输电线路绕击特性中雷电活动及地形地貌的影响分析

赵 磊

（郑州祥和电力设计有限公司，河南 郑州 450000）

输电线路绕击特性中雷电活动及地形地貌的影响分析

赵 磊

（郑州祥和电力设计有限公司，河南 郑州 450000）

在社会、经济不断发展的进程中，电能一直起着十分重要的能源供应作用，随着用电需求的不断增长，电力系统规模越来越大，相应地，作为整个电力系统重要构成部分的输电线路的分布范围也越来越广，路线越来越长。鉴于输电线路长期暴露于自然环境中，且途径区域的地形地貌和气候特性多种多样，其运行的安全性和可靠性极易受到外界因素影响。本文就雷电活动和地形地貌对输电线路绕击特性的影响进行了深入分析。

输电线路；绕击特性；雷电活动；地形地貌；影响

当输电线路在雷击作用下发生跳闸事故时，不但会对电力系统的正常供电造成影响，还会在一定程度上增加维修输电线路与开关设备的工作量，同时雷击产生的电流还会经由输电线路侵入变电站，很可能损害电力设备的绝缘性能，对整个电力系统的正常运行带来影响，造成巨大的经济损失。为此，十分有必要对输电线路绕击特性的影响因素进行分析，下面从分析雷电活动和地形地貌对输电线路绕击特性影响的必要性入手，就二者对输电线路绕击特性的影响做了进一步具体分析。

一、分析雷电活动和地形地貌对输电线路绕击特性影响的必要性

雷电对输电线路的危害形式有感应雷与直击雷两种，对于本身就有着较高绝缘性能的220kV以上（包含220kV）电压等级的输电线路来说，感应雷难以对其造成危害，大多数雷击故障都是直击雷引起的。同时，直击雷又有反击和绕击两种，随着我国输电线路自身绝缘水平的幅度提升，输电线路对于反击的耐雷水平也随之提高，故当前阶段输电线路主要面临的是针对绕击的防护问题。为此，想要使输电线路绕击防护工作的开展发挥实际效用，就必须对能够影响输电线路绕击特性的因素展开研究，其中雷电活动和地形地貌就是两个主要影响因素。

二、雷电活动特征给绕击闪络率带来的影响

根据每段线路单侧绕击闪络率—Sfp表达式：

（其中P′（I）代表雷电流幅值的概率密度，Ic代表发生绕击闪络的最小雷电流）可知，输电线路绕击跳闸率与地闪密度和雷电流概率密度之间存在一定的联系，其中地闪密度与雷电流概率密度都是雷电参数。下面举例来对这两个雷电参数对绕击闪络率的影响进行分析：当输电线路的导线高度与避雷线高度使用的都是挂线处高度，分别为42.8m和49m；导线和避雷线到杆塔中心的距离分别为12.1m和10.7m，此时假设输电线路的长度为100km，按照规程中给出的表达式计算地闪密度，同时，假设设计书中输电线路的雷暴天数取值是76，那么此时线路的闪络次数会在绕击电流值增大的同时随之增加。需要提出的是，采用的表达式不同，输电线路闪络系数的增加幅度也会有所不同，采用规程中推荐的那种表达式形式算出的结果最小，采用IEEE推荐的表达式形式计算则会得出较大的结果，若雷电流概率密度函数是在拟合相同形式表达式情况下得出的，则计算所得的闪络次数并不会有太大差异。另外，通过雷电定位系统数据得出的结果都会大于经由规程推荐公式得出的结果。从这点来看，超高压输电线路绕击性能的理论计算结果之所以会出现比实际运行数据小的情况也可以利用此点做解释，如图1所示。

图1　 10kV杆塔绝缘子

三、地形对输电线路绕击特性的影响

（一）地形分类以及地形对输电线路绕击性能的影响

1. 地形分类

输电线路架设途径的地形十分复杂多样，有平地，也有山峰或山脊的顶部，或是经过山谷，甚至是穿越山谷，有时还会沿坡、爬坡等。

2. 地形对输电线路绕击性能的影响

在输电线路绕击性能的计算方法中，由于我国行业标准是建立在低电压等级防护经验的基础上的，所以只用了山区和平地来区分地形影响因素，并认为地形会对山区输电线路的空间电场产生一定影响，以致山区输电线路的绕击率是平原输电线路的3倍，用另一种方式表述就是保护角增大了8°，此种情况下，相较于对途径复杂地形的输电线路耐电性能的预期值，往往会出现耐电性能偏小的情况。在像电气几何模型这样的半经验模型中，就把地形对输电线路绕击性能的影响考虑在内，通常情况下，会用杆塔处地面倾角表示地形的影响，取值则会由运行人员根据自身经验进行估计，如此在对输电线路绕机性能做定性分析时，就可以不同地形输电线路杆塔处地面倾斜角度的取值情况为依据展开。把电气几何模型同蒙特卡洛法结合在一起后可对跨沟、山顶地形中不同杆塔类型在不同电压等级下的绕击跳闸率进行计算，进而得出沟深度会对绕击跳闸率产生一定地影响。同时，在把输电线路划分为高山大岭和丘陵、一般山地后，可分别将其在输电线路中占有比例统计出来，在此基础上利用加权平均法把各自绕击跳闸率计算出来；利用先导法可对绕击在不同侧向距离和不同雷电流情况下的击穿过程进行分析（仍旧用地面倾角表示地形的影响）。

四、从雷电流幅值概率分布对输电线路雷击跳闸影响看地形地貌的影响

雷电流幅值以及其特性是绕击防雷计算中十分关键的一项基础数据，并且气象和自然因素等都会对雷电流幅值概率的分布产生一定影响，所以，雷电流幅值概率分布带有明显的地域性特点。这样在分析不同地形地貌地区雷电流幅值概率分布特征的基础上就能对其对输电线路雷击跳闸产生的影响进行分析，为输电线路雷击跳闸的风险评估提供参考依据，进而能够根据地形地貌的不同制定不同的防雷措施。

输电线路所处地土壤的电阻率和海拔高度将会对雷电流幅值的概率分布产生影响。具体如下：

（一）土壤电阻率

雷电先导逐渐向地面发展的过程中，如果区域土壤电阻率较低，就会更容易出现异性电荷的聚集现象，进而在其周围形成畸变电场，此种情况下先导会朝着土壤电阻率低的区域方向发展，以致主放电期间会有更多数量的电荷发生中和，所以，土壤电阻率同雷电流幅值之间存在着负相关性，即当土壤电阻率变大的时候，雷电流幅值会随之变小。需要说明的是，土壤电阻率会随着地理位置和环境的变化而变化，土壤类别、温度、含水量以及土壤颗粒尺寸、分布与松紧程度、外加电场、水溶解盐种类和含量等都会对土壤电阻率造成一定影响。

（二）海拔高度

有学者认为同平原地区相比，山区雷雨云同地面间的高度相对更低一些，所以在大量电荷还未形成前就已经到达空气临界击穿强度，也就是说山区和平原相比，很高雷电流幅值出现的可能性要更小一些。对于为何当海拔高度增长时雷电流幅值会减小，除了上述的原因之外，还有一个可能的原因就是山区上行雷所占比例更大。具体来说就是由于高海拔地区雷暴云离地高度比海拔高度低的地区相比有所下降，距离的减小使得雷暴云同地面间临界击穿场的强度更容易达到，未等到大量电荷形成就达到临界值，在海拔高度增加的情况下，负闪雷电流幅值会随之大幅度降低。同时，相较于处于同一纬度的平原地区，海拔高的山区地带上行雷的占据比例更大，且一般来说，同下行雷相比，上行雷有着更小的雷电流幅值，致使雷电流幅值出现随着海拔高速增加而下降的现象。

结语

根据电网故障分类有关统计可见，在所有输电线路跳闸、停电事故当中，有一半以上是因为雷击引起的，多发生在那些地形复杂、土壤有较高电阻率、多雷电发生的地区，它是当前阶段危及输电线路运行安全可靠性的主要原因。对于高压输电线路来说，影响其绕击性能的主要因素就是雷电活动以及地形地貌，比如，地闪密度、雷电流概率密度这两个雷电参数对输电线路绕击闪络率有影响；受土壤电阻率和海拔高度影响的雷电流幅值概率分布会对输电线路雷击跳闸率有影响等。

［1］李瑞芳.雷电活动及地形地貌对输电线路绕击特性的影响研究［D］.西南交通大学，2012.

［2］吴广宁，熊万亮，曹晓斌，等.输电线路绕击特性的三维分析方法［J］.高电压技术，2013，39（2）：374-382.

［3］刘刚，唐军，孙雷雷，等.不同地形地貌的雷电流幅值概率分布对输电线路雷击跳闸的影响［J］.高电压技术，2013，39（1）：17-23.

［4］文艺.特高压交流输电线路绕击耐雷性能及其防雷措施研究［D］.西华大学，2014.

［5］林斌.如何提高输电线路的防雷能力［J］.中国科技纵横，2013（22）：217-217.

［6］杜鹏.如何提高输电线路的防雷能力［J］.城市建设理论研究（电子版），2015（17）：6363-6363.

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