架空輸電線路雷電電氣幾何模型的優(yōu)化分析

（云南省電力設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650051）

架空輸電線路雷電電氣幾何模型的優(yōu)化分析

余 斌

（云南省電力設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650051）

繞擊率的計(jì)算是架空輸電線路防雷性能評(píng)估中的重要內(nèi)容。本文采用電氣幾何模型（EGM）計(jì)算雷電繞擊率，重點(diǎn)闡述了計(jì)算模型中關(guān)鍵因素的處理方法，指出其他處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出優(yōu)化措施。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際線路運(yùn)行情況的對(duì)比表明，該推薦方法可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算架空輸電線路的繞擊率。

架空輸電線路；繞擊；電氣幾何模型

引言

國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，雷電是造成架空輸電線路跳閘的主要原因。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議公布的美國(guó)﹑前蘇聯(lián)等12個(gè)國(guó)家的電壓275kV～500kV總長(zhǎng)為32700km。輸電線路連續(xù)三年的運(yùn)行資料反映，雷擊故障占60%。日本電力系統(tǒng)事故中由雷擊輸電線路造成的占50%。我國(guó)輸電線路故障中，雷擊也占很大比例，如2003年我國(guó)110kV～500kV線路雷擊閃絡(luò)跳閘占線路總跳閘的35.12%。因此，加強(qiáng)架空輸電線路防雷設(shè)計(jì)尤為重要。

在架空輸電線路雷電閃絡(luò)率計(jì)算中，一般分為繞擊率計(jì)算和反擊率計(jì)算。繞擊率的計(jì)算模型主要有兩種：電氣幾何模型（EGM）和先導(dǎo)傳播模型（LPM）。LPM計(jì)算所采用的參數(shù)存在爭(zhēng)議，計(jì)算結(jié)果也有較大的差異。目前，我國(guó)繞擊率的計(jì)算以EGM為主。

同時(shí)，雷電是一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象。防雷設(shè)計(jì)中許多參數(shù)都具有不確定性。例如雷電流的波形，幅值分散性很大；不同的地質(zhì)條件的桿塔接地電阻，差異很大，同時(shí)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化；地域的雷電日或者落雷密度也是在統(tǒng)計(jì)意義上的平均值。這些因素都增加了防雷設(shè)計(jì)中的不確定性。在雷擊閃絡(luò)率的計(jì)算中，必須考慮這些因素。因此，防雷設(shè)計(jì)中應(yīng)將理論計(jì)算與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，提出防雷的有效措施，以減少雷擊跳閘率，提高線路運(yùn)行的可靠性。

1 電氣幾何模型

電氣幾何模型的基本原理為：由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)頭部到達(dá)距被擊物體臨界擊穿距離（簡(jiǎn)稱擊距）的位置以前，擊中點(diǎn)是不確定的，先到達(dá)哪個(gè)物體的擊距之內(nèi)，即向該物體放電；擊距同雷電流幅值有關(guān)。本文重點(diǎn)論述電氣幾何模型中對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大或存在爭(zhēng)議因素的處理方法。

1.1 導(dǎo)線電壓

導(dǎo)線由于自身具有一定的電壓，尤其在超高壓﹑特高壓線路中，導(dǎo)線本身電壓可能很高，在擊距計(jì)算中必須考慮。中國(guó)電力科學(xué)院根據(jù)負(fù)極長(zhǎng)間隙放電電壓與擊距的關(guān)系，指出導(dǎo)線擊距公式為：

Vdc為導(dǎo)線工作電壓，對(duì)于負(fù)電壓取正值，正電壓取負(fù)值。這是根據(jù)大部分雷電均為負(fù)極性得到的。

1.2 屏蔽率計(jì)算

以往的電氣幾何模型中，屏蔽率的計(jì)算是以暴露弧長(zhǎng)在地面的投影來(lái)計(jì)算的，這樣當(dāng)采用負(fù)保護(hù)角時(shí)，繞擊率便為零。從日本特高壓輸電線路運(yùn)行中拍攝到的雷擊照片得知，有雷電先導(dǎo)側(cè)向擊中導(dǎo)線的情況發(fā)生。從雷電的先導(dǎo)模型可知，雷電的發(fā)展是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，暴露在雷電發(fā)展范圍的物體都有可能被雷電擊中。采用暴露弧長(zhǎng)比計(jì)算屏蔽率更加近似物理模型。因此，推薦采用暴露弧長(zhǎng)比計(jì)算屏蔽率。

1.3 同塔雙回或多回繞擊率計(jì)算

對(duì)于同塔雙回或者多回輸電線路繞擊率的計(jì)算，目前有兩種不同的考慮方法：

（1）分別作出各個(gè)導(dǎo)線和地線的擊距圓，以暴露導(dǎo)線總的暴露弧長(zhǎng)與地線和導(dǎo)線弧長(zhǎng)和的比值作為繞擊率。

（2）不考慮導(dǎo)線間互相的屏蔽效應(yīng)，分別以每根導(dǎo)線和地線之間的幾何位置關(guān)系，計(jì)算繞擊閃絡(luò)率，取最大值作為線路的繞擊閃絡(luò)率。這種方法主要是基于以下兩個(gè)事實(shí)：①只要一根導(dǎo)線發(fā)生繞擊閃絡(luò)，即認(rèn)為整個(gè)線路發(fā)生繞擊閃絡(luò)，導(dǎo)線間的互相屏蔽作用對(duì)整個(gè)線路的繞擊閃絡(luò)率影響很??；②這種處理方式得到的繞擊率與第一種方法比較相差不大，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)要簡(jiǎn)單的多。

推薦第二種方法。

1.4 雷電入射角

（1）根據(jù)雷電先導(dǎo)模型的研究成果，雷電通道在向下發(fā)展過(guò)程中其發(fā)展方向具有一定的隨機(jī)性，從統(tǒng)計(jì)的規(guī)律來(lái)看，雷電通道總是趨于沿電場(chǎng)最大的方向發(fā)展。因此，雷電入射角概念本身并沒(méi)有物理過(guò)程上的依據(jù)。

基于以上分析，在雷電繞擊中考慮雷電入射角的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。至少在觀測(cè)數(shù)據(jù)比較少的情況下，沒(méi)有必要做這樣的處理。

1.5 后繼雷電流

Anderon R.B.和Eriksson在《Lighting parameters for engineering application 》指出：雷電在發(fā)展中經(jīng)常存在，沿同一通道多次擊中地面物體的情況，而且后繼的雷電流的大小與先導(dǎo)雷電流無(wú)關(guān)，存在后繼雷電流超過(guò)先導(dǎo)雷電流的情況。因此，IEEE std1243-1997建議在繞擊計(jì)算中要考慮這個(gè)因素。但是，國(guó)內(nèi)的研究多忽略這個(gè)因素。本文也不予考慮，認(rèn)為在雷電流分布函數(shù)中已經(jīng)涵蓋了這些情況。

1.6 交流線路導(dǎo)線電壓的選取

對(duì)于直流線路，不存在電壓相位的問(wèn)題。但是，在交流線路中，由于電壓是時(shí)變的，要考慮雷擊時(shí)導(dǎo)線電壓的幅值。一般的處理方法為，每隔15°選擇選取一個(gè)電壓值，計(jì)算繞擊閃絡(luò)率，取平均值作為線路繞擊閃絡(luò)率。

1.7 地形的影響

輸電線路在空間上分布范圍很廣，沿線地形條件復(fù)雜。針對(duì)地形對(duì)雷電繞擊率的影響，主要有兩種處理方法：一種是在電氣幾何模型中以地面傾斜角度考慮地形；另一種方法是按地形分類對(duì)導(dǎo)線的平均高度經(jīng)行修正。

第一種方法針對(duì)線路走廊不同的地形定義相應(yīng)的地面傾角，在電氣幾何模型中考慮由于地面傾角造成的大地屏蔽效果的減弱。這種處理方法的缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮地形對(duì)導(dǎo)線高度的影響，計(jì)算所得的結(jié)果偏于樂(lè)觀。

圖1 計(jì)算軟件輸入界面

表1 線路基本情況

第二種方法是美國(guó)E.R.Whitehead提出的。他將地形分為三類：平原﹑丘陵和山地。對(duì)于這三種地形，在確定導(dǎo)線高度的參數(shù)時(shí)采用不同的原則。計(jì)算公式如下：

其中，hdt為導(dǎo)線掛點(diǎn)高度，Sd為導(dǎo)線最大弧垂。

各種地形下地線對(duì)地的平均高度hb計(jì)算方法如下：

圖2 直線塔型式示意圖

圖3 耐張塔型式示意圖

本文中結(jié)合兩種處理方法，對(duì)不同類型的地形，考慮不同的地面傾角和導(dǎo)地線高度，由此更加全面的反應(yīng)整個(gè)線路的防雷性能。

1.8 全線雷擊閃絡(luò)率的計(jì)算

根據(jù)IEEE std1243-1997給出的結(jié)論，全線雷擊閃絡(luò)率按如下公式計(jì)算：

Tn—典型區(qū)段雷擊閃絡(luò)率。

Ln—典型區(qū)段的長(zhǎng)度。

2 計(jì)算軟件開發(fā)

根據(jù)以上分析，建立輸電線路繞擊電氣幾何計(jì)算模型，并開發(fā)相應(yīng)軟件。Excel本身具有強(qiáng)大的二次開發(fā)性。本文所設(shè)計(jì)雷電繞擊計(jì)算系統(tǒng)基于Excel平臺(tái)。

軟件界面如圖1所示。表格中實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入，VBA中實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程。該軟件應(yīng)用方便，可以方便的進(jìn)行不同地線保護(hù)角下，不同地形下，雷電繞擊閃絡(luò)率的計(jì)算。

3 計(jì)算案例

線路實(shí)際繞擊閃絡(luò)率需長(zhǎng)期運(yùn)行觀測(cè)及積累。本文以某條500kV線路為例進(jìn)行計(jì)算。線路基本情況見表1。直線塔型式如圖2所示，耐張塔型式如圖3所示。

將以上數(shù)據(jù)輸入計(jì)算程序，得到不同地形下雷電繞擊率，根據(jù)公式（4）進(jìn)行加權(quán)，得到全線繞擊率，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 雷電繞擊率計(jì)算結(jié)果

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]中雷電反擊計(jì)算方法，該線路反擊跳閘率在0.124次/（100km·a）。因此，該500kV線路全線雷擊跳閘率為0.392次/（100km·a）。該結(jié)果與山區(qū)線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基本一致。

結(jié)語(yǔ)

（1）雷電繞擊輸電線路是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程。目前，繞擊率的計(jì)算一般使用電氣幾何模型。該模型與先導(dǎo)模型相比，雖然忽略了物理過(guò)程上的細(xì)節(jié)，但是計(jì)算結(jié)果仍可以反映線路的運(yùn)行繞擊情況。

（2）在電氣幾何模型中，對(duì)于超﹑特高壓線路要考慮導(dǎo)線電壓，可以不考慮雷電的入射角。屏蔽率的計(jì)算使用弧長(zhǎng)比更加科學(xué)。同時(shí)，本文還給出同塔多回線路，交流線路在計(jì)算繞擊率時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

（3）結(jié)合以往的研究結(jié)果，給出繞擊率計(jì)算中地形因素的處理方法，并使用IEEE推薦公式計(jì)算整條線路的繞擊率。

（4）開發(fā)繞擊計(jì)算軟件并與科研單位的成果進(jìn)行了對(duì)比。線路的繞擊率與線路的所處的自然條件緊密相關(guān)，應(yīng)針對(duì)不同區(qū)域不斷積累相關(guān)數(shù)據(jù)，完善模型。

[1]杜澍春.關(guān)于輸電線路防雷計(jì)算中若干參數(shù)及方法的修改意見[J].電網(wǎng)技術(shù)，1996，20（12）：53-56.

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[5]DL/T 620-1997，交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

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