基于改進跳閘率計算方法的輸電線路雷擊風險評估及防雷配置研究

馮瑞發(fā)，蔡漢生，廖民傳，屈 路，劉 剛，賈 磊，胡上茂，胡泰山

(南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510663)

0 引言

高壓輸電線路跨越距離遠，沿途經過復雜的地形地貌，氣候條件惡劣，雷電活動頻繁，線路經常發(fā)生雷擊跳閘，嚴重威脅電網安全運行[1-3]。為降低線路雷擊跳閘率，有必要采取一定的防雷措施來提升線路耐雷水平，由于輸電走廊雷電活動強度、地形地貌、桿塔結構及絕緣配置等情況的差異[4-5]，在線路設計階段，盲目對線路配置統(tǒng)一的防雷措施勢必造成技術經濟性較差，不符合電力系統(tǒng)安全經濟運行的目標[6]。因此，為針對性進行防雷配置，需充分利用線路走廊區(qū)段中的相關信息，基于合理準確的計算方法評估線路逐基桿塔的雷擊跳閘風險，確定桿塔雷擊風險等級，并按相關規(guī)程對風險較高的桿塔進行差異化防雷配置，提高系統(tǒng)防雷的技術經濟性。國內外不少學者開展了輸電線路雷擊風險評估相關研究[7-9]，文獻[7]聯(lián)合基于GEV分布的反擊閃絡時變概率模型和改進電氣幾何模型(electro-geometry model,EGM)，提出基于實測雷電流的輸電線路雷擊實時風險評估方法。文獻[8]基于改進電氣幾何模型，對在運的500 kV山區(qū)線路開展了雷擊風險評估及差異化防雷改造研究。文獻[9]提出基于三時次雷區(qū)信息的電網雷擊概率計算方法，實現(xiàn)了雷電故障的風險預警及雷擊跳閘概率的計算。

開展輸電線路雷擊風險評估的關鍵在于準確計算桿塔的雷擊跳閘率[10]。目前一般采用規(guī)程法來計算反擊跳閘率，采用電氣幾何模型來計算繞擊跳閘率，但在計算反擊跳閘率時，未考慮工頻電壓對絕緣子串建弧率的影響，計算繞擊跳閘率時，較少考慮導線間相互屏蔽效應及導線周圍樹木的影響。

為了對新建線路開展準確的雷擊風險評估，筆者提出一種可快速用于實際線路工程雷擊跳閘率計算的改進方法，該方法基于改進的規(guī)程法和電氣幾何模型，綜合考慮建弧率、實際雷電流幅值概率分布特性、雷電入射角、地面傾角、多導體相互屏蔽及線路周圍樹木等因素的影響，對廣州某500 kV新建線路逐基桿塔雷擊跳閘率進行了計算，并按最新印發(fā)的南網公司標準劃分了桿塔雷擊風險等級，進一步計算對比了不同防雷配置措施的防護效果。

1 雷擊跳閘率計算

1.1 基于改進規(guī)程法的反擊跳閘率計算

GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護與絕緣配合設計規(guī)范》[11]中推薦桿塔反擊跳閘率采用式(1)～(4)計算，目前一般通過EMTP仿真計算確定桿塔反擊耐雷水平，然后結合規(guī)程推薦的公式來計算反擊跳閘率。

Rf=ηNLgP(>Iminf)

(1)

(2)

η=(4.5E0.75-14)×10-2

(3)

(4)

式中，Rf為折算至40個雷暴日和百公里線路長度下的桿塔反擊跳閘率，次/(100 km·a)；η為絕緣子串建弧率；NL為線路落雷次數(shù)，次/(100 km·a)；g為擊桿率；P(>Imin,f)為雷電流幅值大于耐雷水平的概率，Imin,f為反擊耐雷水平，kA；Ng為地閃密度，次/(km2·a)；hT為桿塔高度，m；b為兩避雷線之間的距離，m；E為絕緣子串的平均運行電壓梯度有效值，kV/m；li為絕緣子串放電距離，m。

一般在計算絕緣子串建弧率η時，系統(tǒng)運行電壓取有效值，但由于運行電壓相角在0°～360°范圍內隨機變化，按有效值計算的建弧率和按運行電壓相角平均值計算的建弧率相差較大，直接影響反擊跳閘率的結果，以500 kV線路為例，絕緣子串放電距離取4.15m，按有效值計算時，建弧率為0.944；按0°～360°相角內每隔30°計算出的平均建弧率為0.753，相比有效值的計算結果小20.2%，可見不宜直接采用有效值計算，本研究按平均值計算建弧率。

其次，IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率分布公式原型[12]如下：

(5)

式中，I為某一給定的雷電流幅值，kA；a、b為待定參數(shù)，IEEE推薦a=31，b=2.6?？紤]到雷電流幅值分布的時空差異性，本文在進行實例計算時a、b根據(jù)待評估線路所在的廣州區(qū)域2008-2017年雷電定位系統(tǒng)實際監(jiān)測的雷電流幅值分布情況統(tǒng)計擬合得出。統(tǒng)計擬合方法如下：按雷電流幅值ΔIkA為間隔依次統(tǒng)計落在(0,ΔI]、(ΔI,2ΔI]、…、(Imax-ΔI,Imax]、(Imax,∞)區(qū)間內的地閃次數(shù)N0、N1、…、Nm-1、Nm，取Imax=600 kA、ΔI=2 kA，分別計算出I取0、ΔI、…、Imax-ΔI、Imax時P(>I)的值，得到一系列離散點(0,P(>0))、(ΔI,P(>ΔI))、…(Im-ΔI,P(>Im-ΔI))、(Im,P(>Im))，然后利用最小二乘優(yōu)化算法[12]對離散點進行曲線擬合，得出a、b值，經擬合得到a=27.25，b=3.67。

1.2 基于改進EGM的繞擊跳閘率計算

由H.R.Armstrong和E.R.Whitehead于1968年提出的經典電氣幾何模型[13]在分析線路繞擊耐雷性能時未考慮雷電入射角、地形地貌、多導體相互屏蔽及線路周圍樹木的影響，造成計算結果與實際有些不符，筆者采用改進電氣幾何模型進行分析，計算時充分考慮以上因素的影響，模型如圖1所示。

圖1 改進電氣幾何模型示意圖Fig.1 Improved EGM schematic diagram

采用電氣幾何模型進行繞擊計算的基礎是確定擊距，筆者采用式(6)～(8)[11]計算擊距。

rs(I)=10I0.65

(6)

rc(I)=1.63(5.015I0.578-0.001Uph)1.125

(7)

(8)

式中，rs(I)、rc(I)和rg(I)分別為雷電流I對地線、導線和大地的擊距，m；Uph為導線上工作電壓瞬時值，kV；hc,av為導線對地平均高度，m。

自然界中的雷電可能從不同方向繞擊導線，雷電先導入射角采用文獻[14]中的概率密度分布函數(shù)計算。先導入射角以垂直中性線為參考線，逆時針為正，順時針為負。

(9)

考慮傾角和雷電入射角后，可通過坐標旋轉轉化為水平地面及雷電垂直入射的情形計算[15]，設考慮傾角和雷電入射角時坐標系為xoy，對應點的坐標為(x,y)，逆時針旋轉θ后的坐標系為x′oy′，對應點的坐標為(x′,y′)，則有：

(10)

如圖1所示，考慮多導體間的屏蔽效應時，A相導線被避雷線和B相導線屏蔽，B相導線被A、C相導線屏蔽，C相導線被B相導線和大地屏蔽。這樣可利用屏蔽后的導線暴露弧對應投影長度來計算繞擊率(shielding failure rate,SFR)，設某一雷電流為I，則第k相導線的繞擊率為

(11)

式中，χkSFR(I)為雷電流為I時第k相導體的繞擊率；Dk[rc(I),φ]、Ds[rs(I),φ]分別為雷電流I時入射角為φ下第k相導線暴露弧投影長度和地線屏蔽弧投影長度。

進一步得到第k相導體的繞擊閃絡率(shielding failure flashover rate,SFFOR)為

(12)

式中，Ikmin、Ikmax分別為第k相導線的繞擊耐雷水平和最大繞擊雷電流，kA；最大繞擊雷電流可通過電氣幾何模型求解獲得。

實際在考核線路的雷擊跳閘率時，一般指單回線路折算至每百公里每年的雷擊跳閘率，對于同塔多回線，單基桿塔單回路的總繞擊跳閘率RSFFOR為

(13)

超/特高壓輸電線路一般輸電距離較遠，經常跨越高山森林覆蓋區(qū)，由于導線與樹木之間的距離需滿足一定要求，在設計桿塔高度時通常考慮了樹木高度的影響。樹木的存在相當于提升了地面高度，增大了大地對雷電的屏蔽效應[16-17]，但經典電氣幾何模型在計算繞擊跳閘率時并未考慮這點，因此本文在分析時考慮導線下方樹木的影響，并根據(jù)桿塔高度的不同，結合google earth三維地形圖，設置樹木高度在0 m～15 m之間變化，樹木距離導線的距離取30 m，考慮樹木影響后的桿塔繞擊跳閘率按下式進行計算：

(14)

確定單基桿塔的反擊、繞擊跳閘率后，單回路第i基桿塔的雷擊跳閘率Ri可用式(15)計算：

(15)

2 輸電線路差異化防雷配置流程

2.1 雷擊風險評估

對于新建線路，開展線路差異化防雷配置的前提是基于桿塔雷擊跳閘率，根據(jù)雷擊風險等級劃分標準確定桿塔的雷擊風險等級。南網公司最新印發(fā)的標準中規(guī)定的500 kV線路I～IV級雷擊風險等級劃分指標如下表1所示。

表1 輸電線路雷擊風險等級劃分指標Table 1 Lightning strike risk level classification index of transmission line

表1中的桿塔雷擊跳閘率指桿塔及水平檔距范圍內的跳閘率，線路雷擊跳閘率指全線平均雷擊跳閘率，可按式(16)進行計算，雷擊跳閘率均為折算至年40個雷暴日和百公里長度下的值，次/100 km·a。

(16)

式中，R為全線的平均雷擊跳閘率，M為桿塔基數(shù)，Li為第i基桿塔水平檔距，km;L為全線路徑長度，km。

2.2 差異化防雷配置

確定桿塔雷擊風險等級后，可對雷擊風險較高的桿塔進行針對性防雷措施配置，直到桿塔和線路的雷擊跳閘風險降低到II級及以下的水平，具體流程如圖2所示，圖中Rri表示桿塔繞擊跳閘率，Rfi表示桿塔反擊跳閘率，krf為桿塔繞擊、反擊跳閘率的比值，對于III、IV級雷擊風險的桿塔，可根據(jù)krf的大小，確定桿塔的雷擊防護類型。

圖2 輸電線路差異化防雷配置流程Fig.2 Lightning protection measures configuration process of transmission line

2.3 防雷措施選取

目前線路雷擊防護的常見措施[19]包括減小地線保護角、降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器、加強線路絕緣及架設耦合地線等方式。其中減小地線保護角用于線路繞擊防護，一般結合設計標準來執(zhí)行；架設耦合地線通過增加導地線間的電磁耦合來降低雷電過電壓，并分流雷電流，抑制塔頂電位升的方式進行反擊防護；降低桿塔接地電阻可提升桿塔反擊耐雷性能；安裝線路避雷器及加強線路絕緣兩種防護措施均可用于桿塔的繞擊和反擊防護中，安裝避雷器是一種堵塞式的防雷方法，加強線路絕緣一般通過增加1～2片絕緣子，且塔頭尺寸間隙、構件受力等應滿足標準要求，實際采用何種防護措施需根據(jù)防雷計算結果，對比不同措施的技術經濟性確定。

3 防雷評估實例

廣州某500 kV線路新建同塔雙回工程(簡稱GS線)全長4.4 km，桿塔數(shù)量15基，位于山區(qū)的桿塔11基，導線型號4×ACSR-720/50，地線一根為OPGW，型號為OPGW-16B1-145，另一根普通地線型號為LBGJ-120-40AC，典型桿塔型號為5G2W5-JDG。線路從小號側向大號側看過去的相序左側1回依次為C(上)B(中)A(下)，右側2回依次為A(上)B(中)C(下)，線路絕緣子耐張串采用28片U160BMP型玻璃絕緣子，干弧距離4 340 mm，跳線串采用FXBW4-500/100型復合絕緣子，干弧距離4 150 mm，懸垂串雙聯(lián)采用FXBW4-500/240型復合絕緣子，干弧距離4 300 mm，全線除2條避雷線外，無其他防雷措施。

3.1 GS線雷擊風險評估結果

采用上述改進的規(guī)程法和電氣幾何模型，利用編制的VC++程序計算GS線逐基桿塔的雷擊跳閘率，分析時分別對左右兩側的1、2回線路進行討論，計算結果如圖3所示，圖4為桿塔的雷擊風險評估結果。由評估結果可知GS線左側1回線路I、II、III及IV級的桿塔數(shù)量分別占53.3%、20.0%、20.0%及6.7%，右側2回線路I、II、III及IV級的桿塔數(shù)量分別占46.7%、33.3%、13.3%及6.7%，左側1回線有4基桿塔需進行防雷配置，右側2回線有3基桿塔需進行防雷配置。按照式(16)可計算得到左側1回線的平均雷擊跳閘率為0.184 1次/100 km·a；右側2回線路的平均雷擊跳閘率為0.180 9次/100 km·a，左右兩側線路均屬于雷擊II級風險。

圖3 桿塔雷擊跳閘率計算結果Fig.3 Lightning strike trip rate results of tower

圖4 桿塔雷擊風險評估結果Fig.4 Lightning strike risk assessment results of tower

3.2 GS線差異化防雷配置

在配置III級及以上風險等級桿塔防雷措施前，需明確其繞、反擊防護類型。現(xiàn)計算1、2回線中雷擊風險達到III級及以上桿塔的繞、反擊跳閘率比值krf，結果如表2所示。

表2 III級風險及以上桿塔繞、反擊跳閘率比值Table 2 Lightning trip rate ratio of level III/IV risk

從表2中可以看到，左側1回線路和右側2回線路雷擊風險在III級及以上的桿塔繞、反擊跳閘率比值krf>1.2，說明均需進行繞擊防護。結合前面的分析，繞擊防護可采用安裝線路避雷器或加強線路絕緣水平的措施，現(xiàn)分別采用這兩種方式對表中高風險桿塔配置防雷措施，并對比不同方式的防護效果。其中，避雷器安裝在跳閘率較高的相上，安裝方式為3號塔(1A2C)、4號塔(1B2B)、12號塔(1B)及13號塔(1B2B)，(1A2C表示左側1回線路的A相和右側2回線路的C相安裝線路避雷器，下同)；加強絕緣水平時，對于3號和12號耐張塔，將跳線串的干弧距離由4 150 mm提高到4 300 mm，對于4號和13號直線塔，將懸垂雙聯(lián)串的干弧距離由4 300 mm提高到4 650 mm。分別計算得到GS線配置兩種防雷措施后的雷擊跳閘率及風險評估結果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，配置防雷措施后的桿塔雷擊跳閘率均有不同程度的下降，安裝避雷器后，左側1回線路的平均雷擊跳閘率降低為0.098 1次/100 km·a，右側2回線路的平均雷擊跳閘率降低為0.109 4次/100 km·a，分別較配置前降低46.7%和39.5%，線路雷擊風險降到I級，左右兩側1、2回線路均無III、IV級雷擊風險的桿塔，防護效果達到了標準要求；而加強絕緣水平后，左側1回線路的平均雷擊跳閘率降低為0.164 2次/100 km·a，右側2回線路的平均雷擊跳閘率降低為0.161 4次/100 km·a，分別較配置前降低10.8%和10.8%，線路雷擊風險仍然為II級，左右兩側1、2回線路仍各有2基III級雷擊風險的桿塔?？梢钥吹桨惭b避雷器的防護效果顯著優(yōu)于加強絕緣水平的方式。從投入成本來看，雖然安裝避雷器的花費略高于加強絕緣水平的方式，但其技術經濟性更優(yōu)，且加強絕緣水平方式可實施的前提是塔頭空氣間隙距離、桿塔構件應力等關鍵指標滿足要求。因此，實際在進行新建線路桿塔繞擊防護配置時，建議采用安裝避雷器的方式。

圖5 不同配置措施下的桿塔雷擊跳閘率Fig.5 Lightning strike trip rate of tower under different configuration measures

圖6 防雷配置后桿塔雷擊風險評估結果Fig.6 Lightning strike risk assessment results of tower under different configuration measures

4 結 論

1)針對傳統(tǒng)規(guī)程法和電氣幾何模型存在的不足，提出了考慮絕緣子串建弧率、實際雷電流幅值概率分布、地面傾角、雷電入射角、導線間屏蔽效應及導線周圍樹木高度等綜合因素影響的雷擊跳閘率計算模型，進一步提高了線路雷擊風險評估的準確性，為開展新建線路防雷配置提供了理論科學依據(jù)。

2)提出了新建輸電線路雷擊風險評估方法及防雷配置流程，開展了廣州某500 kV線路新建線路工程逐塔雷擊風險評估計算，配置防雷措施后桿塔雷擊跳閘率得到有效下降，表明本文防雷評估配置方法的合理性，該方法也適用在運線路防雷改造。

3)從繞擊防護效果來看，安裝線路避雷器可將桿塔的雷擊跳閘風險降到安全范圍內，而加強線路絕緣水平僅能在一定程度上降低桿塔的雷擊跳閘風險，其技術經濟性較避雷器差，適用于繞擊跳閘風險不高的桿塔的防護。