基于VB的输电线路耐雷水平与雷击跳闸率的计算与分析

李恩佳

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

输电线路是传输电能的“高速公路”，我国目前输电距离最长的±800kV高压直流输电线路工程酒湖线全长2383km，输电线路穿梭于崇山峻岭之间，线路运行海拔最高超过1900m，线路所经过的地区地理环境多变，气候条件复杂，输电线路极易遭受到雷电侵袭。与此同时，雷电产生的强大电流会沿输电线路侵入到系统变电所和重要的用电负荷部门，对人员和电气设备产生巨大的威胁。因此，对线路的防雷保护应该予以十分充分的重视。

1 耐雷水平和雷击跳闸率

雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值(kA)。当耐雷水平高于雷电流击于线路时是不会发生闪络现象的；而当耐雷水平低于雷电流击于线路时就会发生闪络现象的。

每百公里线路、40雷电日，由于雷击引起的开断数(重合成功也算一次)，称为该线路的雷击跳闸率。

1.1 耐雷水平的计算及耐雷水平的比较结果

1.1.1 雷击杆塔塔顶时的耐雷水平的计算

计算公式如下：

I=U/[(1-k)b(R+L/2.6)+(1-k)h/2.6]

(1)

式中，b—设计通常长度档距的线路杆塔所取的分流系数值，见表1；U—绝缘子串的50%冲击闪络电压；L—单位杆塔电感；R—杆塔接地电阻；k—电晕下的耦合系数。

表1 分流系数表

在线路的设计过程中，设计人员通常会降低杆塔接地电阻R，以及提高耦合系数k这两种方法提高输电线路的耐雷水平。

1.1.2 雷击避雷线档距中央时

假如雷击避雷线档距中央时，雷击点的阻抗为z/2，雷电流为Iz=iL/(1+zb/2z0)。计算收到雷击位置的电压为uA=iz×zb/2=iLz0zb/(2z0+zb)，电压波uA从遭受雷击的位置沿着避雷线向最近的杆塔运动，在经过L/2vb时间(L为两杆塔之间的距离，vb为雷电流在避雷线中传播的速度)后到达最近的杆塔；又由于杆塔接地，将会产生相反的反射波回到雷击的位置，再次经过L/2vb时间，假如雷电流还未达幅值2×(L/2vb)，则雷击点的电位自负反射波到达之时开始下降，故雷击点的最高电位将出现在t=2×(L/2/vb)时刻。

雷电流假如是斜角波iL=at，雷击点电位为：

UA=a×(/vb)×[(z0×zb)/(2z0+zb)]

(2)

考虑到避雷线和导线产生的耦合作用，会产生耦合电压KuA，所以避雷线遭受雷击的位置，与导线间的空气间隙s上所承受的最大电压Us=UA(1-k)，由此可以推断，空气间隙s上的电压的高与低，与耦合系数k，雷电流陡度a以及档距长度L是相关联的。故当电压超过空气间隙s的放电电压时，空气间隙会被过电压击穿而发生短路事故。

1.1.3 绕击时的过电压和耐雷水平

当输电线路装有避雷线时，雷电也有可能绕过避雷线而击中线路。在这样的情况下，线路上的绝缘子串会发生闪络。

电气几何模型的特征参数如图1所示。

图1 电气几何模型的特征参数图

临界击距rsc：是线路能承受绕击雷能力的击距。当临界击距rsc大于击距时，是不会发生绝缘子串的闪络。绕击耐雷水平计算式:

IFO=2×(CFO)/Z

(3)

式中，CFO—线路发生临界闪络电压值，Uso%，kV；Z—线路导线阻抗，Ω。

最大击距rsmax：这是由杆塔几何尺寸及地形决定的一个击距。当rsmax小于击距时，不会发生绕击相导线。计算rsmax的公式如下：

(4)

暴露弧线和屏蔽弧线：一个击距为r的先导头到达弧线ab的位置时，先导将对导线闪络；当先导头到达弧线be时，将对屏蔽线产生闪络；当先导头到达弧线ad时，将对地面闪络。故称弧线be为屏蔽弧线，把弧线ab叫做暴露弧线。

临界保护角θsc：指的是杆塔的外形尺寸与绝缘性能达到所要求的水平时，rsmax≤rsc暴露弧线降为零，绕击跳闸将不会发生。

当rsmax=rsc时，θsc=θg+arcsin(1-y/rsc)-arcsinC/2，

式中，θsc即称临界保护角，通常是把线路设计的保护角与临界保护角，作对比性的分析，从而做出相应的结论。

通过仿真计算与分析，以110kV及220kV各3种不同外形尺寸的杆塔模型，得出输电线路耐雷水平与雷击跳闸率是计算结果为：

110kV输电线路，单回线路，具有双避雷线，其耐雷水平高于只有单避雷线的线路，高39.7%～48.3%；同样具有双避雷线的输电线路，双回线路的耐雷水平要低于单回线路，低13.4%～11.6%；220kV输电线路，杯型塔的耐雷水平均高于钢筋混凝土单杆和双回塔，分别高21.8%～16.6%和13.5%～8.4%。

1.2 雷击跳闸率的计算

一条线路的雷击跳闸次数与线路长度、雷电日的多少、以及防雷措施的好坏有关，为了分析比较二条线路防雷措施的好坏，故引入了雷击跳闸率的概念。

在雷电过电压的情况下，线路绝缘发生闪络，然后从冲击闪络转化为稳定的工频电弧，引起线路跳闸。

具体的计算如下(讨论的都是有避雷线的线路)。

1.2.1 雷击杆塔时的跳闸率

每百公里线路、40雷电日，落雷次数为N=0.28(b+4hb)次，其中hb为避雷线对地平均高度。假设击中杆塔的概率为n，则每百公里线路每年雷击杆塔次数为0.28(b+4hb)n次；，假设I1和P1分别为：雷击杆塔时的耐雷水、雷电流幅值超过I1的概率，r为建弧率，则百公里线路每年雷击杆塔的跳闸次数n1=0.28(b+4hb)n×r×P1。

建弧率以η表示，可按下式计算：

η=4.5E0.75-14(%)

(5)

对于中性点直接接地系统有：

(6)

对于中性点非直接接地系统有：

E=U/2l

(7)

式中，E—绝缘子串的平均运行电压梯度。

其中击杆率按地形的不同可以有不同的取值，具体见表2。

表2 击杆率表

1.2.2 绕击跳闸率

设绕击率为Pa，百公里线路每年绕击次数为0.28(b+4hb)Pa，假设I2和P2分别为：绕击时的耐雷水平雷电流幅值超过I2的概率，则每百公里线路每年的绕击跳闸次数为：

n2=0.28(b+4hb)r×Pa×P2

(8)

1.2.3 线路雷击跳闸率

当避雷线和导线的空气间隙距离s，在档距的中央处时，满足式s=0.012L+1，则雷击避雷线档距中央一般不会发生击穿事故，故其跳闸率可视为0。因此，线路雷击跳闸率：

n=n1+n2=0.28(b+4hb)r(gP1+PaP2)

(9)

经过计算结果比较，得出以下的结论：

110kV单回输电线路，为门型钢筋混凝土双杆塔，雷击跳闸率山区比平原高66.7%；220kV单回输电线路，杯形铁塔，雷击跳闸率山区比平原高73.2%。

2 基于VB程序计算耐雷水平和雷击跳闸率

各电压等级下参数的取值见表3。

表3 各电压等级参数表

杆塔的冲击接地电阻为7Ω时，击杆率为1/4时，程序运行的结果见表4。

表4 运算结果1

杆塔的冲击接地电阻为7Ω时，击杆率为1/3时，程序运行的结果见表5。

表5 运算结果2

杆塔的冲击接地电阻为7Ω时，击杆率为1/6时，程序运行的结果见表6。

表6 运算结果3

通过上面的表格中的数据可以看出，耐雷水平随输电线路电压等级的升高而增加；线路总的雷击跳闸率随着杆塔接地冲击电阻的增大相应增大。同一电压等级下，雷击杆塔时的雷击跳闸率随着击杆率的增大而相应增大，线路总跳闸率也相应的增加。另外，研究发现杆塔的冲击接地电阻的增大，同一电压等级下，线路雷击跳闸率相应增加。

3 结语

耐雷水平越高，线路的耐雷性能好，雷击跳闸率越小，线路的耐雷性能相对也较好。通过研究杆塔冲击接地电阻与跳闸率的关系表明，随着杆塔冲击接地电阻的增大，跳闸率也响应的增大；输电线路电压等级越高，耐雷水平也相应地增大。围绕耐雷水平和雷击跳闸率两项指标的仿真计算，将直接影响对输电线路的设计方案，从而在设计过程中提供极其重要的设计依据和意义。在众多的仿真计算中往往都忽略了输电线路运行中工频电压的影响，工频电压的影响在仿真计算中会给计算结果带来误差，越是电压等级高的线路误差越大，这是在未来的研究中亟待进一步解决的问题。