跨越天山山區(qū)的750 kV 輸電線路雷擊風險評估

董新勝，張 東

(國網(wǎng)新疆電力公司 電力科學研究院，新疆 烏魯木齊830011)

0 引言

隨著新疆電力的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模和復(fù)雜度在不斷提高，其安全運行隱患也日趨嚴重。特別是隨著氣候的變化，新疆電網(wǎng)的雷擊事故呈現(xiàn)逐年增多的趨勢。尤其是處于伊犁的天山山區(qū)雷電活動較為頻繁，使跨越天山山區(qū)的220 kV 輸電線路遭受雷擊而跳閘。750 kV 伊蘇輸電線路2013 年投運，該線路起自烏蘇市西大溝鄉(xiāng)的750 kV 開關(guān)站，止于尼勒克縣蘇布臺鄉(xiāng)西側(cè)約2 km 的750 kV伊犁變電站。線路共有桿塔539 基，線路檔距平均為480 m。其中耐張桿塔全部采用鐵塔，鐵塔呼高41～82 m。該線路大部通過天山山區(qū)，桿塔較高，雷擊風險較大，因此，有必要進行防雷評估，以降低雷擊對電網(wǎng)的威脅。

1 線路防雷風險評估影響因素

線路雷擊跳閘率與線路走廊內(nèi)的雷電活動有極大的關(guān)系［1］，而線路走廊內(nèi)的雷電活動強度由雷暴日、地閃密度和雷電流幅值分析概率等組成，根據(jù)雷電定位系統(tǒng)對雷電活動的監(jiān)測和統(tǒng)計研究，一條線路走廊內(nèi)的雷電活動強度也存在較大差異。因此在防雷評估中不能利用一個地區(qū)統(tǒng)一的雷電參數(shù)［2］，而應(yīng)當根據(jù)雷電定位系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來分析。同時不同類型的線路桿塔結(jié)構(gòu)的避雷線保護角不同，絕緣子片數(shù)不同會影響線路的耐雷水平，接地裝置不同會影響接地電阻的大小，進而整體影響線路的耐雷水平，所以線路桿塔結(jié)構(gòu)在防雷評估中也應(yīng)當有所考慮?，F(xiàn)有繞擊計算方法中對地面傾角及風速的考慮都較多，認為地面傾角對線路的繞擊有較大的影響。而不應(yīng)當把地形分為簡單的山區(qū)平原，特高壓的跳閘率中繞擊占較大的部分，在特高壓線路的評估中應(yīng)當充分考慮地形因素的影響。

2 線路雷擊跳閘率計算

2.1 線路反擊跳閘率計算

計算線路反擊跳閘率應(yīng)當先計算線路反擊耐雷水平，線路反擊耐雷水平計算方法較常用的有規(guī)程法和ATP-EMTP(電磁暫態(tài)仿真)法，下面利用這兩種方法分別計算線路的耐雷水平。

根據(jù)DL/T620-1997 《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中桿塔反擊耐雷水平計算公式:

式中:U50%為絕緣子50%放電電壓;ha橫擔對地高度，m;ht桿塔高度，m;hg避雷線對地平均高度，m，為避雷線高度-2/3 避雷線弧垂;hc導(dǎo)線對地平均高度，m，為避雷線高度-2/3 避雷線弧垂;k導(dǎo)線間耦合系數(shù)，取電暈修正后的數(shù)值;β 桿塔分流系數(shù);Ri桿塔沖擊接地電阻;Lt桿塔電感。

根據(jù)式1 計算不同桿塔的反擊耐雷水平如表1 所示。

表1 不同桿塔反擊耐雷水平統(tǒng)計表

EMTP 法與規(guī)程法的不同之處在于對桿塔上雷電流傳播時的模擬不同，750 kV 輸電線路桿塔較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，單一等值電感模型往往不適于此類桿塔［3，4］。EMTP 法可以采用多波阻抗模型計算桿塔的反擊耐雷水平，相對于規(guī)程法的單一等值電感模型，多波阻抗模型可以考慮雷擊桿塔時雷電流在桿塔上傳播時的反射及桿塔上不同點電位對絕緣子串上過電壓的影響［5］。

桿塔不同位置的波阻抗計算方法不同，垂直圓柱體的波阻抗值主要依賴于該處導(dǎo)體的半徑和對地高度［6］，可以根據(jù)式(2)來描述垂直導(dǎo)體的波阻抗。

式中:r 和h 分別為圓柱體的半徑和圓柱體頂端距地垂直高度。

對于n 根平行圓柱體組成的系統(tǒng)，第k(k=2～n)根圓柱體的自波阻抗ZT-kk和第k 根與第l 根之間的互波阻抗ZT-kl可表示為式(3):

式中:Rkl為第k 根與第l 根導(dǎo)體間的距離。則系統(tǒng)總的波阻抗如式(4)所示:

然后根據(jù)上述計算方法計算桿塔各段的波阻抗，利用EMTP 建立750 kV 伊蘇線常用的塔型為ZB231P 的計算模型見圖1。

圖1 ZB231P 桿塔EMTP 模型

根據(jù)不同的桿塔高度建立不同的EMTP 反擊仿真模型。由于750 kV 運行電壓占絕緣子閃絡(luò)電壓較高，在計算中應(yīng)當考慮工頻電壓的影響。然后不斷調(diào)整工頻的角度和雷電流的大小，依次得出不同桿塔高度時使絕緣子閃絡(luò)的最小閃絡(luò)電流。

圖2 和圖3 給出桿塔高度為50 m 初始相角30°雷電流320 kA 和330 kA 時導(dǎo)線上雷電過電壓的波形圖。

從圖中可以看出，桿塔高度50 m 初始相角30°雷電流320 kA 時絕緣子沒有閃絡(luò);當雷電流增大到330 kA 時絕緣子發(fā)生了閃絡(luò)，此時可以取桿塔的反擊耐雷水平為325 kA。

由于桿塔高度有多種，其他高度的桿塔的反擊耐雷水平計算過程與50 m 高桿塔的計算方法相同，計算得出不同桿塔高度的反擊耐雷水平結(jié)果如表2 所示。

圖2 320 kA 時導(dǎo)線波形圖

圖3 330 kA 時導(dǎo)線波形圖

表2 不同高度桿塔反擊耐雷水平統(tǒng)計表

雷擊時工頻電壓瞬時值按相角均勻分布考慮［7］。在計算中將1 個工頻周期的相角劃分為n1個相角區(qū)間，由此計算線路耐雷水平概率P 如式(5)所示

式中:Pj為線路在不同的工頻相角區(qū)間內(nèi)的耐雷水平概率;n1為劃分的n1個相角區(qū)間。n1一般取12，仿真中需分別計算12 種相角狀態(tài)下的耐雷水平，然后根據(jù)式(5)計算線路的反擊耐雷水平。

線路的反擊跳閘率計算公式如式(6)所示

式中:NL為線路每100 km·a 的落雷次數(shù)，其值的選取根據(jù)新疆雷電監(jiān)測系統(tǒng)2010～2013 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù);η 為建弧率;P1為計及工作電壓的統(tǒng)計耐雷水平概率;g 為擊桿率，建弧率η 為1。

規(guī)程法計算得出的反擊跳閘率最大為0．461 3次/百km·a，平均為0．042 13 次/百km·a。EMTP法計算反擊跳閘率最大為0．089 8 次/百km·a，平均為0．033 18 次/百km·a。從上述分析可以看出，規(guī)程法計算得的反擊跳閘率較高，與運行經(jīng)驗不相符合，不宜在防雷評估中應(yīng)用。

2.2 線路繞擊耐雷水平計算

目前我國輸電線路的雷電繞擊系統(tǒng)設(shè)計及其性能估算，以電力行業(yè)標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》為依據(jù)。該標準認為:雷電繞過避雷線直擊導(dǎo)線的概率與避雷線對邊導(dǎo)線的保護角、桿塔高度以及線路經(jīng)過的地形、地貌、地質(zhì)條件有關(guān)，平原和山區(qū)線路的繞擊率與保護角和桿塔高度的關(guān)系如下:

平原線路:

山區(qū)線路:

式中:Pα為線路繞擊率;α 為線路保護角;h 為桿塔高度。

在利用導(dǎo)線波阻抗計算線路繞擊耐雷水平如式(9)所示［8］

式中:Zc為導(dǎo)線波阻抗，約為300 Ω。前蘇聯(lián)科學家通過觀測和分析得出雷電通道的等值波阻抗Z0在300～3 000 Ω 間變動。雷電流小于5 kA 時，Z0值約為數(shù)千歐;雷電流處在5～30 kA 范圍時，Z0值為900～600 Ω。從嚴考慮，取Z0=900 Ω，由彼德遜法則，得

即U=IZc/2．33

根據(jù)750 kV 線路絕緣子U50%閃絡(luò)電壓為3 100 kV，計算得出750 kV 線路的繞擊耐雷水平為24．1 kA。

計算得出線路繞擊耐雷水平后，分別根據(jù)規(guī)程法和改進電氣幾何模型法計算線路繞擊跳閘率［9］。改進電氣幾何模型法考慮了擊距系數(shù)和地面傾角的影響，可以客觀衡量不同地形下線路遭受雷擊的情況。改進電氣幾何模型法介紹較多［10，11］，這里不再介紹，利用規(guī)程法計算線路繞擊率最大為0．140 3 次/百km·a，平均為0．043 4次/百km·a，而且平原地區(qū)的平均為0．030 5次/百km·a，山區(qū)平均為0．063 8 次/百km·a;利用改進電氣幾何模型法計算線路最大繞擊率為1．162 2 次/百km·a，平均為0．078 8 次/百km·a，同時在計算中發(fā)現(xiàn)平原地區(qū)的繞擊率基本為0，繞擊嚴重地區(qū)集中在山區(qū)和大檔距線路段。從以上分析可以看出，規(guī)程法不能有效反映地形地勢的影響，所以在防雷評估中推薦采用改進電氣幾何模型法。

3 線路雷擊閃絡(luò)風險評估

根據(jù)國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《110(66)kV～500 kV 架空輸電線路管理規(guī)范》及相關(guān)研究和實際運行經(jīng)驗，750 kV 線路雷擊跳閘率取500 kV 的80%，《110(66)kV～500 kV 架空輸電線路管理規(guī)范》中各電壓等級線路的雷擊跳閘率(歸算到40 個雷暴日，2．78 次/(km2·a))，500 kV 應(yīng)達到如下指標:0．14 次/百km·a。因此，750 kV 伊蘇線線路走廊的地閃密度取2．9 次/(km2·a)，對應(yīng)的雷擊跳閘率指標值為0．11 次/百km·a。按照以往750 kV 超高壓線路的運行經(jīng)驗，繞擊占90%、反擊占10%，因此將750 kV 伊蘇線繞擊跳閘率指標值定為0．099 次/百km·a反擊跳閘率指標值定為0．011 次/百km·a。根據(jù)跳閘率指標，實際跳閘率在跳閘率指標50%以下的防雷評估為優(yōu)，等級為A;實際跳閘率在跳閘率指標50%以上100%及以下的防雷評估為良，等級為B;實際跳閘率在跳閘率指標100%以上150%以下的防雷評估為中，等級為C;實際跳閘率在跳閘率指標大于150%以上的防雷評估為差，等級為D;風險評估等級劃分指標如表3 所示。

表3 750 kV 烏蘇—伊犁線雷擊閃絡(luò)風險評估等級劃分指標

對各基桿塔的雷擊閃絡(luò)風險劃分為A、B、C、D 的目的是將各桿塔繞擊、反擊防雷性能的相對強弱更為直觀的表示出來。其中A 與B 為合格，C 為略不合格，D 為嚴重不合格。

3.1 反擊閃絡(luò)風險評估結(jié)果

沿線逐基桿塔反擊跳閘率計算結(jié)果如圖4 所示。反擊A、B、C、D 各級的桿塔數(shù)量分別為469 基、0 基、0 基、69 基，比例為87．17%、0．00%、0．00%、12．83%，也即有87．17% 的桿塔具有相對較好的防反擊性能，有12．83%的桿塔反擊防雷性能不理想，反擊閃絡(luò)風險偏高。反擊風險偏高的桿塔主要集中在前200 基桿塔，約占到90%，這部分桿塔主要位于山上，剩下的10%風險較高主要是在大跨越段。

圖4 不同桿塔反擊跳閘率

3.2 繞擊閃絡(luò)風險評估結(jié)果

沿線逐基桿塔繞擊跳閘率計算結(jié)果如圖5 所示。繞擊A、B、C、D 各級的桿塔數(shù)量分別為384 基、26 基、19 基、109 基，比例為71．38%、4．83%、3．53%、20．26%，也即有76．21% 的桿塔具有相對較好的防繞擊性能，有23．79%的桿塔繞擊防雷性能不理想，繞擊閃絡(luò)風險偏高。繞擊風險偏高的桿塔主要集中在前200 基桿塔，約占到92%，這部分桿塔主要位于山上，剩下的10%風險較高主要是在大跨越段和桿塔比較高的線路段。

圖5 不同桿塔繞擊跳閘率

3.3 雷擊閃絡(luò)風險評估結(jié)果

沿線逐基桿塔雷擊跳閘率計算結(jié)果如圖6 所示。雷擊A、B、C、D 各級的桿塔數(shù)量分別為383 基、26 基、19 基、110 基，比例為71．19%、4．83%、3．53%、20．45%，也即有76．02% 的桿塔具有相對較好的防反擊性能，有23．98%的桿塔繞擊防雷性能不理想，繞擊閃絡(luò)風險偏高。

圖6 不同桿塔雷擊跳閘率

4 改造措施

綜合上述分析，根據(jù)運行經(jīng)驗并結(jié)合各種防雷措施的優(yōu)缺點和適用范圍，在對750 kV 烏蘇～伊犁線進行防雷改造時，建議主要采用安裝防繞擊避雷針以及線路氧化鋅避雷器兩種措施進行防雷改造。

(1)安裝防繞擊避雷針

750 kV 烏蘇～伊犁線位于山區(qū)部分線路走廊地形條件相對比較復(fù)雜，山頂及大檔距桿塔較多，因此針對繞擊閃絡(luò)風險位于C 級和D 級的桿桿塔，本報告中建議安裝1 支或2 支可控針作為防繞擊措施。

(2)安裝線路氧化鋅避雷器

受到地形地貌、地閃密度、桿塔結(jié)構(gòu)等復(fù)雜因素的影響，750 kV 烏蘇～伊犁線部分桿塔的繞擊和反擊風險等級相對較高。因此本報告建議對于反擊風險為C 級和D 級的桿塔安裝線路氧化鋅避雷器。

5 結(jié)論

應(yīng)用規(guī)程法和EMTP 法對線路的反擊跳閘率進行了計算，用規(guī)程法和改進電氣幾何模型法對線路的繞擊率進行了計算，計算結(jié)果表明，規(guī)程法不適合于750 kV 線路防雷評估的應(yīng)用。

利用雷電分布圖逐基計算了750 kV 伊蘇線在反擊及繞擊雷擊閃絡(luò)風險。結(jié)果表明有76．02%的桿塔具有相對較好的防反擊性能，有23．98%的桿塔繞擊防雷性能不理想，繞擊閃絡(luò)風險偏高。

本次綜合防雷改造主要考慮降低線路的繞擊跳閘率。選用安裝線路避雷器和安裝側(cè)向避雷針作為此次防雷改造的主要改造措施。同時，建議運行單位對部分接地電阻未達到要求的桿塔結(jié)合線路的評估結(jié)果進行接地改造。

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