耐雷性能

雷擊過電壓(特別是繞擊)，是交直流輸電線路安全運行必須面對的問題，它是造成超、特高壓交直流輸電線路跳閘故障的主要原因。交直流同塔混架的輸電線路桿塔高，結構複雜，雷擊過電壓問題也將更加突出。

基本介紹

• 中文名：耐雷性能
• 外文名：lightningprotection performance

背景

隨著經濟的發展，勢必引起電力需求增大和輸電走廊資源緊缺的矛盾。 同時，由於電源點距離不同負荷中心遠近不一，採用不同電壓等級進行電力輸送更加經濟合理。 而隨著電壓等級的提高，雷擊事故對超、特高壓的影響也越來越嚴重，由於特高壓直流同塔混壓輸電線路桿塔高度高 、 引雷面積大，工作電壓高且具有不同的電壓等級，因此有必要對其耐雷性能進行深入的研究。特高壓直流 同塔混壓線 路中既有特 高壓直流線路又有超高壓直流線路，電壓等級高，兩回線路的絕緣配置差異性較大，且國內外運行經驗和研究分析表明對於 500 kV 及以上電壓等級的線路，雷電繞擊造成線路跳閘的幾率遠多於反擊，因此研究其繞擊耐雷性能對於工程實踐和電網的安 全性具有重要指導意義。

目前常用的繞擊跳閘率計算方法有規程法、先導模型法和電氣幾何模型法。 規程法是根據多年的運行經驗和小電流下的模型試驗結果提出的，對於桿塔較高的特高壓線路，規程法的結果與實際運行情況差別較大。 先導模型法很大程度上依賴長期以來的雷電和長間隙試驗數據，不同的參數和判據帶來的計算結果相差較大。 電氣幾何模型法以擊距理論為基礎，計算原理與雷擊線路實際運行情況比較吻合。

計算模型和方法

桿塔模型和線路參數

本次計算所 採用的塔型 和極線的布 置方式如圖所示，綜合考慮電磁環境因素，特高壓同塔混壓輸電線路採用塔型 1 的布置方式，800 kV 單回直流輸電線路採用塔型 2 的布置方式，500 kV 同塔雙回直流輸電線路採用塔型 3 的布置方式。 500 kV 導線 型 號 4×LGJ-720/50，800 kV 導 線 型 號 6×LGJ -630/45，地線型號 LBGJ-150-20AC，500 kV 絕緣子長度為 6.8 m，800 kV 絕緣子長度為 10.8 m。 考慮雷電波在沿線路方向相鄰檔距間的傳播效應，計算時選擇雷擊點臨近的五基桿塔，檔距設定均為 450 m。

桿塔模型

電氣幾何模型法

繞擊跳閘率採用電氣幾何模型法進行計算，筆者採用的電氣幾何模型考慮了工作電壓和地形 的影響，並考慮了不同雷電流入射角的影響。

1.2.1 繞擊弧 L1 和禁止弧 L2 的計算

計算繞擊閃絡率的電氣幾何模型原理圖如圖所示，圖中：考慮地面傾角的影響，以導線 C 所在點為坐標原點建立直角坐標系，x 軸平行帶傾角的地面，y 軸垂直於帶傾角時的地面；在所建坐標系中，C為導線所在點，G 為避雷線所在點，A 點為桿塔中垂線與避雷線擊距的交點，B 點為導線擊距和避雷線擊距的交點，D 點為導線擊距和地面擊距的交點。 C點坐標為（0，0），G 點坐標為（-m，n），Rg 為大地對雷電的擊距，Rc 為導線對雷電的擊距，Rs 為避雷線對

雷 電 的 擊 距 ，hg 和 hc 分 別 為 避 雷 線 和 導 線 對 地 高度，x1 和 x2 分別為避雷線和導線與桿塔中心的水平距離，α為避雷線保護角。

部分禁止時的 EGM 原理圖

1.2.3 斜坡內側和外側對禁止性能的影響

當地面有傾角時， 斜坡對 位於斜坡內 側和斜坡外側的導線的禁止性能不同，位於內側的導線的繞擊弧 L1’ 明顯小於外側的導線的繞擊弧 L1。 在繞擊跳閘率計算中， 要分別計算內側和外側的繞擊率，然后綜合在一起得到完整的繞擊率。

1.2.4 極線工作電壓對禁止性能的影響

考慮極線工作電壓後，在負極性雷的情況下，正極線的擊距要大於負極線的擊距。在同樣的負極性雷電流幅值情況下，正極線的繞擊弧明顯大於負極線的繞擊弧，因此正極線的繞擊率要大一些。 因此，計算中要考慮工作電壓對繞擊率的影響。

繞擊耐雷性能算例分析

特高壓直流同塔混壓輸電線路繞擊耐雷性能影響因素分析

2.1.1 地面傾角和桿塔高度對繞擊耐雷性能影響

當地面存在傾角時，即當桿塔架設在斜坡上面時，位於斜坡外側的導線由於地面擊距的下降而使暴露弧度增加，從而使繞擊率增加，而位於斜坡內側的導線由於地面擊距的上升而使暴露弧段減小，從而使繞擊率降低[18]。 而桿塔高度增加，導線的受雷寬度將增加， 同時地面對導線的禁止作用減小，故線路的繞擊跳閘率會增加[19]。 筆者對不同桿塔呼高和地面傾角情況分別計算線路的繞擊跳閘率，可以看出，當地面傾角較小時，繞擊跳閘率較小， 當地面傾角達到 30°時， 繞擊跳閘率明顯增大。 且隨著桿塔高度的增加，繞擊跳閘率增加較為明顯。

2.1.2 保護角對繞擊耐雷性能的影響

保護角是影響線路繞擊 跳閘率的重 要因素之一，筆者選取地面傾角為 20°，計算了不同保護角下塔型1的繞擊跳閘率繞擊跳閘率隨著保護角的增大明顯增大 ， 當保護角由-5°到 5°時 ， 繞 擊 跳 閘 率 由0.254 次/（100 km·a）增加到 2.8731 次/（100 km·a），因此，建議特高壓直流同塔混壓輸電線路採用負的保護角。

2.2.1 特高壓同塔混壓線路中 800 kV 線路和 500 kV線路繞擊耐雷性能對比分析

利用電氣幾何模型對塔型 1 的 800 kV 線路和500 kV 線路進行繞擊跳閘率的計算分析，由於地面傾角的變化使得地面擊距和導線的暴露弧的發生變化，從而影響繞擊閃絡率。800 kV 線路和 500 kV 線路的繞擊閃絡率隨地面傾角的變化規律。

當地面傾 角較小時，由於地線的保護作用，800 kV 線路與 500 kV 線路的繞擊閃絡率均很小且差別不大，而隨著地面傾角的增大，800 kV 的繞擊閃絡率均大於 500 kV 的 繞 擊 閃 絡率，主要原因是地線對 800 kV 線路的保護作用減弱，且 800 kV 線路位於 500 kV 線路上方且高出 500 kV線路 15m 左右， 因此 800 kV 線路繞擊耐雷性能較差，當地面傾角為 30°時，800 kV 線路的繞擊閃絡率達到了 1.194 8 次/（100 km·a）， 因此當桿塔假設在山坡上時需增強 800 kV 線路的繞擊耐雷性能。

2.2.2 特高壓同塔混壓線路與常規線路繞擊耐雷性能對比

±800 kV/±500 kV塔型 1 的繞擊跳閘率和±800 kV 單回的繞擊跳閘率幾乎相等， 主要原因是兩種線路塔型高 度差別較小，發生繞擊的線路均為 800 kV 極線且 800 kV 線路保護角大小近似相等。 而±500 kV 雙回發生繞擊跳閘的機率最小， 究其原因主要是±500 kV 雙回線路桿塔高度相對較低， 且地線的負保護角較大，對於線路的保護作用較好。

繞擊耐雷性能算例分析

基於建立的 仿真模型和 電氣幾何模 型程式分析了 800 kV/500 kV 同塔混壓輸電線路的繞擊耐雷性能及其影響因素，並進一步與常規輸電線路進行對比，可得到如下結論：

1） 在 800 kV/500 kV 同 塔 混 壓 輸 電 線 路 中 ，800 kV 線路比 500 kV 線路發生繞擊的機率大，應加強 800 kV 線路的繞擊耐雷性能。 同時應採用負保護角，並避免在坡度較大處立塔，降低桿塔高度也可增強線路的繞擊耐雷性能。

2）特高壓同塔混壓輸電線路中 800 kV 線路由於受到 500 kV 線路的差絕緣保護髮生反擊的機率很小，故應將防雷重點放到防止線路繞擊上。 其繞擊耐雷性能與 800 kV 單回輸電 線路差別不大，但比±500 kV同塔雙回輸電線路的繞擊耐雷性能差。

發展和總結

電網規模與傳輸容量不斷增大，而可用的架空線路走廊越來越少，因此，科學利用現有的線路走廊，以提高系統輸送能力並帶來可觀的經濟效益和社會效益，是當前的發展趨勢[1-3]。提高單位面積線路走廊傳輸容量的可行方法主要有：提高線路電壓等級； 建設同塔多回輸電線路(交流同塔多回或直流雙極輸電)；採用緊湊型輸電線路結構；對線路加裝串聯補償裝置，提高線路的輸送能力；在現有輸電線路附近同走廊並行架設線路；通過交直流同塔混架輸送電能等。

交直流線路同塔混架，作為解決輸電線路走廊缺乏的有效措施之一，已引起廣泛關注。國外學者自 20 世紀 80 年代起，針對同塔混架的桿塔結構設計、線路間電磁感應過電壓等方面，較早地開展了相關研究工作，國內近幾年也開展了相關研究。我國華東地區特別是上海市， 人口稠密， 經濟發達，未來輸電線路走廊將會日趨緊張，採用交直流線路同塔混架， 特別是超、 特高壓下的交直流同塔混架，作為解決某些特殊地段線路走廊嚴重缺乏的舉措，具有重要的工程套用價值。

雷擊過電壓(特別是繞擊)，是交直流輸電線路安全運行必須面對的問題，它是造成超、特高壓交直流輸電線路跳閘故障的主要原因。交直流同塔混架的輸電線路桿塔高，結構複雜，雷擊過電壓問題也將更加突出。

1）交流相線的導線工作電壓對臨近直流極線的繞擊耐雷水平和繞擊跳閘率有一定影響，但影響較小，而對交流線路的繞擊耐雷水平和繞擊跳閘率影響較大。防雷設計中，針對交流線路應注意考慮導線工作電壓的周期性變化特性。

2）隨著桿塔呼稱高度的增加，交直流輸電線路的繞擊跳閘率同時增加，其中交流線路的繞擊跳閘率增加趨勢更加顯著。在條件允許的情況下應儘量降低桿塔高度。

3）針對同塔混架輸電線路，避雷線的地線保護角在防雷保護中起重要作用。隨著橫擔長度的增加，地線保護角變小，交直流輸電線路的繞擊跳閘率同時減小，其中直流極線的繞擊跳閘率減小更加顯著。實際工程設計中，應儘量增加避雷線的橫擔長度， 減小保護角， 以降低輸電線路的繞擊跳閘率。

4）地形因素對同塔混架線路的雷電禁止性能影響十分明顯。隨著地面傾角的增加，線路禁止失效率增長趨勢明顯，特別是正極導線和中相導線。防雷設計中應特別注意正極導線位於斜坡外側的工況。