跨越天山山区的750 kV 输电线路雷击风险评估

董新胜，张 东

(国网新疆电力公司 电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐830011)

0 引言

随着新疆电力的发展，电网规模和复杂度在不断提高，其安全运行隐患也日趋严重。特别是随着气候的变化，新疆电网的雷击事故呈现逐年增多的趋势。尤其是处于伊犁的天山山区雷电活动较为频繁，使跨越天山山区的220 kV 输电线路遭受雷击而跳闸。750 kV 伊苏输电线路2013 年投运，该线路起自乌苏市西大沟乡的750 kV 开关站，止于尼勒克县苏布台乡西侧约2 km 的750 kV伊犁变电站。线路共有杆塔539 基，线路档距平均为480 m。其中耐张杆塔全部采用铁塔，铁塔呼高41～82 m。该线路大部通过天山山区，杆塔较高，雷击风险较大，因此，有必要进行防雷评估，以降低雷击对电网的威胁。

1 线路防雷风险评估影响因素

线路雷击跳闸率与线路走廊内的雷电活动有极大的关系［1］，而线路走廊内的雷电活动强度由雷暴日、地闪密度和雷电流幅值分析概率等组成，根据雷电定位系统对雷电活动的监测和统计研究，一条线路走廊内的雷电活动强度也存在较大差异。因此在防雷评估中不能利用一个地区统一的雷电参数［2］，而应当根据雷电定位系统的统计数据来分析。同时不同类型的线路杆塔结构的避雷线保护角不同，绝缘子片数不同会影响线路的耐雷水平，接地装置不同会影响接地电阻的大小，进而整体影响线路的耐雷水平，所以线路杆塔结构在防雷评估中也应当有所考虑。现有绕击计算方法中对地面倾角及风速的考虑都较多，认为地面倾角对线路的绕击有较大的影响。而不应当把地形分为简单的山区平原，特高压的跳闸率中绕击占较大的部分，在特高压线路的评估中应当充分考虑地形因素的影响。

2 线路雷击跳闸率计算

2.1 线路反击跳闸率计算

计算线路反击跳闸率应当先计算线路反击耐雷水平，线路反击耐雷水平计算方法较常用的有规程法和ATP-EMTP(电磁暂态仿真)法，下面利用这两种方法分别计算线路的耐雷水平。

根据DL/T620-1997 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中杆塔反击耐雷水平计算公式:

式中:U50%为绝缘子50%放电电压;ha横担对地高度，m;ht杆塔高度，m;hg避雷线对地平均高度，m，为避雷线高度-2/3 避雷线弧垂;hc导线对地平均高度，m，为避雷线高度-2/3 避雷线弧垂;k导线间耦合系数，取电晕修正后的数值;β 杆塔分流系数;Ri杆塔冲击接地电阻;Lt杆塔电感。

根据式1 计算不同杆塔的反击耐雷水平如表1 所示。

表1 不同杆塔反击耐雷水平统计表

EMTP 法与规程法的不同之处在于对杆塔上雷电流传播时的模拟不同，750 kV 输电线路杆塔较高，结构较复杂，单一等值电感模型往往不适于此类杆塔［3，4］。EMTP 法可以采用多波阻抗模型计算杆塔的反击耐雷水平，相对于规程法的单一等值电感模型，多波阻抗模型可以考虑雷击杆塔时雷电流在杆塔上传播时的反射及杆塔上不同点电位对绝缘子串上过电压的影响［5］。

杆塔不同位置的波阻抗计算方法不同，垂直圆柱体的波阻抗值主要依赖于该处导体的半径和对地高度［6］，可以根据式(2)来描述垂直导体的波阻抗。

式中:r 和h 分别为圆柱体的半径和圆柱体顶端距地垂直高度。

对于n 根平行圆柱体组成的系统，第k(k=2～n)根圆柱体的自波阻抗ZT-kk和第k 根与第l 根之间的互波阻抗ZT-kl可表示为式(3):

式中:Rkl为第k 根与第l 根导体间的距离。则系统总的波阻抗如式(4)所示:

然后根据上述计算方法计算杆塔各段的波阻抗，利用EMTP 建立750 kV 伊苏线常用的塔型为ZB231P 的计算模型见图1。

图1 ZB231P 杆塔EMTP 模型

根据不同的杆塔高度建立不同的EMTP 反击仿真模型。由于750 kV 运行电压占绝缘子闪络电压较高，在计算中应当考虑工频电压的影响。然后不断调整工频的角度和雷电流的大小，依次得出不同杆塔高度时使绝缘子闪络的最小闪络电流。

图2 和图3 给出杆塔高度为50 m 初始相角30°雷电流320 kA 和330 kA 时导线上雷电过电压的波形图。

从图中可以看出，杆塔高度50 m 初始相角30°雷电流320 kA 时绝缘子没有闪络;当雷电流增大到330 kA 时绝缘子发生了闪络，此时可以取杆塔的反击耐雷水平为325 kA。

由于杆塔高度有多种，其他高度的杆塔的反击耐雷水平计算过程与50 m 高杆塔的计算方法相同，计算得出不同杆塔高度的反击耐雷水平结果如表2 所示。

图2 320 kA 时导线波形图

图3 330 kA 时导线波形图

表2 不同高度杆塔反击耐雷水平统计表

雷击时工频电压瞬时值按相角均匀分布考虑［7］。在计算中将1 个工频周期的相角划分为n1个相角区间，由此计算线路耐雷水平概率P 如式(5)所示

式中:Pj为线路在不同的工频相角区间内的耐雷水平概率;n1为划分的n1个相角区间。n1一般取12，仿真中需分别计算12 种相角状态下的耐雷水平，然后根据式(5)计算线路的反击耐雷水平。

线路的反击跳闸率计算公式如式(6)所示

式中:NL为线路每100 km·a 的落雷次数，其值的选取根据新疆雷电监测系统2010～2013 年的统计数据;η 为建弧率;P1为计及工作电压的统计耐雷水平概率;g 为击杆率，建弧率η 为1。

规程法计算得出的反击跳闸率最大为0．461 3次/百km·a，平均为0．042 13 次/百km·a。EMTP法计算反击跳闸率最大为0．089 8 次/百km·a，平均为0．033 18 次/百km·a。从上述分析可以看出，规程法计算得的反击跳闸率较高，与运行经验不相符合，不宜在防雷评估中应用。

2.2 线路绕击耐雷水平计算

目前我国输电线路的雷电绕击系统设计及其性能估算，以电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》为依据。该标准认为:雷电绕过避雷线直击导线的概率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及线路经过的地形、地貌、地质条件有关，平原和山区线路的绕击率与保护角和杆塔高度的关系如下:

平原线路:

山区线路:

式中:Pα为线路绕击率;α 为线路保护角;h 为杆塔高度。

在利用导线波阻抗计算线路绕击耐雷水平如式(9)所示［8］

式中:Zc为导线波阻抗，约为300 Ω。前苏联科学家通过观测和分析得出雷电通道的等值波阻抗Z0在300～3 000 Ω 间变动。雷电流小于5 kA 时，Z0值约为数千欧;雷电流处在5～30 kA 范围时，Z0值为900～600 Ω。从严考虑，取Z0=900 Ω，由彼德逊法则，得

即U=IZc/2．33

根据750 kV 线路绝缘子U50%闪络电压为3 100 kV，计算得出750 kV 线路的绕击耐雷水平为24．1 kA。

计算得出线路绕击耐雷水平后，分别根据规程法和改进电气几何模型法计算线路绕击跳闸率［9］。改进电气几何模型法考虑了击距系数和地面倾角的影响，可以客观衡量不同地形下线路遭受雷击的情况。改进电气几何模型法介绍较多［10，11］，这里不再介绍，利用规程法计算线路绕击率最大为0．140 3 次/百km·a，平均为0．043 4次/百km·a，而且平原地区的平均为0．030 5次/百km·a，山区平均为0．063 8 次/百km·a;利用改进电气几何模型法计算线路最大绕击率为1．162 2 次/百km·a，平均为0．078 8 次/百km·a，同时在计算中发现平原地区的绕击率基本为0，绕击严重地区集中在山区和大档距线路段。从以上分析可以看出，规程法不能有效反映地形地势的影响，所以在防雷评估中推荐采用改进电气几何模型法。

3 线路雷击闪络风险评估

根据国家电网公司发布的《110(66)kV～500 kV 架空输电线路管理规范》及相关研究和实际运行经验，750 kV 线路雷击跳闸率取500 kV 的80%，《110(66)kV～500 kV 架空输电线路管理规范》中各电压等级线路的雷击跳闸率(归算到40 个雷暴日，2．78 次/(km2·a))，500 kV 应达到如下指标:0．14 次/百km·a。因此，750 kV 伊苏线线路走廊的地闪密度取2．9 次/(km2·a)，对应的雷击跳闸率指标值为0．11 次/百km·a。按照以往750 kV 超高压线路的运行经验，绕击占90%、反击占10%，因此将750 kV 伊苏线绕击跳闸率指标值定为0．099 次/百km·a反击跳闸率指标值定为0．011 次/百km·a。根据跳闸率指标，实际跳闸率在跳闸率指标50%以下的防雷评估为优，等级为A;实际跳闸率在跳闸率指标50%以上100%及以下的防雷评估为良，等级为B;实际跳闸率在跳闸率指标100%以上150%以下的防雷评估为中，等级为C;实际跳闸率在跳闸率指标大于150%以上的防雷评估为差，等级为D;风险评估等级划分指标如表3 所示。

表3 750 kV 乌苏—伊犁线雷击闪络风险评估等级划分指标

对各基杆塔的雷击闪络风险划分为A、B、C、D 的目的是将各杆塔绕击、反击防雷性能的相对强弱更为直观的表示出来。其中A 与B 为合格，C 为略不合格，D 为严重不合格。

3.1 反击闪络风险评估结果

沿线逐基杆塔反击跳闸率计算结果如图4 所示。反击A、B、C、D 各级的杆塔数量分别为469 基、0 基、0 基、69 基，比例为87．17%、0．00%、0．00%、12．83%，也即有87．17% 的杆塔具有相对较好的防反击性能，有12．83%的杆塔反击防雷性能不理想，反击闪络风险偏高。反击风险偏高的杆塔主要集中在前200 基杆塔，约占到90%，这部分杆塔主要位于山上，剩下的10%风险较高主要是在大跨越段。

图4 不同杆塔反击跳闸率

3.2 绕击闪络风险评估结果

沿线逐基杆塔绕击跳闸率计算结果如图5 所示。绕击A、B、C、D 各级的杆塔数量分别为384 基、26 基、19 基、109 基，比例为71．38%、4．83%、3．53%、20．26%，也即有76．21% 的杆塔具有相对较好的防绕击性能，有23．79%的杆塔绕击防雷性能不理想，绕击闪络风险偏高。绕击风险偏高的杆塔主要集中在前200 基杆塔，约占到92%，这部分杆塔主要位于山上，剩下的10%风险较高主要是在大跨越段和杆塔比较高的线路段。

图5 不同杆塔绕击跳闸率

3.3 雷击闪络风险评估结果

沿线逐基杆塔雷击跳闸率计算结果如图6 所示。雷击A、B、C、D 各级的杆塔数量分别为383 基、26 基、19 基、110 基，比例为71．19%、4．83%、3．53%、20．45%，也即有76．02% 的杆塔具有相对较好的防反击性能，有23．98%的杆塔绕击防雷性能不理想，绕击闪络风险偏高。

图6 不同杆塔雷击跳闸率

4 改造措施

综合上述分析，根据运行经验并结合各种防雷措施的优缺点和适用范围，在对750 kV 乌苏～伊犁线进行防雷改造时，建议主要采用安装防绕击避雷针以及线路氧化锌避雷器两种措施进行防雷改造。

(1)安装防绕击避雷针

750 kV 乌苏～伊犁线位于山区部分线路走廊地形条件相对比较复杂，山顶及大档距杆塔较多，因此针对绕击闪络风险位于C 级和D 级的杆杆塔，本报告中建议安装1 支或2 支可控针作为防绕击措施。

(2)安装线路氧化锌避雷器

受到地形地貌、地闪密度、杆塔结构等复杂因素的影响，750 kV 乌苏～伊犁线部分杆塔的绕击和反击风险等级相对较高。因此本报告建议对于反击风险为C 级和D 级的杆塔安装线路氧化锌避雷器。

5 结论

应用规程法和EMTP 法对线路的反击跳闸率进行了计算，用规程法和改进电气几何模型法对线路的绕击率进行了计算，计算结果表明，规程法不适合于750 kV 线路防雷评估的应用。

利用雷电分布图逐基计算了750 kV 伊苏线在反击及绕击雷击闪络风险。结果表明有76．02%的杆塔具有相对较好的防反击性能，有23．98%的杆塔绕击防雷性能不理想，绕击闪络风险偏高。

本次综合防雷改造主要考虑降低线路的绕击跳闸率。选用安装线路避雷器和安装侧向避雷针作为此次防雷改造的主要改造措施。同时，建议运行单位对部分接地电阻未达到要求的杆塔结合线路的评估结果进行接地改造。

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