袁海燕，劉 民，莊燕飛 ，姚金霞

（1.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；（2.山東電力集團(tuán)公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250021）

0 引言

寧東—山東±660kV高壓直流輸電線路于2010年投運(yùn)，是世界上第一條電壓等級(jí)為660 kV的直流輸電線路。 ±660 kV高壓直流輸電線路本身的絕緣水平比較高，雷擊避雷線或塔頂而發(fā)生反擊閃絡(luò)的可能性很小。 線路桿塔高，導(dǎo)線工作電壓高，避雷線和導(dǎo)線間距離大，因此它的繞擊耐雷水平對(duì)線路防雷特性有決定性的影響，對(duì)其繞擊耐雷性能的準(zhǔn)確評(píng)估是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

相對(duì)于交流線路，高壓直流線路由于正常運(yùn)行時(shí)線路電壓恒定不變，遭受直擊雷時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)下列特點(diǎn)：繞擊與反擊時(shí)閃絡(luò)極與雷電流的極性密切相關(guān)。由于雷電放電多為負(fù)極性，因此正極絕緣相對(duì)薄弱。本文主要研究雷電流為負(fù)極性時(shí)，正極線路的繞擊跳閘率。

20世紀(jì)60年代建立的電氣幾何模型（EGM）仍是目前國內(nèi)外分析繞擊率的主流方法。EGM在Golde首先提出擊距的概念［1］，將擊距與雷電流相聯(lián)系后，Young’s模型進(jìn)一步引入了計(jì)算技術(shù)，使EGM能有效地與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合［2］。根據(jù)尋跡器的現(xiàn)場調(diào)查，Whitehead提出的擊距公式應(yīng)用于輸電線路的屏蔽設(shè)計(jì)較成功［3-4］。Sargent利用Whitehead模型分析了建筑物高度對(duì)雷擊概率的影響［5］。Eriksson針對(duì)經(jīng)典電氣幾何模型的一些不足，提出了改進(jìn)的EGM［6］，我國學(xué)者結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)研究也提出過改進(jìn)EGM［7］。 中國電力科學(xué)研究院在EGM分析特高壓線路的繞擊特性時(shí)還考慮了導(dǎo)線工作電壓的影響［8］。

已見文獻(xiàn)用各種方法針對(duì)不同電壓等級(jí)的線路進(jìn)行過詳細(xì)的研究，本文在前人工作的基礎(chǔ)上，建立了綜合考慮風(fēng)偏、地形和工作電壓影響的改進(jìn)EGM來分析±660 kV HVDC輸電線路的繞擊耐雷性能。

1 繞擊性能分析方法

1.1 考慮導(dǎo)線工作電壓的擊距

雷電對(duì)避雷線的擊距采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)所推薦的擊距公式［9］

擊距系數(shù)是先導(dǎo)對(duì)地?fù)艟嗯c先導(dǎo)對(duì)避雷線擊距之比，采用 IEEE 給出的表達(dá)式［9］：

式中：I為雷電流，kA；rs為雷電對(duì)避雷線的擊距，m；rg為雷電對(duì)大地的擊距，m；hs為避雷線平均高度，m。

不考慮導(dǎo)線工作電壓時(shí)，長空氣間隙負(fù)極性放電電壓 V0與擊距 rc0的關(guān)系為［10］：

雷電先導(dǎo)下降時(shí)，其頭部電位與主放電電流的關(guān)系為［8］：

因此，考慮導(dǎo)線工作電壓時(shí)，由（4）（5）兩式可推導(dǎo)得出，導(dǎo)線的擊距為：

式中：rc0為考慮導(dǎo)線工作電壓的擊距，m；U為導(dǎo)線上工作電壓，MV。

1.2 考慮風(fēng)偏和地形后模型的基本參數(shù)

分裂導(dǎo)線懸垂絕緣子串的風(fēng)偏角φ和導(dǎo)線風(fēng)偏角ξ如圖1所示。

圖1 風(fēng)偏角

分裂導(dǎo)線懸垂絕緣子串的風(fēng)偏角［10］

導(dǎo)線風(fēng)偏角

式中：L、G 為水平和垂直檔距，m；g1、g2為導(dǎo)線自重和風(fēng)荷比載，kg/（m·mm2）；M、N 為絕緣子串重量和其風(fēng)荷載；A為導(dǎo)線截面積；λ為絕緣子串長度；d為導(dǎo)線分裂間距。

考慮風(fēng)速影響之后，模型的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，如圖 2 所示。圖中 hc′、hs′、Lc′、Ls′為考慮風(fēng)速后導(dǎo)線和避雷線的位置，α′為考慮風(fēng)速后的保護(hù)角，各變量可由下式計(jì)算得到：

式中：hc、hs、Lc、Ls為考慮風(fēng)速前導(dǎo)線和避雷線的位置，fc、 fs分別為導(dǎo)線和避雷線的弧垂；ξc、ξs分別為導(dǎo)線和避雷線的風(fēng)偏角。

圖2 考慮風(fēng)速和地形的電氣幾何模型

擬合風(fēng)速分布的模型很多，其中韋布爾雙參數(shù)分布被普遍認(rèn)為適于對(duì)風(fēng)速v作統(tǒng)計(jì)描述，v的韋布爾分布概率密度函數(shù)為［11］

式中：k為形狀參數(shù)，是一個(gè)無因次量；C為尺度參數(shù)，其量綱與速度相同。可根據(jù)T時(shí)間內(nèi)觀測到的10 min最大風(fēng)速和平均風(fēng)速，通過下式近似地估計(jì)韋布爾分布參數(shù)［11］

1.3 最大繞擊電流的計(jì)算

如圖2所示，

當(dāng)θ1=θ2時(shí)，繞擊暴露弧AB=0，假如雷電流繼續(xù)增大，將不存在繞擊暴露區(qū)域，因此，此時(shí)雷電流為最大繞擊電流Imax。

1.4 繞擊耐雷水平的計(jì)算

繞擊耐雷水平計(jì)算：

式中：U-50%為絕緣子負(fù)極性50%閃絡(luò)電壓；Zc為導(dǎo)線波阻抗；U為導(dǎo)線上工作電壓。

1.5 暴露距離的計(jì)算

經(jīng)典電氣幾何模型中的暴露投影計(jì)算方法將暴露弧長等同于直線來計(jì)算其投影，使計(jì)算結(jié)果偏大。用暴露弧在弧長中所占比率來評(píng)價(jià)線路的繞擊性能的方法在模型中直接令雷擊地面的概率為零，這種假設(shè)顯然有欠合理。 等值受雷寬度的計(jì)算將避雷線的屏蔽區(qū)域也計(jì)算在線路遭雷擊的范圍之內(nèi)，計(jì)算結(jié)果偏大。在 1993年的 IEEE工作報(bào)告中提出用暴露距離描述線路屏蔽失效現(xiàn)象［12］，其前提是假定雷電先導(dǎo)通道垂直于地面向下發(fā)展。 文獻(xiàn)［13］指出采用暴露距離將繞擊特性與線路本身的幾何尺寸相聯(lián)系計(jì)算繞擊跳閘率可較準(zhǔn)確地評(píng)估線路的繞擊特性。 本文采用暴露距離計(jì)算繞擊跳閘率。

在文獻(xiàn)［12］的基礎(chǔ)上考慮地面傾角和風(fēng)速的影響。 如圖2所示，屏蔽弧、暴露弧和地面擊距直線相交于 A、B兩點(diǎn)，以避雷線所在點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸和Y軸分別平行和垂直于地面，建立XSY坐標(biāo)系。SC為導(dǎo)線與避雷線間的距離。導(dǎo)線所在點(diǎn) C， A、B 兩點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 A（xA，yA）和 B（xB，yB），Zs為暴露距離。

1）如果 yA>0，rg>hc，則

2）如果 yA>0，rg≤hc，則

初中化學(xué)作為整個(gè)中學(xué)化學(xué)教學(xué)的起點(diǎn)，向?qū)W生傳遞的是基礎(chǔ)的知識(shí)與技能，在教學(xué)層面上體現(xiàn)出啟蒙性和基礎(chǔ)性。初中化學(xué)是一門相對(duì)抽象的課程，其涉及的學(xué)科知識(shí)比較零散，在課堂上很多知識(shí)學(xué)生都是第一次接觸，因此，學(xué)生掌握的知識(shí)大多是孤立分散的，要想形成緊密的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不容易[1]。初中化學(xué)的學(xué)習(xí)時(shí)間短且內(nèi)容多，從初三上學(xué)期開始到中考前，學(xué)生就要掌握化學(xué)課本上下兩冊包含的內(nèi)容。所以，一套有效的教學(xué)方法，對(duì)教師和學(xué)生來說是極其重要的。

3）如果 yA≤0，rg>hc，則

4）如果 yA≤0，rg≤hc，則

1.6 繞擊跳閘率計(jì)算

綜合考慮風(fēng)偏、地形和工作電壓概率分布后，推得每年每100 km的繞擊閃絡(luò)次數(shù)的計(jì)算公式為

式中：Ng為地閃密度；Imax為最大繞擊電流；Ic為繞擊耐雷水平。

2 基于典型桿塔的繞擊性能仿真分析

按我國±660 kV高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)參數(shù)，導(dǎo)線采用4×JL/G3A-1000/45型鋼芯鋁絞線，分裂導(dǎo)線的分裂間距400 mm；避雷線采用LBGJ-150-20AC鋁包鋼絞線，年雷電日40；以ZP2711和JP2711兩種型號(hào)的桿塔為例，見圖3。 下面首先利用ZP2711塔型線路分析導(dǎo)線工作電壓、地面傾角和風(fēng)速對(duì)線路繞擊跳閘率的影響，然后將模型分別應(yīng)用于采用ZP2711和JP2711兩種塔型的線路，對(duì)它們的繞擊特性進(jìn)行了比較分析。

圖3 ±660 kV線路典型塔型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 導(dǎo)線電壓瞬時(shí)值對(duì)繞擊跳閘率的影響

表1 繞擊跳閘率比較

從表1可見，在地面傾角相同的情況下，不考慮導(dǎo)線工作電壓時(shí)的繞擊跳閘率幾乎是考慮導(dǎo)線電壓的一半。隨著地面傾角的增大，繞擊跳閘率逐漸增大。因此研究±660 kV高壓直流輸電線路的雷擊性能時(shí)必須要考慮導(dǎo)線工作電壓。

2.2 地形對(duì)繞擊跳閘率的影響

圖4是綜合考慮風(fēng)偏、地形以及導(dǎo)線工作電壓的情況下，在風(fēng)速v不同時(shí)線路繞擊跳閘率n隨地面傾角θ變化的情況。隨著地面傾角的增大，線路繞擊跳閘率增大，地面傾角在0°到10°之間時(shí)，繞擊跳閘率略有增大；隨著地面傾角的增大，繞擊跳閘率的增長速度加快。隨著風(fēng)速的增長，繞擊跳閘率隨地面傾角的增長速度也加快。

圖4 地面傾角對(duì)繞擊跳閘率的影響

2.3 風(fēng)速對(duì)繞擊跳閘率的影響

圖5為綜合考慮風(fēng)偏、地形以及導(dǎo)線電壓瞬時(shí)值的情況下，地面傾斜角 θ分別為 0°、10°、20°、30°時(shí)線路繞擊跳閘率n隨風(fēng)速v變化的情況。 當(dāng)風(fēng)速小于5 m/s的時(shí)候，風(fēng)偏對(duì)線路的影響不大，當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s的時(shí)候，風(fēng)偏對(duì)繞擊跳閘率的影響明顯增大。隨著地面傾角的增大，風(fēng)速對(duì)繞擊跳閘率的影響越來越大。

圖5 風(fēng)速對(duì)繞擊跳閘率的影響

2.2與2.3節(jié)的計(jì)算結(jié)果都說明惡劣的氣象條件與地形狀況是導(dǎo)致線路跳閘的主要原因。 地面傾角的增大使線路保護(hù)角增大，風(fēng)偏又進(jìn)一步增大了線路的繞擊暴露面積，這兩者相結(jié)合嚴(yán)重改變了線路本身的繞擊屏蔽性能，導(dǎo)致繞擊跳閘率大大增加。

表2 線路桿塔分別為ZP2711與JP2711時(shí)的仿真結(jié)果

2.4 兩種典型塔型ZP2711與JP2711的繞擊性能比較

線路桿塔分別為ZP2711與JP2711時(shí)的仿真結(jié)果如表2所示。表2中n為繞擊跳閘率（次/100km.a），Imax為最大繞擊電流（kA）。

桿塔為ZP2711的線路最大繞擊電流比桿塔為JP2711的大；這是因?yàn)閆P2711塔比JP2711塔的呼高高6 m，而且ZP2711的線路保護(hù)角比JP2711塔的大。根據(jù)國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備運(yùn)行規(guī)范對(duì)雷擊跳閘率的規(guī)定，在年雷暴日為40天/年的情況下，±660 kV線路雷擊跳閘率不宜超過0.1次/100 km.a。桿塔為ZP2711的線路，當(dāng)?shù)孛鎯A角小于20°時(shí)，風(fēng)速小于20 m/s時(shí)才能滿足繞擊跳閘率的設(shè)計(jì)要求。 桿塔為JP2711的線路，在本文所考慮的范圍內(nèi)，即地面傾角小于30°，風(fēng)速小于30 m/s時(shí)均能滿足要求。

3 結(jié)語

對(duì)于本文研究的兩種典型桿塔，由于桿塔為ZP2711的線路當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s，且地面傾角大于20°時(shí)，繞擊跳閘率超過指標(biāo)要求，因此適用于在內(nèi)陸平原地區(qū)使用。而在山區(qū)和沿海地帶，桿塔JP2711的設(shè)計(jì)較為理想。

±660 kV線路導(dǎo)線的工作電壓使線路繞擊跳閘率增大1倍，影響不容忽視，因此在防雷設(shè)計(jì)中必須考慮導(dǎo)線工作電壓。

地面傾角小于5°時(shí)，風(fēng)速對(duì)繞擊跳閘率的影響不大；說明在地形條件理想的情況下，可以不考慮風(fēng)偏的影響。在地面傾角大于5°的時(shí)候，應(yīng)該綜合考慮風(fēng)偏、地形的影響，盡量使用線路呼高和保護(hù)角較小的桿塔。

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