复杂地形线路绕击跳闸率计算及防雷治理

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(1.国网冀北电力有限公司 检修分公司大同分部,山西 大同 037006；2.国网山西省电力公司 大同供电公司，山西 大同 037000)

0 引言

在我国高压输电线路故障中，雷击故障占40%～70%，且绝大多数为雷电绕击[1]。以冀北电力有限公司运维的500 kV输电线路为例，2016年共发生线路故障26次，雷击故障13次且均为绕击，占故障总数的50%，已严重影响线路的安全运行。

为了降低500 kV输电线路雷击引发的设备故障，大同运维分部严格落实输电线路防雷差异化治理要求。在大力降低杆塔接地电阻的基础上，还采取在耐张塔上安装可控避雷针，直线塔安装防绕击侧针，局部山区雷击易发区段安装地线防绕击针和线路避雷器的综合治理措施[2]。但是可控避雷针、防雷侧针以及地线防绕击针等装置防雷绕击效果并不理想，仅有加装线路避雷器的杆塔从未发生过雷击闪络故障。

尽管500 kV线路避雷器防雷电绕击跳闸效果较好，但是成本较高。尤其是在复杂的山区，安装避雷器将会面临设备大，体积重，人工成本高等问题。倘若安装不合理，不仅会造成资源浪费，而且也难以发挥防雷害的作用。如何在已安装防雷装置的线路上，合理制定避雷器安装方案，已成为电网运维单位重要的研究课题。

1 线路选定

随着雷电定位系统广泛应用，各网省公司绘制了输电线路雷害风险分布图，并给出相应的使用原则，为运检单位线路防雷改造提供了指导建议[3-4]。2012年4月，冀北电科院根据华北地区2003-2011年500 kV输电线路途经地区的落雷密度、雷害程度绘制并发布了雷害分布图[5]，之后每年对其修订，见图1。

图1 冀北电网500 kV线路雷害分布图Fig.1 The 500 kV transmission lines lightning hazard maps of Jibei power grid

由图1可知，冀北电网输电线路雷害分为四个等级，雷害程度从一到四逐级递增。大同分部运维的神保双线大多数杆塔位于四级雷害易发的高山大岭。由于神保二线已利用电网雷害分布图在绕击跳闸率较高的杆塔上布置了线路避雷器，并取得很好的防雷效果[5]，而神保一线并未进行防雷优化设计且连续两年发生雷击跳闸。因此，本文笔者神保一线四级雷害区内的杆塔作为研究对象。

2 山区杆塔绕击跳闸率计算关键点

2.1 电气几何模型分析法

电力标准DL/T620虽然给出了根据杆塔高度和保护角计算绕击跳闸率的经验公式[6]，但是该方法计算出的同类型塔在不同的山区绕击跳闸率几乎相同，计算结果与实际存在较大偏差。因此本文采用改进电气几何模型，充分考虑了雷电流、地形、塔高、档距、保护角等因素的影响，准确计算出不同杆塔雷电绕击概率[7-9]，为线路差异化治理提供了理论依据。

图2 改进电气几何模型Fig.2 The improved electro-geometric model

2.1.1 击距与击距系数计算方法

击距是实现电气几何法对输电线路绕击建模的基础。击距rS与rg可按照IEEE推荐的公式(1)计算[10]：

(1)

根据公式(1)可以求得，电流与击距的关系：

(2)

在考虑地面倾角为θg时，最大击距的通用计算公式为[11]

(3)

式中：F=(rg/rS)2-sin2(θs+θg)；G=F×[(h-y)/cos(θs+θg)]2

2.1.2 雷电流分布描述

(4)

则雷电流概率密度函数为[12]

(5)

2.1.3 绕击闪络率计算

绕击闪络率Pr是当雷电流击距出现在允许击距和最大临界击距之间时，导线被雷电绕击且发生闪络的概率。计算方法见式(6)[13]：

(6)

式中，起始绕击雷电流值可按照IEC标准公式求得导线耐雷水平[16]，Ic=2U50%/Zc，Zc=250 Ω；最大绕击雷电流Imax，可由式(2)和(3)求得。

2.1.4 绕击跳闸率

将左右两侧导线绕击闪络率之和折算至线路100公里跳闸次数[14-16]，即为线路绕击跳闸率(单位：次/100 km·a-1)：

Nr=0.1×Ng×(Pra+Prc)

(7)

式中：Ng为平均落雷密度(单位：次/100 km·a-1)，依据冀北电科院统计数据，2014年神保双线四级雷害区落雷密度为2.87次/km2·a-1；Pra和Prc分别为导线左相和右相绕击闪络率。

2.2 重要参数的取值

2.2.1 线路离地高度和坡角的影响

由上节可知，导、地线离地距离和垂线路方向的地面倾角是电气几何分析中的重要参数，其值的变化将会引起线路绕击跳闸率的变化。为获取线路海拔高度和相应的坡角，可将导线档段分为多段，测得沿线路各提取点对应的海拔高度以及垂线路方向的地面倾角[7]。

2.2.2 档距弧垂的影响

超高压输电线路档距较大时，导地线弧垂相对较大，导线对地距离也随之发生变化，档段中不同位置的绕击闪络率也有所差异。因而本文在计算导线档段绕击闪络率时，先按一定步长对档段各处分别计算，然后再加权平均[16]。

由于架空导线档距较大，导线材料的刚性影响可以忽略不计，且导线载荷为均匀分布，可将导线悬挂形状认为是“悬链线”。通常悬挂曲线采用双曲线方程进行描述，但其运算较为复杂，因此在工程计算中往往采用平抛物线公式计算导、地线弧垂[17]。如图3所示，若坐标原点O位于杆塔导线悬挂点，其公式为

(8)

图3 弧垂计算示意Fig.3 Schematic diagram of sag calculation

式中：fsx为导线任意点弧垂；l为档距;x为档距中的任意点对弧垂坐标原点的距离;fsm为导线在某温度下的最大弧垂。

同理，避雷线任意点弧垂公式可表达为

(9)

式中：fcx为避雷线任意点弧垂;fcm为避雷线在某温度下的最大弧垂。

导线和避雷线的最大弧垂fsm和fcm，可在线路施工图纸的“导地线架线弧垂及线夹安装距离调整表”中查找。

导线对地高度修正公式[7]：

(10)

同理，避雷线对地高度修正公式：

(11)

式中：Hc为较低杆塔避雷线悬挂点对地高度；Δh′为相邻杆塔避雷线悬挂点高度差。

2.2.3 保护角的影响

当线路两侧直线塔导、地线间距变化不大时，保护角可按公式(11)进行工程计算。

(12)

式中：D1和B1分为较低杆塔导线和地线距杆塔中轴水平距离；D2和B2为较高杆塔导线和地线距杆塔中轴水平距离。

3 复杂山区杆塔防雷性能评估

3.1 线路基本参数

500 kV神保一线四级雷害区内的杆塔均处于Ⅱ级气象区，污秽等级为b级。由于该区段内耐张塔已全部安装可控避雷针，因此只计算直线塔绕击跳闸率即可实现防雷方案的优化。该区域共有四类直线塔：ZⅠG、ZⅡG、ZⅢG和ZⅣG；导线采用4×LGJ-400/35钢芯铝绞线，分裂间距450 mm；地线为GJ-80镀锌钢绞线；绝缘采用FXBW-500/180型复合绝缘子。各类塔头尺寸及绝缘子结构高度等参数见表1。

表1 杆塔基本尺寸及绝缘配置情况Table 1 Dimension of tower and insulation coordination scheme

3.2 绕击跳闸率计算

3.2.1 导线、地线与地面相对位置

以神保一线324号-325号为例。324号与325号杆塔均采用保护角最小的ZⅢG型塔，呼称高分为27 m和30 m，海拔位于1400-1500 m之间，档距长达737米，导线跨越山谷，是典型的跨深谷杆塔。因此，在建模分析时，可采用文中所述方法[7]。先在档段内选取合适的测量点，通过GPS定位仪和全站仪，分别测得导线各观测点的海拔高度及其垂线路地面倾角，测量数据详见表2。再利用MATLAB数学工具，参照线路走廊断面图，将深谷离散的地面测量点的海拔高度进行线性模拟，形成线路地形数据库。最后根据山谷两侧杆塔基础数据及导地线弧垂公式，模拟出导地线弧垂曲线，见图4。

表2 测量结果Table 2 The measure result

图4 导地线与地面相对位置Fig.4 Relative position of conductor and ground conductor to the ground

3.2.2 地面倾角及保护角

通过现场勘查发现线路两侧地面倾角过渡较为平滑，可用表2中地面倾角数据进行线性拟合。θl为杆塔左侧地面倾角；θr为杆塔右侧地面倾角，拟合曲线见图5。

图5 地面倾角沿档距方向变化Fig.5 Change of ground elevation along the span

经计算神保一线324号和325号杆塔保护角在导线挂点处最大为11°，在档距中央最小降为7.76°,见图6。由于地线与导线的应力不同，沿线路走向在相同的位置导线弧垂大于地线弧垂，造成导线保护角随着档段弧垂的增大而减小[18]。

图6 保护角沿档距方向变化Fig.6 Change of protection angle along the span

3.2.3 绕击跳闸率计算

324号-325号档段绕击跳闸率计算结果，见图7。曲线a只考虑导地线距地面高度，并假设档段内导线保护角θs=11°和地面倾角θg=0°，计算结果随着导线离地高度的增加而增加；曲线b假设地面倾角θg=0°且导线保护角随档段变化，计算结果小于曲线a并随着档段内保护角的减小而减小；曲线c是导线保护角和地面倾角随档段变化的计算结果，受地面倾角影响其形状明显不同于曲线b。其中，325号杆塔保护角始终为11°，计算结果随着坡角的增大而增大。因此，导线跨越深谷时复杂多变的地形对其影响不容忽视，不仅会造成计算结果不均匀分布，甚至远高于两侧杆塔的绕击跳闸率。

图7 绕击跳闸率沿档距方向变化Fig.7 Change of shidlding failure flashover rate along the span between two towers

左、右侧导线绕击跳闸率计算结果，如图8所示。导线左侧绕击跳闸率小于右侧，其主要原因是该侧地面倾角大多为负值，地面对导线起到了较好的屏蔽作用。在地面倾角以及其他条件的综合影响下，左侧导线绕击跳闸率峰值出现了偏移，最大值既不在导线中央也不在导线距地最远处。因此，只计算复杂山区线路弧垂最低点或距地最远点的绕击跳闸率从而进行避雷器选点是不可取的。

图8 左右侧导线绕击挑闸率Fig.8 Shielding failure flashover rate of left and right transmission lines

4 避雷器的安装

大同运维分部选定神保一线四级雷害区地形地貌复杂的杆塔及档段作为研究对象。通过梳理线路已有防雷设施，对其中未采用任何防雷措施的杆塔及档段进行绕击跳闸率计算。随后选取导线档段绕击跳闸率均值相对较高的杆塔作为安装点。具体塔号见表3。

表3 避雷器安装表Table 3 Arrester installed sheet

2015年雷雨季节前，大同运维分部在神保一线安装了20套500 kV线路避雷器。通过连续两年观测，线路并未发生雷击跳闸，且上述20支避雷器计数器均有示数变化。这不仅说明采用上述方法布置的线路避雷器能够有效防止线路雷击跳闸，而且也证明利用电网雷害分布在跨越深谷、山区等特殊地貌杆塔上合理布置避雷器的方法是科学的和可行的。运维单位成功实现了避雷器优化安装。

5 结论

通过对神保一线复杂山区档段及两侧杆塔进行雷害综合评估并合理安装线路避雷器，笔者得出如下结论:

1)在平原或地势较为平缓地区，高杆塔是线路雷害治理的重点。按照塔型和呼称高分类对档段两侧杆塔进行绕击计算，即可快速查找到平原地区绕击跳闸率较大的杆塔。在线路治理时应推行差异化改造方针，在接地电阻满足防雷治理要求的前提下，可在呼称较低的杆塔上加装防绕击侧针或可控避雷针；在跨越高铁、高速公路等重要高跨越杆塔两侧安装线路避雷器。

2)山区线路防雷应该分层级治理[19]。不仅要对接地电阻较大的杆塔加装接地模块，还应结合地形、地貌、杆塔结构等因素对线路进行雷害评估，选取最为经济有效的防雷措施。

3)减小保护角能够有效提升线路防雷水平。改变塔头尺寸虽能减小保护角，但投入成本较高。增加绝缘子片数或安装较长的复合绝缘子等改造措施不仅能够有效提升线路的绝缘水平，而且能够改善导线防雷电绕击的能力。