架空输电线路雷电电气几何模型的优化分析

（云南省电力设计院，云南 昆明 650051）

架空输电线路雷电电气几何模型的优化分析

余 斌

（云南省电力设计院，云南 昆明 650051）

绕击率的计算是架空输电线路防雷性能评估中的重要内容。本文采用电气几何模型（EGM）计算雷电绕击率，重点阐述了计算模型中关键因素的处理方法，指出其他处理方法的优缺点，并给出优化措施。计算结果与实际线路运行情况的对比表明，该推荐方法可以较为准确的计算架空输电线路的绕击率。

架空输电线路；绕击；电气几何模型

引言

国内外运行经验表明，雷电是造成架空输电线路跳闸的主要原因。国际大电网会议公布的美国﹑前苏联等12个国家的电压275kV～500kV总长为32700km。输电线路连续三年的运行资料反映，雷击故障占60%。日本电力系统事故中由雷击输电线路造成的占50%。我国输电线路故障中，雷击也占很大比例，如2003年我国110kV～500kV线路雷击闪络跳闸占线路总跳闸的35.12%。因此，加强架空输电线路防雷设计尤为重要。

在架空输电线路雷电闪络率计算中，一般分为绕击率计算和反击率计算。绕击率的计算模型主要有两种：电气几何模型（EGM）和先导传播模型（LPM）。LPM计算所采用的参数存在争议，计算结果也有较大的差异。目前，我国绕击率的计算以EGM为主。

同时，雷电是一种复杂的自然现象。防雷设计中许多参数都具有不确定性。例如雷电流的波形，幅值分散性很大；不同的地质条件的杆塔接地电阻，差异很大，同时随着时间的推移而发生变化；地域的雷电日或者落雷密度也是在统计意义上的平均值。这些因素都增加了防雷设计中的不确定性。在雷击闪络率的计算中，必须考虑这些因素。因此，防雷设计中应将理论计算与运行经验结合起来，提出防雷的有效措施，以减少雷击跳闸率，提高线路运行的可靠性。

1 电气几何模型

电气几何模型的基本原理为：由雷云向地面发展的先导头部到达距被击物体临界击穿距离（简称击距）的位置以前，击中点是不确定的，先到达哪个物体的击距之内，即向该物体放电；击距同雷电流幅值有关。本文重点论述电气几何模型中对计算结果影响较大或存在争议因素的处理方法。

1.1 导线电压

导线由于自身具有一定的电压，尤其在超高压﹑特高压线路中，导线本身电压可能很高，在击距计算中必须考虑。中国电力科学院根据负极长间隙放电电压与击距的关系，指出导线击距公式为：

Vdc为导线工作电压，对于负电压取正值，正电压取负值。这是根据大部分雷电均为负极性得到的。

1.2 屏蔽率计算

以往的电气几何模型中，屏蔽率的计算是以暴露弧长在地面的投影来计算的，这样当采用负保护角时，绕击率便为零。从日本特高压输电线路运行中拍摄到的雷击照片得知，有雷电先导侧向击中导线的情况发生。从雷电的先导模型可知，雷电的发展是个相当复杂的过程，暴露在雷电发展范围的物体都有可能被雷电击中。采用暴露弧长比计算屏蔽率更加近似物理模型。因此，推荐采用暴露弧长比计算屏蔽率。

1.3 同塔双回或多回绕击率计算

对于同塔双回或者多回输电线路绕击率的计算，目前有两种不同的考虑方法：

（1）分别作出各个导线和地线的击距圆，以暴露导线总的暴露弧长与地线和导线弧长和的比值作为绕击率。

（2）不考虑导线间互相的屏蔽效应，分别以每根导线和地线之间的几何位置关系，计算绕击闪络率，取最大值作为线路的绕击闪络率。这种方法主要是基于以下两个事实：①只要一根导线发生绕击闪络，即认为整个线路发生绕击闪络，导线间的互相屏蔽作用对整个线路的绕击闪络率影响很小；②这种处理方式得到的绕击率与第一种方法比较相差不大，但是实现起来要简单的多。

推荐第二种方法。

1.4 雷电入射角

（1）根据雷电先导模型的研究成果，雷电通道在向下发展过程中其发展方向具有一定的随机性，从统计的规律来看，雷电通道总是趋于沿电场最大的方向发展。因此，雷电入射角概念本身并没有物理过程上的依据。

基于以上分析，在雷电绕击中考虑雷电入射角的观点是错误的。至少在观测数据比较少的情况下，没有必要做这样的处理。

1.5 后继雷电流

Anderon R.B.和Eriksson在《Lighting parameters for engineering application 》指出：雷电在发展中经常存在，沿同一通道多次击中地面物体的情况，而且后继的雷电流的大小与先导雷电流无关，存在后继雷电流超过先导雷电流的情况。因此，IEEE std1243-1997建议在绕击计算中要考虑这个因素。但是，国内的研究多忽略这个因素。本文也不予考虑，认为在雷电流分布函数中已经涵盖了这些情况。

1.6 交流线路导线电压的选取

对于直流线路，不存在电压相位的问题。但是，在交流线路中，由于电压是时变的，要考虑雷击时导线电压的幅值。一般的处理方法为，每隔15°选择选取一个电压值，计算绕击闪络率，取平均值作为线路绕击闪络率。

1.7 地形的影响

输电线路在空间上分布范围很广，沿线地形条件复杂。针对地形对雷电绕击率的影响，主要有两种处理方法：一种是在电气几何模型中以地面倾斜角度考虑地形；另一种方法是按地形分类对导线的平均高度经行修正。

第一种方法针对线路走廊不同的地形定义相应的地面倾角，在电气几何模型中考虑由于地面倾角造成的大地屏蔽效果的减弱。这种处理方法的缺点是没有考虑地形对导线高度的影响，计算所得的结果偏于乐观。

图1 计算软件输入界面

表1 线路基本情况

第二种方法是美国E.R.Whitehead提出的。他将地形分为三类：平原﹑丘陵和山地。对于这三种地形，在确定导线高度的参数时采用不同的原则。计算公式如下：

其中，hdt为导线挂点高度，Sd为导线最大弧垂。

各种地形下地线对地的平均高度hb计算方法如下：

图2 直线塔型式示意图

图3 耐张塔型式示意图

本文中结合两种处理方法，对不同类型的地形，考虑不同的地面倾角和导地线高度，由此更加全面的反应整个线路的防雷性能。

1.8 全线雷击闪络率的计算

根据IEEE std1243-1997给出的结论，全线雷击闪络率按如下公式计算：

Tn—典型区段雷击闪络率。

Ln—典型区段的长度。

2 计算软件开发

根据以上分析，建立输电线路绕击电气几何计算模型，并开发相应软件。Excel本身具有强大的二次开发性。本文所设计雷电绕击计算系统基于Excel平台。

软件界面如图1所示。表格中实现基础数据的录入，VBA中实现计算过程。该软件应用方便，可以方便的进行不同地线保护角下，不同地形下，雷电绕击闪络率的计算。

3 计算案例

线路实际绕击闪络率需长期运行观测及积累。本文以某条500kV线路为例进行计算。线路基本情况见表1。直线塔型式如图2所示，耐张塔型式如图3所示。

将以上数据输入计算程序，得到不同地形下雷电绕击率，根据公式（4）进行加权，得到全线绕击率，计算结果见表2。

表2 雷电绕击率计算结果

根据参考文献[5]中雷电反击计算方法，该线路反击跳闸率在0.124次/（100km·a）。因此，该500kV线路全线雷击跳闸率为0.392次/（100km·a）。该结果与山区线路运行经验基本一致。

结语

（1）雷电绕击输电线路是一个非常复杂的物理过程。目前，绕击率的计算一般使用电气几何模型。该模型与先导模型相比，虽然忽略了物理过程上的细节，但是计算结果仍可以反映线路的运行绕击情况。

（2）在电气几何模型中，对于超﹑特高压线路要考虑导线电压，可以不考虑雷电的入射角。屏蔽率的计算使用弧长比更加科学。同时，本文还给出同塔多回线路，交流线路在计算绕击率时应注意的问题。

（3）结合以往的研究结果，给出绕击率计算中地形因素的处理方法，并使用IEEE推荐公式计算整条线路的绕击率。

（4）开发绕击计算软件并与科研单位的成果进行了对比。线路的绕击率与线路的所处的自然条件紧密相关，应针对不同区域不断积累相关数据，完善模型。

[1]杜澍春.关于输电线路防雷计算中若干参数及方法的修改意见[J].电网技术，1996，20（12）：53-56.

[2]Kunihiko Miyake，Toshio Suzuki，Masao Takashima，Masao Takuma，Takashi Tada.Winter lightning on Japan sea coast[J].IEEE Transactions on Power Delivery， Vol.5， No.3， July 1990：1370-1376.

[3]张志劲，司马文霞，蒋兴良，等. 超/特高压输电线路雷电绕击防护性能研究[J]. 中国电机工程学报， 2005， 25（10）：1-6.

[4]王城钢，张仲先，潘秀宝，等.架空输电线路绕击防护的新措施[J].高电压技术，2008，34（03）：620-624.

[5]DL/T 620-1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].

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