±660kV HVDC输电线路典型杆塔绕击性能评估

袁海燕，刘 民，庄燕飞 ，姚金霞

（1.山东电力集团公司电力科学研究院，山东 济南 250002；（2.山东电力集团公司检修公司，山东 济南 250021）

0 引言

宁东—山东±660kV高压直流输电线路于2010年投运，是世界上第一条电压等级为660 kV的直流输电线路。 ±660 kV高压直流输电线路本身的绝缘水平比较高，雷击避雷线或塔顶而发生反击闪络的可能性很小。 线路杆塔高，导线工作电压高，避雷线和导线间距离大，因此它的绕击耐雷水平对线路防雷特性有决定性的影响，对其绕击耐雷性能的准确评估是保证系统安全稳定运行的基础。

相对于交流线路，高压直流线路由于正常运行时线路电压恒定不变，遭受直击雷时，会呈现下列特点：绕击与反击时闪络极与雷电流的极性密切相关。由于雷电放电多为负极性，因此正极绝缘相对薄弱。本文主要研究雷电流为负极性时，正极线路的绕击跳闸率。

20世纪60年代建立的电气几何模型（EGM）仍是目前国内外分析绕击率的主流方法。EGM在Golde首先提出击距的概念［1］，将击距与雷电流相联系后，Young’s模型进一步引入了计算技术，使EGM能有效地与现场观测数据相结合［2］。根据寻迹器的现场调查，Whitehead提出的击距公式应用于输电线路的屏蔽设计较成功［3-4］。Sargent利用Whitehead模型分析了建筑物高度对雷击概率的影响［5］。Eriksson针对经典电气几何模型的一些不足，提出了改进的EGM［6］，我国学者结合模拟实验研究也提出过改进EGM［7］。 中国电力科学研究院在EGM分析特高压线路的绕击特性时还考虑了导线工作电压的影响［8］。

已见文献用各种方法针对不同电压等级的线路进行过详细的研究，本文在前人工作的基础上，建立了综合考虑风偏、地形和工作电压影响的改进EGM来分析±660 kV HVDC输电线路的绕击耐雷性能。

1 绕击性能分析方法

1.1 考虑导线工作电压的击距

雷电对避雷线的击距采用IEEE标准所推荐的击距公式［9］

击距系数是先导对地击距与先导对避雷线击距之比，采用 IEEE 给出的表达式［9］：

式中：I为雷电流，kA；rs为雷电对避雷线的击距，m；rg为雷电对大地的击距，m；hs为避雷线平均高度，m。

不考虑导线工作电压时，长空气间隙负极性放电电压 V0与击距 rc0的关系为［10］：

雷电先导下降时，其头部电位与主放电电流的关系为［8］：

因此，考虑导线工作电压时，由（4）（5）两式可推导得出，导线的击距为：

式中：rc0为考虑导线工作电压的击距，m；U为导线上工作电压，MV。

1.2 考虑风偏和地形后模型的基本参数

分裂导线悬垂绝缘子串的风偏角φ和导线风偏角ξ如图1所示。

图1 风偏角

分裂导线悬垂绝缘子串的风偏角［10］

导线风偏角

式中：L、G 为水平和垂直档距，m；g1、g2为导线自重和风荷比载，kg/（m·mm2）；M、N 为绝缘子串重量和其风荷载；A为导线截面积；λ为绝缘子串长度；d为导线分裂间距。

考虑风速影响之后，模型的参数会发生变化，如图 2 所示。图中 hc′、hs′、Lc′、Ls′为考虑风速后导线和避雷线的位置，α′为考虑风速后的保护角，各变量可由下式计算得到：

式中：hc、hs、Lc、Ls为考虑风速前导线和避雷线的位置，fc、 fs分别为导线和避雷线的弧垂；ξc、ξs分别为导线和避雷线的风偏角。

图2 考虑风速和地形的电气几何模型

拟合风速分布的模型很多，其中韦布尔双参数分布被普遍认为适于对风速v作统计描述，v的韦布尔分布概率密度函数为［11］

式中：k为形状参数，是一个无因次量；C为尺度参数，其量纲与速度相同。可根据T时间内观测到的10 min最大风速和平均风速，通过下式近似地估计韦布尔分布参数［11］

1.3 最大绕击电流的计算

如图2所示，

当θ1=θ2时，绕击暴露弧AB=0，假如雷电流继续增大，将不存在绕击暴露区域，因此，此时雷电流为最大绕击电流Imax。

1.4 绕击耐雷水平的计算

绕击耐雷水平计算：

式中：U-50%为绝缘子负极性50%闪络电压；Zc为导线波阻抗；U为导线上工作电压。

1.5 暴露距离的计算

经典电气几何模型中的暴露投影计算方法将暴露弧长等同于直线来计算其投影，使计算结果偏大。用暴露弧在弧长中所占比率来评价线路的绕击性能的方法在模型中直接令雷击地面的概率为零，这种假设显然有欠合理。 等值受雷宽度的计算将避雷线的屏蔽区域也计算在线路遭雷击的范围之内，计算结果偏大。在 1993年的 IEEE工作报告中提出用暴露距离描述线路屏蔽失效现象［12］，其前提是假定雷电先导通道垂直于地面向下发展。 文献［13］指出采用暴露距离将绕击特性与线路本身的几何尺寸相联系计算绕击跳闸率可较准确地评估线路的绕击特性。 本文采用暴露距离计算绕击跳闸率。

在文献［12］的基础上考虑地面倾角和风速的影响。 如图2所示，屏蔽弧、暴露弧和地面击距直线相交于 A、B两点，以避雷线所在点作为坐标原点，X轴和Y轴分别平行和垂直于地面，建立XSY坐标系。SC为导线与避雷线间的距离。导线所在点 C， A、B 两点的坐标分别为 A（xA，yA）和 B（xB，yB），Zs为暴露距离。

1）如果 yA>0，rg>hc，则

2）如果 yA>0，rg≤hc，则

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3）如果 yA≤0，rg>hc，则

4）如果 yA≤0，rg≤hc，则

1.6 绕击跳闸率计算

综合考虑风偏、地形和工作电压概率分布后，推得每年每100 km的绕击闪络次数的计算公式为

式中：Ng为地闪密度；Imax为最大绕击电流；Ic为绕击耐雷水平。

2 基于典型杆塔的绕击性能仿真分析

按我国±660 kV高压直流输电线路设计参数，导线采用4×JL/G3A-1000/45型钢芯铝绞线，分裂导线的分裂间距400 mm；避雷线采用LBGJ-150-20AC铝包钢绞线，年雷电日40；以ZP2711和JP2711两种型号的杆塔为例，见图3。 下面首先利用ZP2711塔型线路分析导线工作电压、地面倾角和风速对线路绕击跳闸率的影响，然后将模型分别应用于采用ZP2711和JP2711两种塔型的线路，对它们的绕击特性进行了比较分析。

图3 ±660 kV线路典型塔型结构参数

2.1 导线电压瞬时值对绕击跳闸率的影响

表1 绕击跳闸率比较

从表1可见，在地面倾角相同的情况下，不考虑导线工作电压时的绕击跳闸率几乎是考虑导线电压的一半。随着地面倾角的增大，绕击跳闸率逐渐增大。因此研究±660 kV高压直流输电线路的雷击性能时必须要考虑导线工作电压。

2.2 地形对绕击跳闸率的影响

图4是综合考虑风偏、地形以及导线工作电压的情况下，在风速v不同时线路绕击跳闸率n随地面倾角θ变化的情况。随着地面倾角的增大，线路绕击跳闸率增大，地面倾角在0°到10°之间时，绕击跳闸率略有增大；随着地面倾角的增大，绕击跳闸率的增长速度加快。随着风速的增长，绕击跳闸率随地面倾角的增长速度也加快。

图4 地面倾角对绕击跳闸率的影响

2.3 风速对绕击跳闸率的影响

图5为综合考虑风偏、地形以及导线电压瞬时值的情况下，地面倾斜角 θ分别为 0°、10°、20°、30°时线路绕击跳闸率n随风速v变化的情况。 当风速小于5 m/s的时候，风偏对线路的影响不大，当风速大于5 m/s的时候，风偏对绕击跳闸率的影响明显增大。随着地面倾角的增大，风速对绕击跳闸率的影响越来越大。

图5 风速对绕击跳闸率的影响

2.2与2.3节的计算结果都说明恶劣的气象条件与地形状况是导致线路跳闸的主要原因。 地面倾角的增大使线路保护角增大，风偏又进一步增大了线路的绕击暴露面积，这两者相结合严重改变了线路本身的绕击屏蔽性能，导致绕击跳闸率大大增加。

表2 线路杆塔分别为ZP2711与JP2711时的仿真结果

2.4 两种典型塔型ZP2711与JP2711的绕击性能比较

线路杆塔分别为ZP2711与JP2711时的仿真结果如表2所示。表2中n为绕击跳闸率（次/100km.a），Imax为最大绕击电流（kA）。

杆塔为ZP2711的线路最大绕击电流比杆塔为JP2711的大；这是因为ZP2711塔比JP2711塔的呼高高6 m，而且ZP2711的线路保护角比JP2711塔的大。根据国家电网公司输变电设备运行规范对雷击跳闸率的规定，在年雷暴日为40天/年的情况下，±660 kV线路雷击跳闸率不宜超过0.1次/100 km.a。杆塔为ZP2711的线路，当地面倾角小于20°时，风速小于20 m/s时才能满足绕击跳闸率的设计要求。 杆塔为JP2711的线路，在本文所考虑的范围内，即地面倾角小于30°，风速小于30 m/s时均能满足要求。

3 结语

对于本文研究的两种典型杆塔，由于杆塔为ZP2711的线路当风速大于20 m/s，且地面倾角大于20°时，绕击跳闸率超过指标要求，因此适用于在内陆平原地区使用。而在山区和沿海地带，杆塔JP2711的设计较为理想。

±660 kV线路导线的工作电压使线路绕击跳闸率增大1倍，影响不容忽视，因此在防雷设计中必须考虑导线工作电压。

地面倾角小于5°时，风速对绕击跳闸率的影响不大；说明在地形条件理想的情况下，可以不考虑风偏的影响。在地面倾角大于5°的时候，应该综合考虑风偏、地形的影响，尽量使用线路呼高和保护角较小的杆塔。

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