輸電線路雷電繞擊評估方法分析及展望

張瑞博，邵開山

（國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內蒙古烏蘭浩特 137499）

0 引言

隨著“西電東送”發展戰略的不斷深化，超高壓輸電方式成為目前主要的一種輸電途徑，但是輸電線路的穩定性難以得到保障，目前出現的輸電線路跳閘故障，多數是雷電繞擊引起的。因為輸電線路大多建設在高山曠野處，并且各個輸電線路之間縱橫交錯，容易受到雷電繞擊的影響，影響超高壓輸變電系統的正常運行。

1 輸電線路雷電繞擊評估方法存在的問題

1.1 雷電參數

1.1.1 地閃密度

某城市、地區的落雷程度就是地閃密度，地閃密度越大，該地區的跳閘頻率就越大，兩者呈正相關關系。以往的輸電線路雷電繞擊評估過程中，受到測量手段等各方面客觀因素的限制，只能使用經驗公式進行估算，使用這種估算方法，繞擊跳閘的頻率存在較大的差異性，對輸電線路雷電繞擊評估帶來不確定性。

在估算地閃密度時，雷電日的統計數據通常是每個城市都分別有一個，這樣的估算方法會導致其參數估算得到的數據非常相近，雖然可以將某個城市的雷電活動水平良好地反映出來，但是卻不能體現出雷電活動存在的差異。在進行輸電線路防雷工作時，一些桿塔地區的地閃密度會遠高于平均地閃密度，因此，應格外重視桿塔地區的雷電防護工作。

隨著近年來科學技術的不斷發展進步，雷電定位系統逐漸得到完善，技術愈發成熟，輸電線路雷電繞擊評估方法得到的結果越來越精確，地閃密度的統計方式越來越精細。雷電定位系統主要是通過測量某地區雷電發生時產生的電磁波獲取時間、位置等信息，以此達到精準定位的目的，并了解到該區域的雷電流幅值，隨著雷達定位的精確度不斷提升，部分區域的探測效率已經得到明顯提升，精確度有所進步，輸電線路走廊地閃密度分布情況越來越準確。

1.1.2 雷電流幅值概率分布

在輸電線路建設早期，通常是在高建筑物上安裝雷電流測量裝置，以此測量區域內的雷電流幅值，然后通過對數百組雷電流幅值的數據擬合，得到該區域內的雷電流幅值概率以及雷電流幅值概率密度的分布曲線。雷電定位系統的完善使得雷電探測效率有效提升，并提供了新的雷電流幅值概率分布統計樣本思路，使得輸電線路雷電流數據樣本更為豐富。

1.2 雷電繞擊模型

目前輸電線路雷電繞擊評估方法主要有以下3 種。

1.2.1 規程法

規程法評估方法是輸電線路雷電繞擊計算經驗公式，是依據多年的電網運行經驗，以及放電試驗得出的一種評估方法。規程法的輸電線路繞擊概率計算有兩種公式，山區與平原地區使用不同的公式進行計算。規程法的經驗公式較為簡單，計算使用也較為便捷，但是由于其公式與繞擊物理過程無關，所以將其應用于工程中時會具有一定的局限性。

1.2.2 電氣幾何模型

電氣幾何模型的輸電線路雷電繞擊評估方法的公式為rc=AIb，其中rc為雷電擊距，A 與b 均為常數。電氣幾何模型的中心思想是利用擊距進行輸電線路雷電繞擊問題的分析，首先需要計算出導線的擊距，以及避雷線的擊距，并將導線與避雷線為圓心，兩者的擊距作為半徑畫圓，若是在兩者畫圓的范圍內有雷電落下，就是由雷電繞擊發生。電氣幾何模型的雷電繞擊評價方法雖然較為簡便，但是由于其將雷擊過程進行了簡化，導致其在實際應用時缺乏一定的適用性與準確性，所以還需要進行進一步的完善。

電氣幾何模型的改進需要注意地形、檔距、內弧垂影響，以及氣象環境因素等方面的影響，經試驗分析發現，輸電線路的正常運行會受地形的影響，因此，在進行電氣幾何模型優化的時候，需要先評估地形，充分了解地形情況，尤其對于一些建設在山區的輸電線路，需要分別考慮到山頂、山坡、山腳與山頂這4處位置的地理環境，針對性地分析其輸電線路存在的繞擊問題。

由于區域內的桿塔間導線與避雷線對地高度會受弧垂影響存在一定的差距，所以在進行輸電線路雷電繞擊評估時，為了保證其評估結果的準確性，需要將檔距進行分段，確保其精細度，使其充分反映區域內繞擊耐雷水平。

由于輸電線路大多建設在曠野或高山處，所以很容易受氣象環境的影響，其中風偏角的存在會影響導線與避雷線的位置，進而導致輸電線路的防繞擊性能存在一定的欠缺。為了修正電氣幾何模型，可以通過建立先導仿真模型的方法推算相關的經驗公式，或者通過對雷電回擊電流峰值與先導電壓關系的分析，得出雷電擊距的計算公式[1]。

1.2.3 先導模型法

雷云電荷積聚后會下行先導向地面發展，在其逐漸接近地面的過程中，地面的電場也會隨之增強，從而導致地面的一些物體的產生上行先導，然后兩者相對發展的過程中產生回擊。

2 對目前輸電線路雷電繞擊評估方法的展望

雖然近幾年對輸電線路雷電繞擊評估方法的研究不斷深入，但是卻依然缺乏精細化的評估模型，對于輸電線路雷電繞擊輸電線路的物理過程還不能良好的反應出來。為了滿足人們的用電需求，輸電線路建設越來越多，超高壓輸電線路的雷電繞擊跳閘事故也越來越多，嚴重影響電網的正常運行，制約國民經濟的發展，因此，為了改變這一現狀，需要加強對于輸電線路雷電繞擊評估方法的研究。

2.1 輸電線路雷電繞擊評估方法面臨的機遇

2.1.1 對于長空氣間隙放電試驗的研究

在超高壓輸電線路前期建設的時候，輸電線路的設計主要是依據長空氣間隙放電試驗結果，且由于其余雷電放電存在一定的相似性，其試驗結果為雷電屏蔽模型提供了大量的理論支持，推動了輸電線路雷電評估方法的發展。由于以往的雷電繞擊評估方法會受測量手段的限制，導致其評估結果存在一定的不準確性，不能準確觀察并測量長空氣間隙放電過程中的各項物理參量，給長空氣間隙放電機理的研究進展帶來極大的阻礙。為了保證輸電線路雷電繞擊評價的準確性，需要保證長空氣間隙放電過程的完整性，并確保電子密度、離子密度，以及電場變量的準確性。隨著近幾年攝像技術的快速發展，快速存儲技術逐漸趨近于成熟，ICCD 超高速照相機的最小曝光時間也有所改善，已經達到了ns 級別，可以觀測到瞬態的流注放電過程[2]。除此之外，光電晶體Pockels 效應的電廠測量技術不斷發展也為輸電線路雷電繞擊評估帶來極大的影響，并通過對各種儀器的利用實現實時觀測，發現光學直徑的變化規律。

2.1.2 仿真研究

通過試驗能夠有效研究長空氣間隙放電，但是僅通過現有的試驗方法進行研究并不能實現突破創新，所以需要通過創新試驗解釋長間隙放電的微觀機理，并獲得雷電先導放電通道中的帶電粒子密度分布微觀參數，局部區域電場強度分布微觀參數等。除此之外，通過試驗進行研究能夠更為深入地了解長空氣間隙放電的過程，并通過實驗獲取微觀特征量，對長空氣間隙放電進行解釋[3]。

在以往的試驗研究中，對于輸電線路雷電繞擊評估方法的研究經常會受到物理模型的影響，且由于其模型的不確實性，導致對于長空氣間隙放電仿真研究多數以經驗模型為主，確保其評估方法的準確性，使用簡單的經驗模型進行試驗會更易于操作，但是在試驗過程中受算法限制，導致其模型的數值仿真只能局限于mm 級，不能擴大尺度。

隨著近幾年計算機數學的不斷發展，流體計算算法越來越精確，分辨率也越來越高，可使用的計算方程也越來越多，為大規模粒子之間相互作用的計算提供了更多的技術支持。除此之外，計算機技術的發展與普及也為長空氣間隙放電仿真研究提供了更好的條件與技術支持，解決了以往試驗中的一些問題。

2.1.3 雷電繞擊評估模型促進

對于長空氣間隙放電的仿真研究與實驗為輸電線路雷電繞擊模型假設提供重要的參考，在建立繞擊評估模型的時候，需要考慮到自然雷電與長空氣間隙放電存在的差異。

雖然自然雷電觀測在實際研究實驗過程中較為困難，但是其卻能反映出最真實的雷電發展過程，并且隨著各項科學技術的不斷發展，雷電放電過程可以利用各種檢測手段獲取，光學、磁場與電場等監測手段都可以獲得更準確的雷擊物理過程[4]。

相比于自然雷電觀測，人工引雷實驗更容易進行觀測與參數檢測，因為其可以制定時間與地點，很多的雷電參數都可以通過其進行獲取。且隨著科學技術的不斷發展與進步，在未來輸電線路雷電繞擊評估研究將會越發成熟，對于雷電發展過程能夠進行更為準確的監測。獲得更為寶貴的數據信息，以此將雷電繞擊評估模型進行完善。

2.2 輸電線路雷電繞擊評估方法的發展趨勢

隨著對長空氣間隙放電試驗研究與仿真研究的不斷深入，對于雷電發展過程將會越來越準確，各種物理參量的測量也會愈發精細，同時將自然雷電試驗研究與人工引雷試驗研究相結合能夠獲得更有效的輸電線路雷電繞擊評估方法，使得其評估模型更為準確。除此之外，對于先導發展模型的研究需要重視縮小其計算量，減少其工作耗時，以此提升工作效率[5]。

3 結束語

為了保證國民經濟的良性發展，需要重視超高壓輸變電系統的正常運行，避免雷擊跳閘事故的發生，因此，需要相關專業人員分析超高壓輸變電系統經常出現跳閘事故的原因，并提出針對性治理與防護方法，減少由于雷電繞擊產生的經濟損失。