山區(qū)35kV架空線路雷擊特性仿真分析

張文鋒 李志偉 張國(guó)建 林 敢

山區(qū)35kV架空線路雷擊特性仿真分析

張文鋒1李志偉1張國(guó)建1林 敢2, 3

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671000；2. 湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002；3. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

本文分析大理山區(qū)架空線路典型地形特點(diǎn)，基于雷電定位系統(tǒng)采集的線路雷電活動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算山脊、山坡、山谷及平原等典型地形條件下線路的耐雷水平及直擊雷和感應(yīng)雷跳閘率，獲得山區(qū)地形下架空線路雷擊跳閘率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：不同地形條件下架空線路的雷擊跳閘率差異較大，位于山脊的線路直擊雷跳閘率較大，其隨兩側(cè)的坡度減小而變??；而位于山谷的線路，感應(yīng)雷跳閘率較大，其隨著坡度的增加而增大；山區(qū)線路的雷擊跳閘率相比平原地區(qū)高64%左右。

架空線路；山區(qū)；地形；雷擊跳閘率；感應(yīng)雷過(guò)電壓

0 引言

35kV架空線路作為中壓輸配電線路中的主體，具有覆蓋區(qū)域廣、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，我國(guó)相關(guān)規(guī)程僅對(duì)35kV線路進(jìn)線段作了架設(shè)避雷線的要求[1]，導(dǎo)致其整體防雷能力較差，容易受到雷電侵害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，架空線路的雷害事故大概占整個(gè)電力系統(tǒng)全部雷害事故的70%～80%[2-3]。特別是位于山區(qū)的架空線路，由于山區(qū)地形地貌及氣候環(huán)境的影響，土壤電阻率偏高，雷電活動(dòng)更為活躍，雷擊導(dǎo)致的線路跳閘風(fēng)險(xiǎn)更高[4]。因此，研究山區(qū)地形對(duì)架空線路雷擊特性的影響具有重要的實(shí)際意義。

目前，針對(duì)山區(qū)地形對(duì)輸電線路屏蔽特性的影響開展了較多研究。文獻(xiàn)[5]分析不同地形對(duì)輸電線路雷電防御性能的影響，發(fā)現(xiàn)地形條件使線路在高度增加或暴露區(qū)域擴(kuò)大時(shí)遭受雷擊的概率更高。文獻(xiàn)[6]基于電氣幾何法提出輸電線路錯(cuò)層塔上坡位上相導(dǎo)線雷擊繞擊率計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果表明，錯(cuò)層塔上坡位上相面臨較大雷擊風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[7]分析不同地面傾斜角度下桿塔高度、風(fēng)速和保護(hù)角等對(duì)±800kV線路雷電屏蔽性能的影響。文獻(xiàn)[8]提出一種適用于山區(qū)地形的輸電線路雷擊概率計(jì)算模型，分析山頂?shù)匦螌?duì)雷電先導(dǎo)的吸引作用。文獻(xiàn)[9]分析微地形與雷電活動(dòng)、雷擊故障的相關(guān)性。文獻(xiàn)[10]分析線路走廊地形條件對(duì)其雷害風(fēng)險(xiǎn)的影響，指出隨著線路走廊所在坡面的角度變大，線路發(fā)生雷擊故障的概率會(huì)上升?？梢姡匦螌?duì)線路的雷擊特性影響較大，但現(xiàn)有研究主要以輸電線路為主，針對(duì)山區(qū)不同地形條件下架空線路的雷擊特性尚缺乏系統(tǒng)研究。

本文對(duì)大理山區(qū)線路的典型地形進(jìn)行分析，建立考慮地形的改進(jìn)電氣幾何模型，并利用ATP- EMTP搭建山區(qū)35kV架空線路雷擊過(guò)電壓計(jì)算模型，計(jì)算山脊、山坡、山谷及平原等典型地形下線路的直擊雷和感應(yīng)雷跳閘率，獲得山區(qū)地形下架空線路雷擊跳閘率的變化規(guī)律，為山區(qū)架空線路的雷電防護(hù)提供參考。

1 大理山區(qū)架空線路雷擊數(shù)據(jù)分析

1.1 大理35kV架空線路運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)資料顯示，大理35kV架空線路2019年因雷擊引起的跳閘事故為47次，占總跳閘數(shù)的92%，其中重合閘成功28次，成功率為59%；2020年由雷擊引起的跳閘次數(shù)為27次，占總跳閘次數(shù)的90%，雷擊跳閘次數(shù)同比下降42.55%，其中重合閘成功次數(shù)為17次，成功率為63%，同比上升4%，故障統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 大理35kV架空線路雷擊故障統(tǒng)計(jì)

對(duì)比分析可知，2020年大理35kV架空線路運(yùn)行狀況有所改善，但雷擊故障仍是影響線路正常運(yùn)行的最主要因素，且以感應(yīng)雷引起的跳閘為主。

1.2 大理山區(qū)架空線路走廊地形分析

大理地區(qū)架空線路走廊地形主要分為平地與山區(qū)兩種，其中山區(qū)又包含山地與丘陵[11]，由于不同的走廊地形對(duì)線路的影響較大，需要對(duì)山區(qū)地形下的架空線路走廊進(jìn)行更為細(xì)致的區(qū)分。以大理山區(qū)35kV漾富線為例，該線路共有桿塔105基，全長(zhǎng)30.646km，走廊地形包含山坡、山脊、山谷、平原等，線路整體走向如圖2所示。

考慮到山區(qū)地形的差異主要因坡面之間的組合，以及導(dǎo)線與山坡所在平面的關(guān)系不同而產(chǎn)生，以下列出常見的架空線路沿線地形：①導(dǎo)線水平方向平行于坡面，其根據(jù)桿塔位置的不同又有三種不同情況，即桿塔位于山頂、山坡和山谷；②導(dǎo)線垂直方向平行于坡面，根據(jù)坡面的不同組合有爬坡與跨谷兩種情況。具體不同地形如圖3所示。

對(duì)于架空線路來(lái)說(shuō)，地形地貌的影響主要包括：①影響線路雷電屏蔽性能，從而直接影響雷擊跳閘率；②山區(qū)土壤電阻率與平原差異較大，山區(qū)土壤一般為巖石、碎石或片石等地質(zhì)，造成土壤電阻率偏高；③山區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)度相比平原更大，導(dǎo)致雷暴日和地閃密度等參數(shù)高于平原地區(qū)。因此，有必要對(duì)山區(qū)架空線路的雷擊特性開展相關(guān)研究。

2 考慮地形的架空線路雷擊過(guò)電壓計(jì)算模型

2.1 考慮地形的改進(jìn)電氣幾何模型

電氣幾何模型如圖4所示。傳統(tǒng)的經(jīng)典電氣幾何模型沒(méi)有考慮地面傾角對(duì)擊距的影響，而對(duì)山區(qū)架空線路來(lái)說(shuō)，地形因素的影響十分顯著，下面對(duì)不帶避雷線的電氣幾何模型進(jìn)行分析[12]。

如圖4（a）所示：在經(jīng)典電氣幾何模型上加入地面傾角，假設(shè)線路平行于山坡坡面架設(shè)，桿塔垂直于水平面，導(dǎo)線位于點(diǎn)，高為；s和g分別為雷電對(duì)導(dǎo)線和大地的擊距，且g=s，為擊距系數(shù)，本文取0.9；為以為圓心，s為半徑的圓弧，平行于坡面，與坡面的垂直高度為g。考慮雷電流的大小對(duì)擊距的影響，引雷寬度需分以下兩種情況討論：

1）當(dāng)點(diǎn)的水平高度小于或等于點(diǎn)，如圖4（a）中點(diǎn)時(shí)，得到引雷寬度=s。

圖2 大理35kV漾富線整體走向

圖3 大理山區(qū)架空線路典型地形

2）當(dāng)點(diǎn)的水平高度高于點(diǎn)時(shí)，如圖4（a）中點(diǎn)，坐標(biāo)為（,），引雷距離為s在水平面上的投影，此時(shí)引雷寬度=。

對(duì)于裝設(shè)避雷線的線路，需額外考慮避雷線與大地之間傾角的關(guān)系，如圖4（b）所示：為線路橫擔(dān)寬度，為避雷線保護(hù)角，1、2分別為、與水平面之間的角度；為避雷線保護(hù)弧，為繞擊弧，其在水平面上的投影與分別為反擊與繞擊引雷寬度，對(duì)于超過(guò)之外的部分，即感應(yīng)雷引雷寬度。與未安裝避雷線的情況類似，雷電流幅值將影響大地與線路的雷電擊距，因此對(duì)于線路的引雷寬度需要分以下四種情況討論：

圖4 電氣幾何模型

1）當(dāng)雷電流足夠小時(shí)，不考慮大地對(duì)線路的保護(hù)，反擊引雷寬度=s，繞擊引雷寬度=/2。

2）當(dāng)雷電流進(jìn)一步上升，至點(diǎn)與點(diǎn)處于同一水平線時(shí)，反擊引雷寬度為=scos1+/2，繞擊引雷寬度為=s(1-cos1)。

3）當(dāng)雷電流進(jìn)一步上升，至點(diǎn)高于點(diǎn)但低于B點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線未被避雷線完全保護(hù)，其反擊引雷寬度為=scos1+/2，繞擊引雷寬度為=s(cos2-cos1)。

4）當(dāng)雷電流進(jìn)一步上升，至點(diǎn)高于點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線被避雷線完全保護(hù)，理論上不會(huì)發(fā)生繞擊，此時(shí)的引雷寬度=s。

上述表達(dá)式中的1與2的計(jì)算公式分別為

式中：PQ為避雷線到導(dǎo)線距離；為擊距系數(shù)，與前文相同。

2.2 35kV架空線路雷擊過(guò)電壓計(jì)算模型

以圖2中的35kV漾富線為原型，建立雷擊過(guò)電壓計(jì)算模型如圖5所示，取檔距平均值為300m，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ—150/20鋼芯鋁絞線，弧垂1.5m，線路采用Bergeron模型模擬[13-15]。雷電流波形參數(shù)設(shè)置為2.6/50ms，模型采用Heilder模型進(jìn)行模擬，該模型與實(shí)際雷電流波形較為吻合，相較于雙指數(shù)模型其參數(shù)設(shè)置更加簡(jiǎn)便[16]。桿塔為“上”字形，由多段波阻抗組成，波阻抗值取125W，接地電阻取固定值10W。絕緣子為FXBW—35/70復(fù)合絕緣子，其負(fù)極性沖擊放電電壓50%=250kV，計(jì)算過(guò)程采用基于定義法的Models自定義元件進(jìn)行模擬。

圖5 雷擊過(guò)電壓計(jì)算模型

本文的感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算，通過(guò)在ATP軟件中調(diào)用Models語(yǔ)言編程的MOD感應(yīng)過(guò)電壓子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)[17]，該方法基于如下假設(shè)[18-19]：

1）感應(yīng)電壓由雷擊主放電過(guò)程中的磁效應(yīng)與靜電效應(yīng)組成。

2）雷電回?fù)敉ǖ琅c大地垂直，回?fù)羲俣缺３植蛔?，先?dǎo)發(fā)展過(guò)程中電荷均勻分布。

3）大地為均勻土壤，電導(dǎo)率和介電常數(shù)為常數(shù)；架空線路認(rèn)為是無(wú)損的，有損大地主要影響空間電場(chǎng)的水平分量。

4）電磁場(chǎng)與線路耦合過(guò)程采用Agrawal場(chǎng)線耦合模型[20]。

建立的35kV架空線路直擊雷和感應(yīng)雷過(guò)電壓計(jì)算模型分別如圖5（a）和圖5（b）所示，該計(jì)算模型可對(duì)雷電流、雷擊位置、桿塔等參數(shù)進(jìn)行修改，通用性較強(qiáng)。

3 考慮地形的雷擊跳閘率計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

考慮地形的雷擊跳閘率計(jì)算流程如圖6所示，具體如下：

圖6 考慮地形的雷擊跳閘率計(jì)算流程

1）確定35kV架空線路的線路參數(shù)、桿塔類型和絕緣強(qiáng)度等，采用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立直擊雷和感應(yīng)雷過(guò)電壓仿真模型。

2）改變雷電流幅值，通過(guò)觀察絕緣子兩端的電壓波形，得到耐雷水平。

3）根據(jù)上述改進(jìn)電氣幾何模型，獲得山區(qū)地形下線路的引雷寬度。

4）計(jì)算直擊雷跳閘率。

假設(shè)雷電流峰值最大不超過(guò)200kA，線路反擊跳閘率TRa和直擊導(dǎo)線跳閘率TRb的計(jì)算公式為

式中：g為地閃密度（次/(km2·a)）；為建弧率；為擊桿率；線路引雷寬度()=1(,1)+2(,2)+，D1、D2為兩側(cè)導(dǎo)線的引雷寬度（m），1、2為兩側(cè)地面的傾角，為兩側(cè)導(dǎo)線的相間距離（m）；()為雷電流幅值大于的概率；a為雷擊桿塔（反擊）耐雷水平（kA）；b為雷擊導(dǎo)線（繞擊）耐雷水平（kA）。

將雷電流幅值的取值范圍設(shè)為0～200kA，以1kA為間隔，分為200個(gè)區(qū)間，第個(gè)區(qū)間為[,+1]；將上述直擊雷跳閘率積分計(jì)算公式（3）和式（4）進(jìn)行離散求解，最終獲得直擊雷跳閘率的表達(dá)式為

根據(jù)對(duì)云南高海拔地區(qū)雷電活動(dòng)情況的分析[21]，雷電流幅值大于的概率如式（6）所示，則第個(gè)區(qū)間雷電流出現(xiàn)的概率計(jì)算式如式（7）所示。

5）計(jì)算感應(yīng)雷跳閘率。

與直擊雷跳閘率的計(jì)算不同，感應(yīng)雷跳閘率計(jì)算中，首先需確定感應(yīng)雷的引雷區(qū)域，感應(yīng)雷電氣幾何模型如圖7所示。

圖7 感應(yīng)雷電氣幾何模型

架空線路的感應(yīng)雷跳閘率計(jì)算公式為

式中：ymax,k為感應(yīng)雷電流幅值為Ik時(shí)的最大臨界閃絡(luò)距離，受雷電流幅值及地面傾角影響（m）；D(Ik)為雷擊大地的最大臨界距離（直擊雷引雷范圍）（m）；Ic為感應(yīng)雷耐雷水平（引起線路發(fā)生感應(yīng)雷跳閘的最小雷電流幅值）（kA）。當(dāng)雷電流幅值高于Ic且ymax,k大于D(Ik)時(shí)，才存在發(fā)生感應(yīng)雷跳閘的可能。ymax,k計(jì)算流程如圖8所示。

由于線路的感應(yīng)雷耐雷水平與雷擊點(diǎn)到線路距離呈正相關(guān)，隨著雷擊點(diǎn)距離變遠(yuǎn)，線路上的感應(yīng)過(guò)電壓會(huì)變小，計(jì)算得到的線路的耐雷水平相對(duì)上升，反之亦然。因此對(duì)于某一確定雷電流，假設(shè)其峰值為，首先給定初值0（雷擊點(diǎn)距線路垂直距離為0，其取值盡量小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的耐雷水平c也較?。?，利用建立的仿真模型計(jì)算耐雷水平c，若耐雷水平c＜，則令0=0+D，重復(fù)計(jì)算，直至c與基本一致時(shí)，得到的雷擊距離即為平原地區(qū)的最大臨界閃絡(luò)距離max()，將計(jì)算值擬合成函數(shù)，可得到最大臨界閃絡(luò)距離max隨雷電流幅值的變化規(guī)律。

根據(jù)電氣幾何模型可知，不同雷電流下的引雷范圍不同，傳統(tǒng)雷擊跳閘率計(jì)算時(shí)，認(rèn)為不同雷電流的引雷范圍相同，使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此，對(duì)[0, 200kA]的雷電流以1kA為步長(zhǎng)劃分為200個(gè)區(qū)間，并利用圖8所示方法確定對(duì)應(yīng)的max,k。

對(duì)上述感應(yīng)雷跳閘率計(jì)算公式（8）進(jìn)行離散求解，最終可獲得感應(yīng)雷跳閘率的離散表達(dá)式為

3.2 直擊雷計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息，得到漾富線近年的平均地閃密度為3.2次/(km2·a)。參照IEEE標(biāo)準(zhǔn)選取=0.5[22]；兩側(cè)導(dǎo)線的相間距離為5m；絕緣子放電距離取0.45m，根據(jù)計(jì)算建弧率=0.56。桿塔的工頻接地電阻一般取10～30W，考慮到山區(qū)土壤電阻率往往較大，因此，仿真中山區(qū)地形的土壤電阻率取1 000W·m，桿塔接地電阻取25W；平原地區(qū)的土壤電阻率取100W·m，接地電阻取10W。

計(jì)算得到平原和山區(qū)架空線路的直擊雷耐雷水平見表1。由于山區(qū)的土壤電阻率及接地電阻比平原地區(qū)高，因此，其直擊雷耐雷水平更低。

表1 直擊雷耐雷水平 單位：kA

根據(jù)上述計(jì)算方法，在如圖9所示不同山區(qū)地形下，分別計(jì)算線路的直擊雷跳閘率，具體如下。

圖9 不同山區(qū)地形

1）平原及山區(qū)平地線路1=2=0°

計(jì)算平原與山區(qū)平地線路的直擊雷跳閘率，結(jié)果見表2。

對(duì)比表2中數(shù)據(jù)可知，在相同地閃密度條件與地形傾角下，山區(qū)線路有、無(wú)避雷線的直擊雷跳閘率分別比平原線路高出197.87%、48.48%，可見，高土壤電阻率與接地電阻是使線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)上升的重要因素之一。

表2 地形傾角為0°時(shí)直擊雷跳閘率計(jì)算結(jié)果 單位：次/(100km·a)

2）山脊線路1=2∈[-30°,-5°]

根據(jù)考慮地形的電氣幾何模型，當(dāng)線路位于山脊處時(shí)，線路的暴露面積相比平原更大，即線路的引雷寬度將變大。圖10為山路線路直擊雷跳閘率隨線路兩側(cè)坡度的變化規(guī)律。

圖10 山區(qū)線路直擊雷跳閘率隨線路兩側(cè)坡度的變化

由圖10可知，山脊線路直擊雷跳閘率隨兩側(cè)坡度的增大而增大。無(wú)避雷線的情況下，兩側(cè)的坡度從-5°變?yōu)?30°時(shí)，山脊線路直擊雷跳閘率從3.1次/(100km·a)升至3.48次/(100km·a)；兩側(cè)傾角為-30°時(shí)，山脊線路直擊雷跳閘率相比山區(qū)平地線路增大了0.54次/(100km·a)，增幅約為18.37%。有避雷線的情況下，山脊線路直擊雷跳閘率從1.5次/(100km·a)升至1.88次/(100km·a)；兩側(cè)傾角為-30°時(shí)，山脊線路直擊雷跳閘率相比山區(qū)平地線路增大了0.48次/ (100km·a)，增幅約為34.29%。

3）山坡線路1=-q2∈[5°, 30°]

當(dāng)線路位于山坡處時(shí)，線路的暴露面積受兩側(cè)地形的影響。位于上坡側(cè)的線路，由于地面的引雷作用，其引雷寬度變小，而位于下坡側(cè)的線路引雷寬度則變大。

由圖10可知，山坡線路的直擊雷跳閘率隨坡度的增加而逐漸變小。無(wú)避雷線的情況下，當(dāng)坡度從5°變?yōu)?0°時(shí)，山坡線路的直擊雷跳閘率從2.93次/ (100km·a)降至2.42次/(100km·a)；兩側(cè)坡度為30°時(shí)，山坡線路直擊雷跳閘率相比山區(qū)平地線路減小了0.52次/(100km·a)，降幅約為17.69%。有避雷線的情況下，山坡線路直擊雷跳閘率從1.39次/ (100km·a)降至1.18次/(100km·a)；兩側(cè)坡度為30°時(shí)，山坡線路直擊雷跳閘率相比山區(qū)平地線路下降了0.22次/(100km·a)，降幅約為15.71%。

4）山谷線路1=2∈[5°, 30°]

當(dāng)線路位于山谷處時(shí)，在地面的引雷作用下，線路暴露距離相比平原更小，使線路的引雷寬度變得更小。

由圖10可知，無(wú)避雷線的情況下，兩側(cè)坡度從5°上升至30°時(shí)，山谷線路的直擊雷跳閘率從2.75次/(100km·a)下降至1.36次/(100km·a)；兩側(cè)坡度為30°時(shí)，山谷線路直擊雷跳閘率相比山區(qū)平地線路降低了1.58次/(100km·a)，下降約53.74%。有避雷線的情況下，山谷線路直擊雷跳閘率從1.27次/ (100km·a)降至0.47次/(100km·a)；兩側(cè)坡度為30°時(shí)，山谷線路直擊雷跳閘率相比山區(qū)平地線路下降了0.93次/(100km·a)，降幅約為66.43%。

3.3 感應(yīng)雷計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)3.2節(jié)的參數(shù)，計(jì)算得到無(wú)防雷措施平原和山區(qū)平地線路的感應(yīng)雷耐雷水平分別為58kA和48kA，有避雷線的平原、山區(qū)平地線路感應(yīng)雷耐雷水平分別為82kA和69kA。

根據(jù)上述計(jì)算方法，得到平原、山區(qū)平地線路的有無(wú)避雷線條件下感應(yīng)雷跳閘率見表3。

表3 地形傾角為0°時(shí)感應(yīng)雷跳閘率計(jì)算結(jié)果

由表3可知，雖然桿塔接地電阻對(duì)感應(yīng)雷耐雷水平幾乎無(wú)影響，但山區(qū)比平原地區(qū)的大地電導(dǎo)率低，產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓較大，導(dǎo)致其感應(yīng)雷耐雷水平更低，從而跳閘率更高。

1）山脊線路1=2∈[-30°,-5°]

當(dāng)山區(qū)線路發(fā)生感應(yīng)雷時(shí)，線路上產(chǎn)生更高的感應(yīng)過(guò)電壓，將一定程度地增加最大臨界閃絡(luò)距離，因此，山區(qū)的最大臨界閃絡(luò)距離非線性較大且高于平原地區(qū)；同時(shí)，當(dāng)線路位于山脊時(shí)，直擊雷的引雷寬度增加，導(dǎo)致感應(yīng)雷的雷擊區(qū)域縮小，最終感應(yīng)雷的雷擊區(qū)域大小需綜合考慮兩者的作用。計(jì)算得到山區(qū)線路感應(yīng)雷跳閘率隨線路兩側(cè)坡度變化的情況如圖11所示。

圖11 山區(qū)線路感應(yīng)雷跳閘率隨線路兩側(cè)坡度的變化

由圖11可知，山脊線路感應(yīng)雷跳閘率隨兩側(cè)坡度的增大而減小。無(wú)避雷線的情況下，兩側(cè)的傾角由-5°變化至-30°時(shí)，山脊線路的感應(yīng)雷跳閘率由6.67次/(100km·a)下降至5.92次/ (100km·a)；當(dāng)兩側(cè)傾角為-30°時(shí)，山脊線路感應(yīng)雷跳閘率相比山區(qū)平地線路減小了1次/(100km·a)，降幅約為14.45%。有避雷線的情況下，山脊線路的感應(yīng)雷跳閘率由1.81次/(100km·a)下降至1.37次/ (100km·a)；當(dāng)兩側(cè)傾角為-30°時(shí)，山脊線路感應(yīng)雷跳閘率相比山區(qū)平地線路減小了0.58次/(100km·a)，降幅約為29.74%。

2）山坡線路1=-q2∈[5°, 30°]

當(dāng)線路位于山坡處時(shí)，線路直擊雷的引雷寬度受兩側(cè)的地形影響，隨傾角的增大，位于上坡側(cè)線路的引雷寬度減小，而位于下坡側(cè)的引雷寬度增大；此時(shí)，線路直擊雷的引雷寬度變化相對(duì)較小，感應(yīng)雷的雷擊區(qū)域主要受最大臨界閃絡(luò)距離的影響。

由圖11可以看出，無(wú)避雷線的情況下，當(dāng)兩側(cè)坡度由5°上升至30°時(shí)，山坡線路感應(yīng)雷跳閘率由6.93次/(100km·a)上升至7.3次/(100km·a)；當(dāng)兩側(cè)坡度為30°時(shí)，感應(yīng)雷跳閘率相比山區(qū)平地線路增大了0.38次/(100km·a)，增幅約為5.49%。有避雷線的情況下，山坡線路的感應(yīng)雷跳閘率由1.97次/ (100km·a)上升至2.38次/(100km·a)；當(dāng)兩側(cè)坡度為30°時(shí)，山坡線路感應(yīng)雷跳閘率相比山區(qū)平地線路增大了0.43次/ (100km·a)，增幅約為22.05%。因此，線路位于山坡時(shí)，隨著坡度的增加，線路感應(yīng)雷跳閘率逐漸增大。

3）山谷線路1=2∈[5°, 30°]

當(dāng)線路位于山谷處時(shí)，在地面的引雷作用下，線路更易發(fā)生感應(yīng)雷擊跳閘事故。

由圖11可知，無(wú)避雷線的情況下，當(dāng)線路兩側(cè)坡度由5°上升至30°時(shí)，山谷線路感應(yīng)雷跳閘率由7.21次/(100km·a)上升至9.28次/(100km·a)；當(dāng)兩側(cè)坡度為30°時(shí)，山谷線路感應(yīng)雷跳閘率相比山區(qū)平地線路增大了2.36次/(100km·a)，增幅約為34.10%。有避雷線的情況下，山谷線路的感應(yīng)雷跳閘率由2.12次/(100km·a)上升至3.39次/(100km·a)；當(dāng)兩側(cè)坡度為30°時(shí)，山谷線路感應(yīng)雷跳閘率相比山區(qū)平地線路增大了1.44次/(100km·a)，增幅約為73.85%。因此，線路位于山谷時(shí)，隨著坡度的增加，線路感應(yīng)雷跳閘率逐漸增大。

對(duì)比直擊雷計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)雷跳閘率隨坡度的變化規(guī)律與之完全相反，其主要原因是兩者發(fā)生雷擊跳閘的機(jī)理不同。直擊雷通過(guò)電氣幾何模型計(jì)算線路引雷寬度，當(dāng)雷擊發(fā)生在此寬度內(nèi)時(shí)，雷電流直接入侵線路引起跳閘，因此當(dāng)?shù)匦纹露纫鹨讓挾劝l(fā)生變化時(shí)，直擊雷跳閘率也隨之改變；而感應(yīng)雷過(guò)電壓主要取決于雷電回?fù)敉ǖ栏浇a(chǎn)生的靜電場(chǎng)分量，線路所在坡度越大，電場(chǎng)發(fā)生的畸變就越明顯，從而形成更強(qiáng)的電場(chǎng)，過(guò)電壓也隨之上升，從而更容易引起線路跳閘[20]。

3.4 總雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)3.2節(jié)直擊雷跳閘率和3.3節(jié)感應(yīng)雷跳閘率計(jì)算結(jié)果，可得到平原與山區(qū)平地線路的總雷擊跳閘率見表4。

表4 地形傾角為0°時(shí)總雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果

不同地形條件下，架空線路總雷擊跳閘率隨坡度的變化規(guī)律如圖12所示。

由圖12可知，地形對(duì)架空線路總雷擊跳閘率的影響大小為：山谷＞山坡＞山脊。

當(dāng)線路位于山谷時(shí)，線路總雷擊跳閘率隨坡度的增加而增大，無(wú)避雷線線路的總雷擊跳閘率由9.96次/(100km·a)上升至10.64次/ (100km·a)，有避雷線線路的總雷擊跳閘率由3.39次/(100km·a)上升至3.86次/(100km·a)。

（a）無(wú)避雷線

（b）有避雷線

圖12 山區(qū)架空線路總雷擊跳閘率

當(dāng)線路位于山坡時(shí)，線路總雷擊跳閘率同樣隨坡度的增加逐漸上升，當(dāng)坡度由5°上升至30°時(shí)，無(wú)避雷線線路總雷擊跳閘率由9.86次/(100km·a)上升至9.89次/(100km·a)，有避雷線線路的總雷擊跳閘率由3.36次/(100km·a)上升至3.56次/(100km·a)。

當(dāng)線路位于山脊時(shí)，線路總雷擊跳閘率隨坡度的增加逐漸減小，當(dāng)坡度由5°上升至30°時(shí)，無(wú)避雷線線路的總雷擊跳閘率由9.77次/(100km·a)下降至9.4次/(100km·a)，有避雷線線路的總雷擊跳閘率由3.32次/(100km·a)下降至3.26次/(100km·a)。

綜合以上數(shù)據(jù)分析可知，對(duì)山區(qū)線路雷擊跳閘率影響最大的地形為山谷地形，隨著地形傾角（絕對(duì)值）的變大，山谷線路的總雷擊跳閘率逐漸上升，最大增幅約為7.91%；地形傾角對(duì)于山坡線路的影響則幾乎為0；處于山脊的線路雷擊跳閘率則隨傾角（絕對(duì)值）變大逐漸減小，最大降幅約為4.67%。

4 結(jié)論

本文提出了考慮地形的架空線路雷擊跳閘率計(jì)算方法，分析了不同地形對(duì)35kV架空線路雷擊跳閘率的影響規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

1）架空線路的直擊雷跳閘率大小順序?yàn)椋荷郊咕€路＞山坡線路＞山谷線路。線路位于山脊處時(shí)，隨著坡度的變大，直擊雷跳閘率逐漸上升，相比于山區(qū)平地線路，其直擊雷跳閘率最大增幅約為18.37%，而處于山坡與山谷的線路直擊雷跳閘率則最大分別下降17.69%與53.74%。

2）架空線路的感應(yīng)雷跳閘率大小順序?yàn)椋荷焦染€路＞山坡線路＞山脊線路。線路位于山坡或山谷處時(shí)，感應(yīng)雷跳閘率隨兩側(cè)的坡度增大而變大，最大增幅分別為5.49%和34.10%；線路位于山脊處時(shí)，隨著坡度的增加，感應(yīng)雷跳閘率逐漸下降，最大降幅為14.45%。

3）架空線路的總雷擊跳閘率大小順序?yàn)椋荷焦染€路＞山坡線路＞山脊線路。相比平原地區(qū)，山區(qū)平地線路的總雷擊跳閘率增大了64%左右；線路位于山坡處時(shí)，總雷擊跳閘率幾乎不隨地形傾角發(fā)生變化；線路位于山谷和山脊時(shí)，隨著坡度的增加，總雷擊跳閘率分別上升與下降，最大增幅與降幅分別為7.91%與4.67%。

4）安裝避雷線能有效降低線路雷擊跳閘率，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在平原地區(qū)與山區(qū)平地線路安裝避雷線后，其總雷擊跳閘率將分別下降77.87%與66.02%。

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Simulation analysis on lightning strike characteristics of 35kV overhead lines in mountainous area

ZHANG Wenfeng1LI Zhiwei1ZHANG Guojian1LIN Gan2,3

(1. Dali Power Supply Bureau, Yunnan Power Grid Co., Ltd, Dali, Yunnan 671000; 2. Hubei Provincial Engineering Technology Research Center for Power Transmission Line (China Three Gorges University), Yichang, Hubei 443002; 3. College of Electrical Engineering & New Energy, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002)

The typical terrains characteristics of Dali mountainous area overhead lines are analyzed in this paper. Based on the lightning activity data of lines collected by the lightning location system, the lightning resistance level and the trip rate of direct and induced lightning are calculated under typical terrain conditions such as ridge, hillside, valley and plain. The variation law of lightning trip rate of overhead line under mountainous terrain is obtained. The results show that the lightning trip rate varies greatly under different terrain conditions. The direct lightning trip rate of the line located on the ridge is larger and decreases with the decrease of the slope on both sides. However, the induced lightning trip rate of the line located in the valley is larger, which increases with the increase of the slope. Compared with plain areas, the lightning trip rate of mountainous lines is increased by about 64%.

overhead line; mountainous area; terrain; lightning trip rate; lightning induced overvoltage

2022-05-05

2022-05-24

張文鋒（1984—），男，漢族，湖北宜昌人，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行維護(hù)管理。

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（0505002020030301SC00002）