500kV紧凑型线路雷电反击特性的计算研究

刘 东 马 仪 陈 磊 赵 明 许丹莉 王毅楠

(1.华北电力大学云南电网公司研究生工作站 昆明 650217;2.云南电网电力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

由于紧凑型线路具有电磁环境友好、节约输电走廊等特点，日益被推广使用［2～3］。云南电网地处高海拔地区，输电线路处在雷电活动频繁，雷暴日高。根据云南电网多年统计结果表明，雷击是造成线路跳闸的主要原因，云南电网输电线路防雷问题严峻。因此，对紧凑型线路的防雷性能进行研究，探讨进一步降低其累计跳闸的可能性，对其安全运行具有重要的实用意义。本文采用bergeron法计算高海拔地区紧凑型线路的耐雷水平和反击跳闸率。

2 雷电反击模型的建立

首先建立雷电流、线路和杆塔的等效模型，通过该模型计算雷击过程中绝缘两端的过电压波形，依据某种闪络判据对该波形进行分析，判断绝缘是否发生闪络，介于闪络与不闪络之间的雷电流临界值即为耐雷水平，最后利用耐雷水平等参数根据规程所述方法计算雷击跳闸率。目前绝缘闪络判据方法主要有三种:定义法，先导发展法和相交法。三种方法各有其优缺点。这里为计算简便起见，采取的为定义法判据。若所求得的耐雷水平为I时，则反击跳闸率n的计算公式为:

式中，η为建弧率，与平均运行电压梯度的关系可用下式表示:

式中E为绝缘子串的平均运行电压(有效值)梯度，kV/m

g为击杆率，其相应取值如下表1所示［3］:

表1 击杆率的取值

P1为超过雷击杆塔顶部时耐雷水平的雷电流概率，且

其中式(4)用于除陕南以外的西北地区和内蒙古部分地区。

雷击次数为Nl(单位次/100km·40雷暴日)，其计算公式为:

式中b为两根避雷线之间的距离(m)，h为避雷线的平均高度(m)。

目前对反击的分析方法主要有规程法、行波法和 bergeron法等，本文基于 bergeron法，对500kV紧凑型塔线路的反击特性进行了计算分析。

本文计算雷击跳闸率时采用规程规定的年雷暴日为40日。

2.1 雷电流模型

常用的典型化的雷电流等值波形有标准冲击波、等值斜角波、等值余弦波和双指数波等。在仿真计算中，我们采用2.6/50us的双指数波作为雷电流的等值波形，并取400欧为雷电通道电阻。2.6/50us的双指数雷电流等值波形的标准公式如下式所示:

式中A为与所要取雷电流幅值有关的常量。

2.2 紧凑型塔模型

在仿真计算中，采用波阻抗来建立紧凑型塔模型，将杆塔的主干、支架和横担分成几部分，分别计算其波阻抗，构成整个杆塔的模型。杆塔冲击接地电阻是影响线路耐雷水平的非常敏感的因素，我们选对杆塔冲击接地电阻对耐雷水平的影响做了分析。

图1 紧凑型塔波阻抗模型

紧凑型塔等效分布参数线路模型由三部分组成:主干、支架和横担，各部分的波阻抗表示为其尺寸和形状的函数。

图1为紧凑型塔的波阻抗模型，其中塔窗部分Za1～Za6波阻抗用支架公式计算，其余部分用主干公式计算，Rch为杆塔冲击接地电阻。

2.3 感应过电压

耐雷水平计算过程，实质就是计算导线上的过电压。在计算导线上的电压的时候，一个不能忽略的重要因素就是雷击杆塔时，杆塔对导线上的感应过电压分量。

雷击杆塔时，导线上的感应过电压的磁分量比电分量要小得多，故仅考虑电分量。则雷电流作用下杆塔处导线上的感应过电压的电分量为:

式中:β—反放电速度与光速c的比值，取为0.3。

HT—杆塔高度，m。

Hc—导线的平均高度，m。

dR—雷击杆塔时，迎面先导的长度，m。

α —雷电流陡度，kA/μs。

3 500kV紧凑型塔反击计算分析

3.1 绝缘子串与最小空气间隙的闪络比较

在紧凑型塔中，存在导线与塔窗的最小空气距离，当雷击杆塔时，有可能存在绝缘子上过电压未闪络而最小空气间隙闪络的情况。因此有必要对此进行分析，来确定哪部分先闪络。500kV紧凑型塔中，由于均压环等杆塔金具的存在，实际的绝缘子串的干弧距离为4.4米，最小空气间隙为4.2米。通过计算比较得知，最小空气间隙间的过电压值要高于绝缘子串间过电压值，而二者的闪烙电压相差不多，因此最小空气间隙将先于绝缘子串闪络。

3.2 杆塔接地电阻的影响

杆塔接地电阻降低能使雷击杆塔时的塔顶电位相应降低，提高耐雷水平，从而有效地防止反击，这是基本的防雷措施。

表2 紧凑型塔接地电阻对杆塔反击耐雷性能的影响(跳闸率单位次百公里·年)

表2、图2和图3为此紧凑型塔在不同杆塔冲击接地电阻对其耐雷水平和反击跳闸率的影响，可以看到，在山区的反击跳闸率要高于平原地区下的跳闸率，如杆塔的冲击接地电阻为15欧的情况下，平原的反击跳闸率为0.620次/百公里·年，要低于山区的反击跳闸率0.930次/百公里·年。在实际工程中，在可能条件下尽可能降低杆塔的接地电阻。

接地电阻对线路耐雷水平影响较大，接地电阻越小，跳闸率越低。得出在条件允许的情况下，应尽量降低接地电阻，进而降低反击跳闸率。

3.3 杆塔高度的影响

保持塔窗大小不变，改变紧凑型塔的主干高度，从而改变杆塔高度。表3和图4以3米一档，分别计算不同杆塔高度下的耐雷水平值。

可以看到，紧凑型塔高度与耐雷水平成反比关系，即杆塔越高，耐雷水平越低，如在杆塔高度为43.8米时，耐雷水平为101kA，而杆塔高度增加为58.8米时，相应的耐雷水平降低到90 kA。

表3 紧凑型塔高度对耐雷水平的影响

根据实际情况适当降低杆塔高度。杆塔越高，送电线路截获的雷电越多。一方面，杆塔高度越高，引雷面积增大，着雷次数增加;另一方面，雷击塔顶后沿塔传播至接地装置时引起的负反射波返回到塔顶所需时间增长，致使塔顶电位增高，容易造成反击，从而导致雷击跳闸率增加。因此，在条件允许的情况下，应尽量降低杆塔高度以降低。

4 结论

地处高海拔地区的云南电网，雷电活动频繁，严重威胁电网输电线路的安全。本文通过对高海拔地区紧凑型杆塔的研究，首先建立了杆塔的数学模型，在此模型的基础上，得出针对高海拔地区的输电线路反击特性及防范措施:接地电阻对线路耐雷水平影响较大，接地电阻越小，反击跳闸率越低，杆塔接地电阻降低能使雷击杆塔时的塔顶电位相应降低，提高耐雷水平，从而有效地防止反击;对于防止反击来说，塔杆越高，遭到雷击的概率越大，所以应尽量降低杆塔高度以降低反击跳闸率。

［1］索春梅.500kV同杆多回路线路雷电反击性能的研究［M］.东北电力大学工学硕士论文.

［2］马志坚，傅春蘅.500kV紧凑型输电线路技术应用研究［J］.电力建设，2005，26(10):26～29

［3］于幼文，金永纯.昌房500kV紧凑型输电线路中的关键技术［J］.电网技术，2003，27(1):75～77