高壓直流單回輸電線路耐雷性能研究

王恒康1，王佳燦1，高洛宜，何發(fā)璽

(1.云南電網有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；2.云南宇恬防雷材料有限公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

近年來，中國大力發(fā)展直流輸電線路，其中高壓直流輸電線路比例顯著增加，線路的雷擊事故也隨著增加[1-2]。雷擊線路不僅會影響電網的穩(wěn)定運行，也會給人民的財產和生命帶來危害，因此對高壓直流輸電線路的耐雷性能進行分析，并提出合理的耐雷措施具有重要的研究價值[3]。

輸電線路耐雷性能的研究方法經歷了幾個重要階段，從最開始的以考慮感應雷為主[4]，到運用行波理論來計算絕緣子串電壓分布[5]，再到采用模擬實驗、理論分析和現(xiàn)場測試等技術開展線路初步耐雷性能分析[6-7]，以及到現(xiàn)在的利用模擬試驗、現(xiàn)場實測、概率統(tǒng)計、計算機模擬計算等方法綜合分析計算線路耐雷性能等多個階段[8-9]。通過線路運行多年的總結經驗以及相關學者的理論分析結果可以得出：500 kV及以上的輸電線路由于自身絕緣強度設計裕度比較大，跳閘率中繞擊占比較大；而針對占比較大的110 kV和220 kV高壓輸電線路，由于絕緣強度裕度相對比較小，雷擊跳閘以反擊為主[1-2，7，9]。

針對線路反擊和繞擊有多種分析方法，但每種方法都有其對應的適用條件，因此對線路耐雷水平進行研究時需要考慮具體的現(xiàn)場運行環(huán)境，建立合適的反擊和繞擊模型[12-13]。針對跳閘率高的線路，需在耐雷性能水平理論研究的基礎上提出了多種措施，但此類方法的效果也是參差不齊[14，16]。

下面建立了較為精確的桿塔反擊和繞擊閃絡模型，并依據(jù)此模型分析了兩種桿塔線路的雷擊跳閘率，最后定量研究了避雷器對線路跳閘率的影響。

1 線路的耐雷性能分析模型

1.1 線路反擊閃絡模型

利用EMTP軟件建立基于行波法的反擊閃絡模型，并采用2.5/50 μs的標準雷電波。為了模擬的準確性，將高壓直流輸電線路塔身分為多段，并在程序中設置隨頻率變化的線路阻抗，如圖1所示。閃絡判斷依據(jù)以絕緣子的U50%值來判定，并考慮桿塔接地裝置的沖擊阻抗和雷電感應電壓的計算。

采用基于行波法的EMTP程序來計算輸電線路反擊耐雷水平IFOC，結合對線路走廊雷電參數(shù)的統(tǒng)計結果，根據(jù)規(guī)程推薦的方法計算反擊跳閘率nSF為

nSF=NLηg[P(I>IFOC)]

(1)

式中：NL為百公里長度的落雷總次數(shù)；η為建弧率；g為擊桿率，按照規(guī)程規(guī)定取值；P(I>IFOC)為大于IFOC的雷電流概率密度函數(shù)。

圖1 線路桿塔及其等效模型

1.2 線路繞擊閃絡模型

在之前研究模型中，很少有考慮先導入射角度和桿塔在地面的傾角等因素對繞擊的影響，這里同時考慮這兩種情況的共同作用，示意如圖2所示。

圖2 高壓直流線路繞擊耐雷性能分析模型

在文獻[17]和文獻[18]對繞擊閃絡分析的基礎上，考慮先導入射角ψ和地面傾角等因素的影響，得出發(fā)生繞擊閃絡的概率。

導線C1的繞擊閃絡概率為

(2)

導線C2的繞擊閃絡概率為

(3)

線路的總繞擊閃絡概率為

SFFORC=SFFORC1+SFFORC2

(4)

式中：Ng為地閃密度；Imin為最小的繞擊發(fā)生電流；Ic為繞擊的臨界雷電流；I為繞擊閃絡時的最大電流；L為垂直于雷電入射方向的導線的暴露投影距離；

p(ψ)為先導入射角ψ的概率密度分布函數(shù)；P(I)為I的概率密度函數(shù)；IC1max和IC2max為兩導線繞擊的最大雷電流；φ1和φ2為導線C1的先導入射方向的最小和最大角度；φ3和φ4為導線C2的先導入射方向的最小和最大角度。

根據(jù)規(guī)程法可以計算出線路的繞擊跳閘率為

nFFOR=NLηSFFORC

(5)

故總的線路跳閘率為

n=nSF+nFFOR

(6)

2 線路雷擊跳閘率分析

2.1 高壓直流單回輸電線路參數(shù)

搭建±500 kV單回線路模型，相關參數(shù)見表1。

2.2 桿塔線路的雷擊跳閘率

1)桿塔線路的反擊跳閘率

針對負極性的雷電，正極導線更容易發(fā)生反擊。

表1 ±500 kV單回線路相關參數(shù)

因此這里主要計算雷擊正極性線路的情況，計算結果如表2所示。雷暴日和地閃密度對跳閘率有直接的影響，反擊跳閘率與雷暴日和地閃密度的乘積成正比；反擊跳閘率與桿塔接地電阻正相關。

2)桿塔線路的繞擊跳閘率

依據(jù)第1.2節(jié)相關理論，計算線路的繞擊跳閘率，由表3可知，桿塔的傾斜角與繞擊跳閘率正相關，傾斜角越大意味著暴露弧的面積越大，繞擊負極性線路時的跳閘率為0。

3)桿塔線路的雷擊總跳閘率

由表2至表5的計算結果可知，反擊跳閘率隨接地電阻的增大而增大，繞擊跳閘率隨地面傾角的增大非線性增大。線路跳閘率隨地閃密度增加線性增大。500 kV線路工作電壓的極性對跳閘率也有明顯影響，負極性雷電反擊正極性線路時線路反擊耐雷水平更低，跳閘率更高；負極性雷電繞擊正極性線路時線路繞擊耐雷水平高于負極性，但正極性導線對雷電先導的擊距明顯大于負極性導線：因此正極性導線繞擊跳閘率更高，負極性較小。

表2 桿塔反擊跳閘率(正極性線路)

表3 桿塔繞擊跳閘率(正極性線路)

表4 桿塔繞擊跳閘率(負極性線路)

表5 桿塔總跳閘率(正極性線路)

3 避雷器對線路耐雷性能影響分析

加裝線路型避雷器是防止雷擊線路跳閘的最有效措施之一。但一般而言加裝避雷器只能對所加裝相有較好的保護作用，對其他相鄰桿塔和本桿塔其他未加裝相影響很小。線路型避雷器一般只裝設在某些雷擊跳閘率嚴重偏高的桿塔上，例如山區(qū)地面傾角過大處、桿塔接地電阻過高處、轉角塔、保護角過大或特高桿塔等處。依據(jù)前述計算結果，正極性導線跳閘率更高，因此分析中主要針對正極性線路加裝避雷器的情況。依據(jù)上述分析，將單回輸電桿塔的正極導線加裝避雷器，參數(shù)見表6。

表6 單回線路加裝線路避雷器

圖3 避雷器伏安特性曲線

3.1 單回線路反擊耐雷水平

表7為避雷器對反擊跳閘效果的影響(正極性線路)。

由表7的計算結果可知，加裝避雷器后，反擊耐雷水平增加了32.5%。雷電反擊的耐雷水平均大于400 kA，高于400 kA的雷電概率幾乎為0。

3.2 單回線路繞擊耐雷水平

表8為加裝避雷器前后線路繞擊耐雷水平的比較(繞擊正極性線路)。

表7 避雷器對反擊跳閘效果的影響(正極性線路)

由表8的計算結果可知，加裝避雷器后，該桿塔的繞擊耐雷水平大幅度提高，繞擊耐雷水平提高了162.3%。

表8 加裝避雷器前后線路繞擊耐雷水平的比較(繞擊正極性線路)

4 結 語

1)搭建了以桿塔波阻抗為基礎的反擊閃絡模型以及考慮地面傾角和接地電阻作用的繞擊閃絡模型，提高了模型計算的準確性。

2)依據(jù)具體運行桿塔模型，研究了雷暴日、地閃密度和接地電阻對反擊跳閘率的影響規(guī)律，同時也分析了雷暴日、地閃密度和傾角對繞擊跳閘率的影響規(guī)律。

3)線路設置避雷器后，線路的反擊和繞擊耐雷程度各增加了32.5%和162.3%，線路總跳閘率明顯下降。