高压直流单回输电线路耐雷性能研究

王恒康1，王佳灿1，高洛宜，何发玺

(1.云南电网有限责任公司丽江供电局，云南 丽江 674100；2.云南宇恬防雷材料有限公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

近年来，中国大力发展直流输电线路，其中高压直流输电线路比例显著增加，线路的雷击事故也随着增加[1-2]。雷击线路不仅会影响电网的稳定运行，也会给人民的财产和生命带来危害，因此对高压直流输电线路的耐雷性能进行分析，并提出合理的耐雷措施具有重要的研究价值[3]。

输电线路耐雷性能的研究方法经历了几个重要阶段，从最开始的以考虑感应雷为主[4]，到运用行波理论来计算绝缘子串电压分布[5]，再到采用模拟实验、理论分析和现场测试等技术开展线路初步耐雷性能分析[6-7]，以及到现在的利用模拟试验、现场实测、概率统计、计算机模拟计算等方法综合分析计算线路耐雷性能等多个阶段[8-9]。通过线路运行多年的总结经验以及相关学者的理论分析结果可以得出：500 kV及以上的输电线路由于自身绝缘强度设计裕度比较大，跳闸率中绕击占比较大；而针对占比较大的110 kV和220 kV高压输电线路，由于绝缘强度裕度相对比较小，雷击跳闸以反击为主[1-2，7，9]。

针对线路反击和绕击有多种分析方法，但每种方法都有其对应的适用条件，因此对线路耐雷水平进行研究时需要考虑具体的现场运行环境，建立合适的反击和绕击模型[12-13]。针对跳闸率高的线路，需在耐雷性能水平理论研究的基础上提出了多种措施，但此类方法的效果也是参差不齐[14，16]。

下面建立了较为精确的杆塔反击和绕击闪络模型，并依据此模型分析了两种杆塔线路的雷击跳闸率，最后定量研究了避雷器对线路跳闸率的影响。

1 线路的耐雷性能分析模型

1.1 线路反击闪络模型

利用EMTP软件建立基于行波法的反击闪络模型，并采用2.5/50 μs的标准雷电波。为了模拟的准确性，将高压直流输电线路塔身分为多段，并在程序中设置随频率变化的线路阻抗，如图1所示。闪络判断依据以绝缘子的U50%值来判定，并考虑杆塔接地装置的冲击阻抗和雷电感应电压的计算。

采用基于行波法的EMTP程序来计算输电线路反击耐雷水平IFOC，结合对线路走廊雷电参数的统计结果，根据规程推荐的方法计算反击跳闸率nSF为

nSF=NLηg[P(I>IFOC)]

(1)

式中：NL为百公里长度的落雷总次数；η为建弧率；g为击杆率，按照规程规定取值；P(I>IFOC)为大于IFOC的雷电流概率密度函数。

图1 线路杆塔及其等效模型

1.2 线路绕击闪络模型

在之前研究模型中，很少有考虑先导入射角度和杆塔在地面的倾角等因素对绕击的影响，这里同时考虑这两种情况的共同作用，示意如图2所示。

图2 高压直流线路绕击耐雷性能分析模型

在文献[17]和文献[18]对绕击闪络分析的基础上，考虑先导入射角ψ和地面倾角等因素的影响，得出发生绕击闪络的概率。

导线C1的绕击闪络概率为

(2)

导线C2的绕击闪络概率为

(3)

线路的总绕击闪络概率为

SFFORC=SFFORC1+SFFORC2

(4)

式中：Ng为地闪密度；Imin为最小的绕击发生电流；Ic为绕击的临界雷电流；I为绕击闪络时的最大电流；L为垂直于雷电入射方向的导线的暴露投影距离；

p(ψ)为先导入射角ψ的概率密度分布函数；P(I)为I的概率密度函数；IC1max和IC2max为两导线绕击的最大雷电流；φ1和φ2为导线C1的先导入射方向的最小和最大角度；φ3和φ4为导线C2的先导入射方向的最小和最大角度。

根据规程法可以计算出线路的绕击跳闸率为

nFFOR=NLηSFFORC

(5)

故总的线路跳闸率为

n=nSF+nFFOR

(6)

2 线路雷击跳闸率分析

2.1 高压直流单回输电线路参数

搭建±500 kV单回线路模型，相关参数见表1。

2.2 杆塔线路的雷击跳闸率

1)杆塔线路的反击跳闸率

针对负极性的雷电，正极导线更容易发生反击。

表1 ±500 kV单回线路相关参数

因此这里主要计算雷击正极性线路的情况，计算结果如表2所示。雷暴日和地闪密度对跳闸率有直接的影响，反击跳闸率与雷暴日和地闪密度的乘积成正比；反击跳闸率与杆塔接地电阻正相关。

2)杆塔线路的绕击跳闸率

依据第1.2节相关理论，计算线路的绕击跳闸率，由表3可知，杆塔的倾斜角与绕击跳闸率正相关，倾斜角越大意味着暴露弧的面积越大，绕击负极性线路时的跳闸率为0。

3)杆塔线路的雷击总跳闸率

由表2至表5的计算结果可知，反击跳闸率随接地电阻的增大而增大，绕击跳闸率随地面倾角的增大非线性增大。线路跳闸率随地闪密度增加线性增大。500 kV线路工作电压的极性对跳闸率也有明显影响，负极性雷电反击正极性线路时线路反击耐雷水平更低，跳闸率更高；负极性雷电绕击正极性线路时线路绕击耐雷水平高于负极性，但正极性导线对雷电先导的击距明显大于负极性导线：因此正极性导线绕击跳闸率更高，负极性较小。

表2 杆塔反击跳闸率(正极性线路)

表3 杆塔绕击跳闸率(正极性线路)

表4 杆塔绕击跳闸率(负极性线路)

表5 杆塔总跳闸率(正极性线路)

3 避雷器对线路耐雷性能影响分析

加装线路型避雷器是防止雷击线路跳闸的最有效措施之一。但一般而言加装避雷器只能对所加装相有较好的保护作用，对其他相邻杆塔和本杆塔其他未加装相影响很小。线路型避雷器一般只装设在某些雷击跳闸率严重偏高的杆塔上，例如山区地面倾角过大处、杆塔接地电阻过高处、转角塔、保护角过大或特高杆塔等处。依据前述计算结果，正极性导线跳闸率更高，因此分析中主要针对正极性线路加装避雷器的情况。依据上述分析，将单回输电杆塔的正极导线加装避雷器，参数见表6。

表6 单回线路加装线路避雷器

图3 避雷器伏安特性曲线

3.1 单回线路反击耐雷水平

表7为避雷器对反击跳闸效果的影响(正极性线路)。

由表7的计算结果可知，加装避雷器后，反击耐雷水平增加了32.5%。雷电反击的耐雷水平均大于400 kA，高于400 kA的雷电概率几乎为0。

3.2 单回线路绕击耐雷水平

表8为加装避雷器前后线路绕击耐雷水平的比较(绕击正极性线路)。

表7 避雷器对反击跳闸效果的影响(正极性线路)

由表8的计算结果可知，加装避雷器后，该杆塔的绕击耐雷水平大幅度提高，绕击耐雷水平提高了162.3%。

表8 加装避雷器前后线路绕击耐雷水平的比较(绕击正极性线路)

4 结 语

1)搭建了以杆塔波阻抗为基础的反击闪络模型以及考虑地面倾角和接地电阻作用的绕击闪络模型，提高了模型计算的准确性。

2)依据具体运行杆塔模型，研究了雷暴日、地闪密度和接地电阻对反击跳闸率的影响规律，同时也分析了雷暴日、地闪密度和倾角对绕击跳闸率的影响规律。

3)线路设置避雷器后，线路的反击和绕击耐雷程度各增加了32.5%和162.3%，线路总跳闸率明显下降。