新疆750kV输电线路雷击评估及防护研究

新疆大学电气工程学院 梁继存 何 山

国家电网公司新疆电力科学研究院 董新胜

新疆大学电气工程学院 王 松 李朋宇 郭福涛 王 杰 陈先飞

0 引言

新疆地区将逐渐形成750kV输电线路基本网架，其电压等级高，输电线路一旦遭受雷击引起跳闸，不但影响电力系统的稳定有效供电，增加输电线路及开关设备的维护及检修工作量，而且雷电波还会沿输电线路侵入变电所，造成设备的损坏。由于输电走廊的气象、地形、地貌、雷电活动规律及线路本身的防雷设计和绝缘水平的不同,雷击引起的故障原因各不相同，对特定的输电线路无针对性采取防雷措施,既浪费又难以达到良好的防雷效果。因此，针对新疆某750kV输电线路，通过计算统计选取针对性的防雷技术措施，以达到减少雷击跳闸提高供电可靠性的目的。

1 新疆电网雷电监测系统

新疆2010年开始建立雷电监测网，并逐步对雷电监测站进行布置，重点覆盖了750kV输电线路。雷电监测定位系统能够对所处地域的雷电情况进行实时监测，能监测到的雷电流幅值范围是1.5-800kA（误差不足10%），而且能够确定每次雷电发生的时间、地点、极性（正确率在99.5%以上）、回击次数以及接受到的雷电波的波形特征参量。探测站误差时间不足1μs。针对平原地带而言，单个探测站探测半径是200km、探测效率设为80%及以上，针对山区地带来说，单站探测半径是150km、探测效率设为90%及以上，探测误差小于0.7km。

2 雷击跳闸率计算方法

2.1 雷电过电压的种类

架空输电线路的雷电过电压主要有2种:感应雷电过电压和直击雷过电压。750kV输电线路绝缘水平高,感应雷过电压幅值一般低于400kV，不会造成线路闪络，在计算其耐雷水平时，一般不考虑感应雷电过电压的影响，而把重点放在直击雷的防护上。直击雷过电压按雷电击中线路设备的位置不同分为反击和绕击。

图1 750kV输电线路部分仿真模型

2.2 反击跳闸率计算方法

计算750kV输电线路反击跳闸率时，利用ATP-EMTP仿真软件，以750kV输电线路杆塔型号为依据，建立输电线路的多波阻抗仿真模型，如图1所示。雷电流用负极性、双指数波，波形是2.6/50μs，通过调整雷电流的大小，通过仿真确定不同高度杆塔反击耐雷水平，如表1所示。

表1 不同高度下杆塔反击耐雷水平

在雷击情况下，工频周期每一个相角范围内具有相等的雷击概率。可以将其等分为n1个范围，则反击耐雷水平概率P可以用统计法得到如下式：

式(1)中：Pj-输电导线各个相角范围耐雷水平概率；n1-单个工频周期进行n1等分。

计算反击跳闸率时，雷电日值为40d，则0.07次/(km2•a)为与之对应区域的地面落雷密，那么输电线路每100km•a的落雷次数如下式：

式(2)中：hT-塔高，m；b-两根地线间距，m；Td-输电线路所在区域的雷暴日；γ-地面落雷密度；η-建弧率，其值取为1。

线路的反击跳闸率计算式为：

式(3)中：NL-线路每100km•a的落雷次数；η-建弧率；P1-考虑工作电压下的统计耐雷水平概率；g-击塔率。

2.3 绕击跳闸率计算方法

输电导线的波阻抗Zc取值大约是300Ω，750kV输电线路上绝缘子的50%闪络电压U值是3100kV，由式(4)可得值24.1kA即是750kV输电线路的绕击耐雷水平。

对于输电线路绕击情况，可综合考率输电线路杆塔的地面倾角θ及击距系数k，对EGM（电气几何模型）改进，如图2所示，进而计算绕击跳闸率。

图2 改进的电气几何模型

击距公式：

式(5)中：I-雷电流幅值，kA；rs-击距，m。

击距系数：

式(6)中：hc-导线对地平均高度，m；k-击距系数。

受雷宽度：

式(7)中：b-避雷线间距，m；h-避雷线平均对地高度，m；B-受雷宽度。

临界击距：750kV输电线路的临界击距rsc可以由其绕击耐雷水平I1来确定，由式(5)易得：

绕击率：

式(9)中：Pα-线路绕击概率；x-雷电流作用下相导线闪络的空间位置的条件概率；p(i)-某雷电流i的概率分布密度；I-雷电流。

线路绕击跳闸率：

式(10)中：NL-雷击次数/100km a，NL=Td γB/1000*100；Td-输电线路所在区域雷暴日；γ-地面落雷密度；B-输电线路受雷宽度；η-绝缘子闪络后建弧率。

3 输电线路雷击风险评估

3.1 线路概况

新疆某750kV输电线路，为新疆电网雷电监测系统雷电监测覆盖范围内，本线路所经过的区域地形一半是戈壁草场，另一半则为山地，海拔高度在300～2500m之间。此输电线路杆塔数目一共539基，直线塔型号主要为ZB型；耐张塔型号有JG型，其中杆塔高度最高为80m，最低42m，线路档距平均距离是480m，所有耐张杆塔均应用的是铁塔。线路导线全部为6分裂导线，型号是LGJ-400/50，线路全部架设双避雷线，避雷线种类一根是普通地线，普通地线型号为1*19-13.0-1270型镀锌钢绞线，一根为OPGW，OPGW型号为OPGW-120，线路绝缘子包括：导线绝缘子和减少地线损耗用的地线绝缘子，其中导线绝缘子有瓷质、合成、玻璃绝缘子三种，瓷质绝缘子型号为U210BP/170T，玻璃绝缘子型号为U420B/205，复合绝缘子型号为FXBW-750，其中复合绝缘子的雷电冲击耐受标称放电电压为2700kV，地线绝缘子采用的是型号为XDP-100C的绝缘子。根据雷电监测系统提供数据，线路走廊雷电活动典型参数统计见表2。

表2 典型雷电参数年平均值

3.2 评估等级的确定

根据前面介绍的雷击跳闸率计算方法，反击采用EMTP进行计算，绕击采用改进的EGM（电气几何模型）进行计算。对输电线路跳闸率进行逐基计算，根据计算结果对其划分为A、B、C、D四个等级，其中A、B代表雷击防护合格，C、D分别代表雷击防护不合格和严重不合格。750kV输电线路区域走廊的地闪密度取2.9次/(km2•a)，与之相应的雷击跳闸率是0.11次/百公里•年。依据从前其它750kV特高压输电线路运行的实际情况，90%的绕击、10%的反击，则针对本次评估，把0.099次/百公里•年定作绕击指标，把0.011次/百公里•年定作反击指标。具体风险评估等级划分指标如下表2所示。

表2 某750kV输电线路雷击风险评估等级划分指标

3.3 输电线路雷击评估结果

图3显示的是整条线路不同反击等级下的杆塔数目，雷电反击级别为A、B、C、D塔数目分别是470基、0基、0基、68基，就是说87.36%的杆塔防雷电反击性能是相对比较好的，12.64%的杆塔防雷电反击性能相对较差，雷电反击闪络风险较高。雷电反击风险偏高的杆塔主要在前200基杆塔相对集中，比例接近90%，这些杆塔所在位置主要为山上，大跨越段是另外的10%雷电反击风险较高的原因。

图4显示的是整条线路不同绕击等级下的杆塔数目，雷电绕击级别为A、B、C、D塔数目分别是385基、27基、18基、108基，就是说76.58%的杆塔防雷电绕击性能是相对比较好的，23.42%的杆塔防雷电绕击性能相对较差，雷电绕击闪络风险较高。雷电绕击风险偏高的杆塔主要在前200基杆塔相对集中，比例接近92%，这部分杆塔所在位置为山上，大跨越和杆塔比例较高是另外8%雷电绕击风险较高的原因。

图5显示的是整条线路不同雷击等级下的杆塔数目，雷击级别为A、B、C、D塔数目分别是384基、27基、18基、109基，就是说76.39%的杆塔防雷电反击性能是相对比较好的，23.61%的杆塔防雷电绕击性能相对较差，雷击风险较高。

图3 反击等级下的杆塔数目

图4 绕击等级下的杆塔数目

图5 雷击等级下的杆塔数目

3.4 结果分析

对于750kV输电线路来说，通过以上的结果得知，输电线路杆塔遭受雷电反击跳闸率很低，跳闸率大于0.0500次/.百公里•年的杆塔不到10个，所以，因为雷电反击而引750kV起线路跳闸可能性很小。

从评估结果可以看出，雷电绕击率大于0.1000次/百公里•年的约有100基杆塔，并且有些杆塔反击跳闸率较高的同时绕击跳闸率同样也高。由此可知750kV线路雷击危害主要由绕击造成的，在输电线路防雷防过程中应当将绕击放在第一位。

3.5 雷击防护措施

新疆某750kV输电线路评估结果中，易发绕击线路走廊区域多在山区，其走廊的地形、地貌、气候等影响绕击率因素相当复杂，位于山顶的塔和大档距的塔十分多，所以，非常有必要对绕击闪络风险高的塔采取防绕击措施，措施如下，级别为C的塔可以装上1支防绕击避雷针，级别为D的塔可以装上2支防绕击避雷针。

在包含地形、气候、塔结构等多种因素的影响下，从评估中并结合实际线路的经验，不难看出依然存在少数塔的绕击和反击风险等级均高的情况。与绕击相比，虽然反击不是线路跳闸的主导因素，为了达到较好的综合防雷效果，对反击风险较高的线路采取防雷措施依然不可或缺。措施如下：将线路氧化锌避雷器安装在这样的塔上，塔的反击等级为C和D。

4 结束语

以新疆雷电监测系统所提供的数据，根据750kV输电线路具体概况，对其进行雷击风险评估，并对结果进行分析，得出新疆某750kV输电线路防雷防过程中应当将绕击放在第一位。对绕击风险较高的杆塔，提出安装防绕击避雷针的措施，兼顾雷电反击，反击风险较高杆塔上安装氧化锌避雷器的措施。

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