5%～8.4%。

1.2 雷擊跳閘率的計算

一條線路的雷擊跳閘次數與線路長度、雷電日的多少、以及防雷措施的好壞有關，為了分析比較二條線路防雷措施的好壞，故引入了雷擊跳閘率的概念。

在雷電過電壓的情況下，線路絕緣發生閃絡，然后從沖擊閃絡轉化為穩定的工頻電弧，引起線路跳閘。

具體的計算如下(討論的都是有避雷線的線路)。

1.2.1 雷擊桿塔時的跳閘率

每百公里線路、40雷電日，落雷次數為N=0.28(b+4hb)次，其中hb為避雷線對地平均高度。假設擊中桿塔的概率為n，則每百公里線路每年雷擊桿塔次數為0.28(b+4hb)n次；，假設I1和P1分別為：雷擊桿塔時的耐雷水、雷電流幅值超過I1的概率，r為建弧率，則百公里線路每年雷擊桿塔的跳閘次數n1=0.28(b+4hb)n×r×P1。

建弧率以η表示，可按下式計算：

η=4.5E0.75-14(%)

(5)

對于中性點直接接地系統有：

(6)

對于中性點非直接接地系統有：

E=U/2l

(7)

式中，E—絕緣子串的平均運行電壓梯度。

其中擊桿率按地形的不同可以有不同的取值，具體見表2。

表2 擊桿率表

1.2.2 繞擊跳閘率

設繞擊率為Pa，百公里線路每年繞擊次數為0.28(b+4hb)Pa，假設I2和P2分別為：繞擊時的耐雷水平雷電流幅值超過I2的概率，則每百公里線路每年的繞擊跳閘次數為：

n2=0.28(b+4hb)r×Pa×P2

(8)

1.2.3 線路雷擊跳閘率

當避雷線和導線的空氣間隙距離s，在檔距的中央處時，滿足式s=0.012L+1，則雷擊避雷線檔距中央一般不會發生擊穿事故，故其跳閘率可視為0。因此，線路雷擊跳閘率：

n=n1+n2=0.28(b+4hb)r(gP1+PaP2)

(9)

經過計算結果比較，得出以下的結論：

110kV單回輸電線路，為門型鋼筋混凝土雙桿塔，雷擊跳閘率山區比平原高66.7%；220kV單回輸電線路，杯形鐵塔，雷擊跳閘率山區比平原高73.2%。

2 基于VB程序計算耐雷水平和雷擊跳閘率

各電壓等級下參數的取值見表3。

表3 各電壓等級參數表

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時，擊桿率為1/4時，程序運行的結果見表4。

表4 運算結果1

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時，擊桿率為1/3時，程序運行的結果見表5。

表5 運算結果2

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時，擊桿率為1/6時，程序運行的結果見表6。

表6 運算結果3

通過上面的表格中的數據可以看出，耐雷水平隨輸電線路電壓等級的升高而增加；線路總的雷擊跳閘率隨著桿塔接地沖擊電阻的增大相應增大。同一電壓等級下，雷擊桿塔時的雷擊跳閘率隨著擊桿率的增大而相應增大，線路總跳閘率也相應的增加。另外，研究發現桿塔的沖擊接地電阻的增大，同一電壓等級下，線路雷擊跳閘率相應增加。

3 結語

耐雷水平越高，線路的耐雷性能好，雷擊跳閘率越小，線路的耐雷性能相對也較好。通過研究桿塔沖擊接地電阻與跳閘率的關系表明，隨著桿塔沖擊接地電阻的增大，跳閘率也響應的增大；輸電線路電壓等級越高，耐雷水平也相應地增大。圍繞耐雷水平和雷擊跳閘率兩項指標的仿真計算，將直接影響對輸電線路的設計方案，從而在設計過程中提供極其重要的設計依據和意義。在眾多的仿真計算中往往都忽略了輸電線路運行中工頻電壓的影響，工頻電壓的影響在仿真計算中會給計算結果帶來誤差，越是電壓等級高的線路誤差越大，這是在未來的研究中亟待進一步解決的問題。