基于VB的輸電線路耐雷水平與雷擊跳閘率的計算與分析

李恩佳

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

輸電線路是傳輸電能的“高速公路”，我國目前輸電距離最長的±800kV高壓直流輸電線路工程酒湖線全長2383km，輸電線路穿梭于崇山峻嶺之間，線路運行海拔最高超過1900m，線路所經過的地區(qū)地理環(huán)境多變，氣候條件復雜，輸電線路極易遭受到雷電侵襲。與此同時，雷電產生的強大電流會沿輸電線路侵入到系統(tǒng)變電所和重要的用電負荷部門，對人員和電氣設備產生巨大的威脅。因此，對線路的防雷保護應該予以十分充分的重視。

1 耐雷水平和雷擊跳閘率

雷擊線路時，其絕緣尚不至于發(fā)生閃絡的最大電流幅值或能引起絕緣閃絡的最小雷電流幅值(kA)。當耐雷水平高于雷電流擊于線路時是不會發(fā)生閃絡現(xiàn)象的；而當耐雷水平低于雷電流擊于線路時就會發(fā)生閃絡現(xiàn)象的。

每百公里線路、40雷電日，由于雷擊引起的開斷數(shù)(重合成功也算一次)，稱為該線路的雷擊跳閘率。

1.1 耐雷水平的計算及耐雷水平的比較結果

1.1.1 雷擊桿塔塔頂時的耐雷水平的計算

計算公式如下：

I=U/[(1-k)b(R+L/2.6)+(1-k)h/2.6]

(1)

式中，b—設計通常長度檔距的線路桿塔所取的分流系數(shù)值，見表1；U—絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓；L—單位桿塔電感；R—桿塔接地電阻；k—電暈下的耦合系數(shù)。

表1 分流系數(shù)表

在線路的設計過程中，設計人員通常會降低桿塔接地電阻R，以及提高耦合系數(shù)k這兩種方法提高輸電線路的耐雷水平。

1.1.2 雷擊避雷線檔距中央時

假如雷擊避雷線檔距中央時，雷擊點的阻抗為z/2，雷電流為Iz=iL/(1+zb/2z0)。計算收到雷擊位置的電壓為uA=iz×zb/2=iLz0zb/(2z0+zb)，電壓波uA從遭受雷擊的位置沿著避雷線向最近的桿塔運動，在經過L/2vb時間(L為兩桿塔之間的距離，vb為雷電流在避雷線中傳播的速度)后到達最近的桿塔；又由于桿塔接地，將會產生相反的反射波回到雷擊的位置，再次經過L/2vb時間，假如雷電流還未達幅值2×(L/2vb)，則雷擊點的電位自負反射波到達之時開始下降，故雷擊點的最高電位將出現(xiàn)在t=2×(L/2/vb)時刻。

雷電流假如是斜角波iL=at，雷擊點電位為：

UA=a×(/vb)×[(z0×zb)/(2z0+zb)]

(2)

考慮到避雷線和導線產生的耦合作用，會產生耦合電壓KuA，所以避雷線遭受雷擊的位置，與導線間的空氣間隙s上所承受的最大電壓Us=UA(1-k)，由此可以推斷，空氣間隙s上的電壓的高與低，與耦合系數(shù)k，雷電流陡度a以及檔距長度L是相關聯(lián)的。故當電壓超過空氣間隙s的放電電壓時，空氣間隙會被過電壓擊穿而發(fā)生短路事故。

1.1.3 繞擊時的過電壓和耐雷水平

當輸電線路裝有避雷線時，雷電也有可能繞過避雷線而擊中線路。在這樣的情況下，線路上的絕緣子串會發(fā)生閃絡。

電氣幾何模型的特征參數(shù)如圖1所示。

圖1 電氣幾何模型的特征參數(shù)圖

臨界擊距rsc：是線路能承受繞擊雷能力的擊距。當臨界擊距rsc大于擊距時，是不會發(fā)生絕緣子串的閃絡。繞擊耐雷水平計算式:

IFO=2×(CFO)/Z

(3)

式中，CFO—線路發(fā)生臨界閃絡電壓值，Uso%，kV；Z—線路導線阻抗，Ω。

最大擊距rsmax：這是由桿塔幾何尺寸及地形決定的一個擊距。當rsmax小于擊距時，不會發(fā)生繞擊相導線。計算rsmax的公式如下：

(4)

暴露弧線和屏蔽弧線：一個擊距為r的先導頭到達弧線ab的位置時，先導將對導線閃絡；當先導頭到達弧線be時，將對屏蔽線產生閃絡；當先導頭到達弧線ad時，將對地面閃絡。故稱弧線be為屏蔽弧線，把弧線ab叫做暴露弧線。

臨界保護角θsc：指的是桿塔的外形尺寸與絕緣性能達到所要求的水平時，rsmax≤rsc暴露弧線降為零，繞擊跳閘將不會發(fā)生。

當rsmax=rsc時，θsc=θg+arcsin(1-y/rsc)-arcsinC/2，

式中，θsc即稱臨界保護角，通常是把線路設計的保護角與臨界保護角，作對比性的分析，從而做出相應的結論。

通過仿真計算與分析，以110kV及220kV各3種不同外形尺寸的桿塔模型，得出輸電線路耐雷水平與雷擊跳閘率是計算結果為：

110kV輸電線路，單回線路，具有雙避雷線，其耐雷水平高于只有單避雷線的線路，高39.7%～48.3%；同樣具有雙避雷線的輸電線路，雙回線路的耐雷水平要低于單回線路，低13.4%～11.6%；220kV輸電線路，杯型塔的耐雷水平均高于鋼筋混凝土單桿和雙回塔，分別高21.8%～16.6%和13.5%～8.4%。

1.2 雷擊跳閘率的計算

一條線路的雷擊跳閘次數(shù)與線路長度、雷電日的多少、以及防雷措施的好壞有關，為了分析比較二條線路防雷措施的好壞，故引入了雷擊跳閘率的概念。

在雷電過電壓的情況下，線路絕緣發(fā)生閃絡，然后從沖擊閃絡轉化為穩(wěn)定的工頻電弧，引起線路跳閘。

具體的計算如下(討論的都是有避雷線的線路)。

1.2.1 雷擊桿塔時的跳閘率

每百公里線路、40雷電日，落雷次數(shù)為N=0.28(b+4hb)次，其中hb為避雷線對地平均高度。假設擊中桿塔的概率為n，則每百公里線路每年雷擊桿塔次數(shù)為0.28(b+4hb)n次；，假設I1和P1分別為：雷擊桿塔時的耐雷水、雷電流幅值超過I1的概率，r為建弧率，則百公里線路每年雷擊桿塔的跳閘次數(shù)n1=0.28(b+4hb)n×r×P1。

建弧率以η表示，可按下式計算：

η=4.5E0.75-14(%)

(5)

對于中性點直接接地系統(tǒng)有：

(6)

對于中性點非直接接地系統(tǒng)有：

E=U/2l

(7)

式中，E—絕緣子串的平均運行電壓梯度。

其中擊桿率按地形的不同可以有不同的取值，具體見表2。

表2 擊桿率表

1.2.2 繞擊跳閘率

設繞擊率為Pa，百公里線路每年繞擊次數(shù)為0.28(b+4hb)Pa，假設I2和P2分別為：繞擊時的耐雷水平雷電流幅值超過I2的概率，則每百公里線路每年的繞擊跳閘次數(shù)為：

n2=0.28(b+4hb)r×Pa×P2

(8)

1.2.3 線路雷擊跳閘率

當避雷線和導線的空氣間隙距離s，在檔距的中央處時，滿足式s=0.012L+1，則雷擊避雷線檔距中央一般不會發(fā)生擊穿事故，故其跳閘率可視為0。因此，線路雷擊跳閘率：

n=n1+n2=0.28(b+4hb)r(gP1+PaP2)

(9)

經過計算結果比較，得出以下的結論：

110kV單回輸電線路，為門型鋼筋混凝土雙桿塔，雷擊跳閘率山區(qū)比平原高66.7%；220kV單回輸電線路，杯形鐵塔，雷擊跳閘率山區(qū)比平原高73.2%。

2 基于VB程序計算耐雷水平和雷擊跳閘率

各電壓等級下參數(shù)的取值見表3。

表3 各電壓等級參數(shù)表

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時，擊桿率為1/4時，程序運行的結果見表4。

表4 運算結果1

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時，擊桿率為1/3時，程序運行的結果見表5。

表5 運算結果2

桿塔的沖擊接地電阻為7Ω時，擊桿率為1/6時，程序運行的結果見表6。

表6 運算結果3

通過上面的表格中的數(shù)據可以看出，耐雷水平隨輸電線路電壓等級的升高而增加；線路總的雷擊跳閘率隨著桿塔接地沖擊電阻的增大相應增大。同一電壓等級下，雷擊桿塔時的雷擊跳閘率隨著擊桿率的增大而相應增大，線路總跳閘率也相應的增加。另外，研究發(fā)現(xiàn)桿塔的沖擊接地電阻的增大，同一電壓等級下，線路雷擊跳閘率相應增加。

3 結語

耐雷水平越高，線路的耐雷性能好，雷擊跳閘率越小，線路的耐雷性能相對也較好。通過研究桿塔沖擊接地電阻與跳閘率的關系表明，隨著桿塔沖擊接地電阻的增大，跳閘率也響應的增大；輸電線路電壓等級越高，耐雷水平也相應地增大。圍繞耐雷水平和雷擊跳閘率兩項指標的仿真計算，將直接影響對輸電線路的設計方案，從而在設計過程中提供極其重要的設計依據和意義。在眾多的仿真計算中往往都忽略了輸電線路運行中工頻電壓的影響，工頻電壓的影響在仿真計算中會給計算結果帶來誤差，越是電壓等級高的線路誤差越大，這是在未來的研究中亟待進一步解決的問題。