新疆750kV輸電線路雷擊評估及防護(hù)研究

新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 梁繼存 何 山

國家電網(wǎng)公司新疆電力科學(xué)研究院 董新勝

新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 王 松 李朋宇 郭福濤 王 杰 陳先飛

0 引言

新疆地區(qū)將逐漸形成750kV輸電線路基本網(wǎng)架，其電壓等級高，輸電線路一旦遭受雷擊引起跳閘，不但影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定有效供電，增加輸電線路及開關(guān)設(shè)備的維護(hù)及檢修工作量，而且雷電波還會沿輸電線路侵入變電所，造成設(shè)備的損壞。由于輸電走廊的氣象、地形、地貌、雷電活動規(guī)律及線路本身的防雷設(shè)計和絕緣水平的不同,雷擊引起的故障原因各不相同，對特定的輸電線路無針對性采取防雷措施,既浪費又難以達(dá)到良好的防雷效果。因此，針對新疆某750kV輸電線路，通過計算統(tǒng)計選取針對性的防雷技術(shù)措施，以達(dá)到減少雷擊跳閘提高供電可靠性的目的。

1 新疆電網(wǎng)雷電監(jiān)測系統(tǒng)

新疆2010年開始建立雷電監(jiān)測網(wǎng)，并逐步對雷電監(jiān)測站進(jìn)行布置，重點覆蓋了750kV輸電線路。雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)能夠?qū)λ幍赜虻睦纂娗闆r進(jìn)行實時監(jiān)測，能監(jiān)測到的雷電流幅值范圍是1.5-800kA（誤差不足10%），而且能夠確定每次雷電發(fā)生的時間、地點、極性（正確率在99.5%以上）、回?fù)舸螖?shù)以及接受到的雷電波的波形特征參量。探測站誤差時間不足1μs。針對平原地帶而言，單個探測站探測半徑是200km、探測效率設(shè)為80%及以上，針對山區(qū)地帶來說，單站探測半徑是150km、探測效率設(shè)為90%及以上，探測誤差小于0.7km。

2 雷擊跳閘率計算方法

2.1 雷電過電壓的種類

架空輸電線路的雷電過電壓主要有2種:感應(yīng)雷電過電壓和直擊雷過電壓。750kV輸電線路絕緣水平高,感應(yīng)雷過電壓幅值一般低于400kV，不會造成線路閃絡(luò)，在計算其耐雷水平時，一般不考慮感應(yīng)雷電過電壓的影響，而把重點放在直擊雷的防護(hù)上。直擊雷過電壓按雷電擊中線路設(shè)備的位置不同分為反擊和繞擊。

圖1 750kV輸電線路部分仿真模型

2.2 反擊跳閘率計算方法

計算750kV輸電線路反擊跳閘率時，利用ATP-EMTP仿真軟件，以750kV輸電線路桿塔型號為依據(jù)，建立輸電線路的多波阻抗仿真模型，如圖1所示。雷電流用負(fù)極性、雙指數(shù)波，波形是2.6/50μs，通過調(diào)整雷電流的大小，通過仿真確定不同高度桿塔反擊耐雷水平，如表1所示。

表1 不同高度下桿塔反擊耐雷水平

在雷擊情況下，工頻周期每一個相角范圍內(nèi)具有相等的雷擊概率?？梢詫⑵涞确譃閚1個范圍，則反擊耐雷水平概率P可以用統(tǒng)計法得到如下式：

式(1)中：Pj-輸電導(dǎo)線各個相角范圍耐雷水平概率；n1-單個工頻周期進(jìn)行n1等分。

計算反擊跳閘率時，雷電日值為40d，則0.07次/(km2?a)為與之對應(yīng)區(qū)域的地面落雷密，那么輸電線路每100km?a的落雷次數(shù)如下式：

式(2)中：hT-塔高，m；b-兩根地線間距，m；Td-輸電線路所在區(qū)域的雷暴日；γ-地面落雷密度；η-建弧率，其值取為1。

線路的反擊跳閘率計算式為：

式(3)中：NL-線路每100km?a的落雷次數(shù)；η-建弧率；P1-考慮工作電壓下的統(tǒng)計耐雷水平概率；g-擊塔率。

2.3 繞擊跳閘率計算方法

輸電導(dǎo)線的波阻抗Zc取值大約是300Ω，750kV輸電線路上絕緣子的50%閃絡(luò)電壓U值是3100kV，由式(4)可得值24.1kA即是750kV輸電線路的繞擊耐雷水平。

對于輸電線路繞擊情況，可綜合考率輸電線路桿塔的地面傾角θ及擊距系數(shù)k，對EGM（電氣幾何模型）改進(jìn)，如圖2所示，進(jìn)而計算繞擊跳閘率。

圖2 改進(jìn)的電氣幾何模型

擊距公式：

式(5)中：I-雷電流幅值，kA；rs-擊距，m。

擊距系數(shù)：

式(6)中：hc-導(dǎo)線對地平均高度，m；k-擊距系數(shù)。

受雷寬度：

式(7)中：b-避雷線間距，m；h-避雷線平均對地高度，m；B-受雷寬度。

臨界擊距：750kV輸電線路的臨界擊距rsc可以由其繞擊耐雷水平I1來確定，由式(5)易得：

繞擊率：

式(9)中：Pα-線路繞擊概率；x-雷電流作用下相導(dǎo)線閃絡(luò)的空間位置的條件概率；p(i)-某雷電流i的概率分布密度；I-雷電流。

線路繞擊跳閘率：

式(10)中：NL-雷擊次數(shù)/100km a，NL=Td γB/1000*100；Td-輸電線路所在區(qū)域雷暴日；γ-地面落雷密度；B-輸電線路受雷寬度；η-絕緣子閃絡(luò)后建弧率。

3 輸電線路雷擊風(fēng)險評估

3.1 線路概況

新疆某750kV輸電線路，為新疆電網(wǎng)雷電監(jiān)測系統(tǒng)雷電監(jiān)測覆蓋范圍內(nèi)，本線路所經(jīng)過的區(qū)域地形一半是戈壁草場，另一半則為山地，海拔高度在300～2500m之間。此輸電線路桿塔數(shù)目一共539基，直線塔型號主要為ZB型；耐張塔型號有JG型，其中桿塔高度最高為80m，最低42m，線路檔距平均距離是480m，所有耐張桿塔均應(yīng)用的是鐵塔。線路導(dǎo)線全部為6分裂導(dǎo)線，型號是LGJ-400/50，線路全部架設(shè)雙避雷線，避雷線種類一根是普通地線，普通地線型號為1*19-13.0-1270型鍍鋅鋼絞線，一根為OPGW，OPGW型號為OPGW-120，線路絕緣子包括：導(dǎo)線絕緣子和減少地線損耗用的地線絕緣子，其中導(dǎo)線絕緣子有瓷質(zhì)、合成、玻璃絕緣子三種，瓷質(zhì)絕緣子型號為U210BP/170T，玻璃絕緣子型號為U420B/205，復(fù)合絕緣子型號為FXBW-750，其中復(fù)合絕緣子的雷電沖擊耐受標(biāo)稱放電電壓為2700kV，地線絕緣子采用的是型號為XDP-100C的絕緣子。根據(jù)雷電監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，線路走廊雷電活動典型參數(shù)統(tǒng)計見表2。

表2 典型雷電參數(shù)年平均值

3.2 評估等級的確定

根據(jù)前面介紹的雷擊跳閘率計算方法，反擊采用EMTP進(jìn)行計算，繞擊采用改進(jìn)的EGM（電氣幾何模型）進(jìn)行計算。對輸電線路跳閘率進(jìn)行逐基計算，根據(jù)計算結(jié)果對其劃分為A、B、C、D四個等級，其中A、B代表雷擊防護(hù)合格，C、D分別代表雷擊防護(hù)不合格和嚴(yán)重不合格。750kV輸電線路區(qū)域走廊的地閃密度取2.9次/(km2?a)，與之相應(yīng)的雷擊跳閘率是0.11次/百公里?年。依據(jù)從前其它750kV特高壓輸電線路運行的實際情況，90%的繞擊、10%的反擊，則針對本次評估，把0.099次/百公里?年定作繞擊指標(biāo)，把0.011次/百公里?年定作反擊指標(biāo)。具體風(fēng)險評估等級劃分指標(biāo)如下表2所示。

表2 某750kV輸電線路雷擊風(fēng)險評估等級劃分指標(biāo)

3.3 輸電線路雷擊評估結(jié)果

圖3顯示的是整條線路不同反擊等級下的桿塔數(shù)目，雷電反擊級別為A、B、C、D塔數(shù)目分別是470基、0基、0基、68基，就是說87.36%的桿塔防雷電反擊性能是相對比較好的，12.64%的桿塔防雷電反擊性能相對較差，雷電反擊閃絡(luò)風(fēng)險較高。雷電反擊風(fēng)險偏高的桿塔主要在前200基桿塔相對集中，比例接近90%，這些桿塔所在位置主要為山上，大跨越段是另外的10%雷電反擊風(fēng)險較高的原因。

圖4顯示的是整條線路不同繞擊等級下的桿塔數(shù)目，雷電繞擊級別為A、B、C、D塔數(shù)目分別是385基、27基、18基、108基，就是說76.58%的桿塔防雷電繞擊性能是相對比較好的，23.42%的桿塔防雷電繞擊性能相對較差，雷電繞擊閃絡(luò)風(fēng)險較高。雷電繞擊風(fēng)險偏高的桿塔主要在前200基桿塔相對集中，比例接近92%，這部分桿塔所在位置為山上，大跨越和桿塔比例較高是另外8%雷電繞擊風(fēng)險較高的原因。

圖5顯示的是整條線路不同雷擊等級下的桿塔數(shù)目，雷擊級別為A、B、C、D塔數(shù)目分別是384基、27基、18基、109基，就是說76.39%的桿塔防雷電反擊性能是相對比較好的，23.61%的桿塔防雷電繞擊性能相對較差，雷擊風(fēng)險較高。

圖3 反擊等級下的桿塔數(shù)目

圖4 繞擊等級下的桿塔數(shù)目

圖5 雷擊等級下的桿塔數(shù)目

3.4 結(jié)果分析

對于750kV輸電線路來說，通過以上的結(jié)果得知，輸電線路桿塔遭受雷電反擊跳閘率很低，跳閘率大于0.0500次/.百公里?年的桿塔不到10個，所以，因為雷電反擊而引750kV起線路跳閘可能性很小。

從評估結(jié)果可以看出，雷電繞擊率大于0.1000次/百公里?年的約有100基桿塔，并且有些桿塔反擊跳閘率較高的同時繞擊跳閘率同樣也高。由此可知750kV線路雷擊危害主要由繞擊造成的，在輸電線路防雷防過程中應(yīng)當(dāng)將繞擊放在第一位。

3.5 雷擊防護(hù)措施

新疆某750kV輸電線路評估結(jié)果中，易發(fā)繞擊線路走廊區(qū)域多在山區(qū)，其走廊的地形、地貌、氣候等影響繞擊率因素相當(dāng)復(fù)雜，位于山頂?shù)乃痛髾n距的塔十分多，所以，非常有必要對繞擊閃絡(luò)風(fēng)險高的塔采取防繞擊措施，措施如下，級別為C的塔可以裝上1支防繞擊避雷針，級別為D的塔可以裝上2支防繞擊避雷針。

在包含地形、氣候、塔結(jié)構(gòu)等多種因素的影響下，從評估中并結(jié)合實際線路的經(jīng)驗，不難看出依然存在少數(shù)塔的繞擊和反擊風(fēng)險等級均高的情況。與繞擊相比，雖然反擊不是線路跳閘的主導(dǎo)因素，為了達(dá)到較好的綜合防雷效果，對反擊風(fēng)險較高的線路采取防雷措施依然不可或缺。措施如下：將線路氧化鋅避雷器安裝在這樣的塔上，塔的反擊等級為C和D。

4 結(jié)束語

以新疆雷電監(jiān)測系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，根據(jù)750kV輸電線路具體概況，對其進(jìn)行雷擊風(fēng)險評估，并對結(jié)果進(jìn)行分析，得出新疆某750kV輸電線路防雷防過程中應(yīng)當(dāng)將繞擊放在第一位。對繞擊風(fēng)險較高的桿塔，提出安裝防繞擊避雷針的措施，兼顧雷電反擊，反擊風(fēng)險較高桿塔上安裝氧化鋅避雷器的措施。

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