緊湊型線路防雷性能的理論計算與分析

張 勝 歐 敏 梁盼望 湯光爭

（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙410007）

0 引言

圖1 雷擊避雷線時輸電線路示意圖

近年來，我國的輸電線路建設為國民經濟建設起到了重大的支撐作用，采用節約輸電走廊的緊湊型線路作為其中一種先進技術的代表正在日益推廣使用。在我國雷擊跳閘率比較高的地區，由雷擊引起的輸電線路事故次數占總事故次數的40%～70%，緊湊型輸電技術措施在降低成本的同時，會對線路的防雷性能產生一定影響。因而，在緊湊型線路設計中，線路防雷性能的研究就成為設計中保證線路安全性的一個重要前提措施。

1 研究方法

輸電線路的防雷性能主要采用理論計算的方法，根據反擊與繞擊兩種不同現場情況，采用不同的方法進行計算。分為兩個主要部分：

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

（2）基于經驗公式和實驗數據，依據標準和規范提供的方法進行繞擊耐雷水平和雷擊跳閘率的計算。

2 研究內容

2.1 輸電線路雷電過電壓的仿真計算模型

輸電線路雷電過電壓仿真計算的基本思路是對輸電線路中雷電流、輸電線路、桿塔、絕緣子進行電路建模，刻畫對應元件的暫態特性，根據元件的等效模型建立輸電線路雷電過電壓計算模型，采用相應的電路計算方法對雷擊桿塔時發生的暫態過程進行定量計算。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作為仿真計算對象。

圖2所示為雷擊桿塔塔頂避雷線時，由相鄰3個桿塔和其間4段線路組成的輸電線路系統仿真模型示意圖。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，即可獲得桿塔線路雷電過電壓。下面將對輸電線路系統的計算原理做詳細介紹。

圖2 輸電線路系統仿真模型示意圖

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線的換位步距小得多，計算線路的電氣參數時，輸電線路被看成包括地線、三相導線在內的n根不換位多導線系統來處理。線路的電感和電容等參數均取高頻時（106Hz）的參數，多導線線路的電氣參數采用已有的線路參數計算程序來計算[1]。本工作采用求解單導線波過程的Bergeron計算方法分別對每個模量求解，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

根據參考文獻[3]提供的計算方法，雷擊跳閘率由公式（1）計算得到：

式中：n1為雷擊桿塔時的跳閘率；n2為雷電繞擊導線時的跳閘率。

2.3.1 雷擊桿塔跳閘率（規程法）

雷擊桿塔跳閘率計算公式如下：

式中：N為每100 km線路每年遭受雷擊的次數[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（規程法）

規程法繞擊跳閘率計算公式如下：

式中：參數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（電氣幾何模型計算方法）

電氣幾何模型是指將雷電的放電特性與線路的結構尺寸聯系起來而建立的一種幾何分析計算模型。基本原理和假設如下[4]：

（1）由雷云向地面發展的先導放電通道頭部到達被擊物體的臨界擊穿距離——擊距之前，擊中點不確定。頭部到達某物體的擊距以內，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等因素對擊距的影響，假定先導對桿塔、避雷線、導線的擊距rs相等。

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

3 計算結果

在地面傾角小于完全屏蔽最大地面傾角時，采用懸掛點高度和沿線平均法進行計算，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，從統計角度講，線路不會發生繞擊事故。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）。從計算結果可知緊湊型保護角為-17.7°，因此，15°以下傾角時的繞擊跳閘率為零。

4 結語

本文研究了500 kV緊湊型輸電線路的防雷性能。基于參數選擇和理論計算，研究結果表明緊湊型線路由于副保護角比較大，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）。根據上述計算結果可知，本項目中線路高度為28 m和33 m情況下，桿塔接地電阻為15 Ω以下時，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。