周 瑜，陳 路，彭 潔，何艷嬌，馬志青，馬 奇，劉敬之

（1.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院,西寧810008；2.國網(wǎng)電科院武漢南瑞有限責(zé)任公司,武漢430000 3.國網(wǎng)青海省電力公司,西寧810008）

±400 kV柴拉直流線路雷害風(fēng)險評估及治理策略研究

周 瑜1，陳 路2，彭 潔1，何艷嬌3，馬志青1，馬 奇1，劉敬之1

（1.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院,西寧810008；2.國網(wǎng)電科院武漢南瑞有限責(zé)任公司,武漢430000 3.國網(wǎng)青海省電力公司,西寧810008）

基于線路自身參數(shù)、海量雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)及高精度地形地貌參數(shù)，綜合改進(jìn)后的電氣幾何模型及ATP/EMTP方法，完成±400 kV直流輸電線路繞、反擊跳閘率計算，結(jié)合跳閘率指標(biāo)實現(xiàn)線路雷害風(fēng)險評估。利用線路坐標(biāo)、合理劃分網(wǎng)格，獲取各基桿塔實際地閃密度值；以桿塔為單位挖掘度地形地貌信息，計算獲得針對導(dǎo)線側(cè)的地面傾角值；利用改進(jìn)后的電氣幾何模型方法，基于線路自身參數(shù)搭建ATP/EMTP仿真模型，計算線路最小繞擊耐雷水平及反擊耐雷水平；結(jié)合雷電流入射角及導(dǎo)線側(cè)地面傾角值，獲得極I、極II最大繞擊耐雷水平；以桿塔實際地閃密度值及繞、反擊耐雷水平為基礎(chǔ)，計算青?！?00 kV柴拉直流輸電線路桿塔繞擊(極I、極II)、反擊雷擊跳閘率，并結(jié)合實際跳閘率指標(biāo)，實現(xiàn)線路逐基桿塔的雷害風(fēng)險評估，并根據(jù)線路特性提出針對性的治理策略，實現(xiàn)柴拉直流防雷有效治理。

電氣幾何模型；ATP/EMTP；跳閘率；雷害風(fēng)險評估

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，雷擊是引起輸電線路跳閘最主要的環(huán)境因素，在我國由雷擊引起的高壓輸電線路閃絡(luò)跳閘次數(shù)占線路總跳閘次數(shù)的60%～70%[1-2]，高海拔地區(qū)、直流輸電線路雷害事故也是有發(fā)生[3-4]?！?00 kV柴拉線是連接青海與西藏的首條高壓直流輸電線路，相比于交流輸電線路，其造價低、損耗小、功率調(diào)節(jié)方式靈活，滿足了遠(yuǎn)距離、大容量電能的傳輸需求。但同時由于沿線走廊地形復(fù)雜多樣，包括了高海拔、嚴(yán)寒區(qū)域、山區(qū)等，大檔距（檔距超過500 m）和大轉(zhuǎn)角桿塔普遍存在，自然環(huán)境惡劣和部分桿塔防雷性能相對薄弱使得線路遭受雷擊的概率大幅增加。當(dāng)發(fā)生雷擊跳閘事故將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，后期停電檢修幾率也很小，因此對其展開雷害風(fēng)險等級評估及雷害治理策略研究是有必要的。

當(dāng)前，柴拉線為國內(nèi)唯一一條±400 kV直流輸電線路，因投運(yùn)時間較短，對其耐雷性能分析及雷害風(fēng)險評估的相關(guān)研究較少；直流線路兩條極線分別帶有正/負(fù)極性的工作電壓，而自然雷電地閃中負(fù)極性雷占90%左右，“極性效應(yīng)”致使極I（正極）更容易遭受雷擊。傳統(tǒng)雷擊跳閘率計算方法對上述因素考慮較少，難以直接適用于±400 kV直流線路。

針對以上問題，筆者使用繞擊計算模型為改進(jìn)后的電氣幾何模型，相比于傳統(tǒng)模型，其將雷電入射角概率密度分布函數(shù)及左/右地面傾角引入，解決了負(fù)保護(hù)角傳統(tǒng)繞擊計算方法準(zhǔn)確性較低的問題；考慮了直流輸電線路雷電極性效應(yīng)，提出了正/負(fù)極性雷電對兩極導(dǎo)線繞擊跳閘率的影響系數(shù)；選擇了ATP/EMTP軟件實現(xiàn)反擊耐雷水平的精細(xì)化計算；基于評估結(jié)果，找出了線路雷擊高風(fēng)險桿塔并生成了具有針對性的防雷治理策略，提升了線路雷擊防護(hù)水平[5-8]。

1 參數(shù)統(tǒng)計分析

1.1 桿塔基礎(chǔ)參數(shù)

桿塔基礎(chǔ)參數(shù)包括坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)、絕緣配置及已安裝的防雷措施。其中，坐標(biāo)用于確定桿塔位置，進(jìn)而獲得桿塔周邊雷電參數(shù)及地理信息數(shù)據(jù)。桿塔結(jié)構(gòu)包括相序、檔距、接地電阻及導(dǎo)線、避雷線懸掛點(diǎn)位置。絕緣配置為絕緣子串長度。已安裝的防雷措施包括針對桿塔或?qū)Ь€的相關(guān)措施，比如各種形式避雷針、避雷器、耦合地線等。

在檔距分布上，筆者定義1.5倍評估桿塔的平均檔距為大檔距標(biāo)準(zhǔn)，其值為654 m，全線大檔距桿塔共22基，占1.58%；

在接地電阻上，小于5 Ω桿塔共999基桿塔，占71.61%；5～10 Ω桿塔共391基，占28.03%；大于10 Ω桿塔共5基，占0.36%；

在桿塔性質(zhì)上，耐張塔216基，占15.48%；直線塔1179基，占84.52%。

1.2 雷電特征參數(shù)

隨著雷電定位系統(tǒng)的應(yīng)用及對其積累的雷電數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，由雷電定位系統(tǒng)測得的地閃密度數(shù)據(jù)也開始用于防雷計算中[9-10]。

±400 kV柴拉線（青海段）走廊雷電活動分布特征分析和典型雷電參數(shù)的獲取，以青海電網(wǎng)的雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計法提取出沿線地閃次數(shù)、地閃密度等雷電基礎(chǔ)參數(shù)。線路走廊沿線雷電分布分析方法采用“線路走廊網(wǎng)格法”：即根據(jù)線路結(jié)構(gòu)特征，對沿線走廊徑向進(jìn)行合理的等距劃分，將線路走廊劃分成一系列統(tǒng)計網(wǎng)格（區(qū)段）。柴拉線（青海段）走廊地閃密度分布情況如圖2所示。

圖2 柴拉線（青海段）走廊地閃密度分布情況Fig.2 Distribution of lightning flashover density along±400 kV Caidam-Lhasa DC transmission line

分析表明：柴拉線（青海段）平均地閃密度為0.15次/年·平方公里，線路前半段的地閃密度相對后半段偏低。雷電流幅值累積概率分布為

1.3 地理信息特征參數(shù)

挖掘分析高精度地形地貌數(shù)據(jù)，獲得各點(diǎn)海拔、高程差、坡度等內(nèi)部表征信息。以桿塔為中心點(diǎn)，將垂直于線路中心線方向的100 m直線等比劃分8段（8個外點(diǎn)與1個中心點(diǎn)），通過線路走向及等分距離計算獲取各等分點(diǎn)坐標(biāo)，并調(diào)取之對應(yīng)的內(nèi)部表征信息，計算出8個外點(diǎn)與中心點(diǎn)的縱向高程差及橫向水平距離，分別計算出8個外點(diǎn)相對于中心點(diǎn)的地面傾角值，取左、右4個點(diǎn)的算術(shù)平均值作為左、右地面傾角等效計算值。

式中，?L、?R分別為左、右側(cè)等效地面傾角；?j（j=1，2...，8）為等分點(diǎn)j相對中心點(diǎn)的地面傾角。

基于線路基礎(chǔ)參數(shù)中桿塔坐標(biāo)信息，逐級掃描地形地貌獲取地理信息特征參數(shù)，并計算獲取地面傾角等效值，見圖3。

圖3 線路地形特征參數(shù)計算結(jié)果Fig.3 Calculated results of terrain parameters for±400 kV Caidam-Lhasa DC transmission line

2 線路雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估

利用柴拉線2005-2014年的雷電參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果、線路走廊的地形地貌特征參數(shù)、桿塔的結(jié)構(gòu)特征及線路歷年來的雷擊跳閘特征，對柴拉線全線進(jìn)行防雷計算分析，確定目前線路主要的風(fēng)險來源，從而為制定防雷改造方案提供依據(jù)，最終確定防雷改造方案的制定原則和主要改造對象。

對輸電線路耐雷性能的分析主要包括反擊耐雷性能分析和繞擊耐雷性能分析。計算方法[11-13]包括規(guī)程法、蒙特卡洛法、電氣幾何模型（EGM）等多種模型。筆者繞擊跳閘率的計算采用改進(jìn)后的電氣幾何模型；反擊跳閘率通過ATP/EMTP計算得到，該模型可模擬雷擊中的各種隨機(jī)因素，考慮因素全面，計算結(jié)果比較符合實際情況[14-16]。

桿塔雷擊跳閘率為繞擊跳閘率與反擊跳閘率之和：

式中，SOR_R為繞擊跳閘率；SOR_F為反擊跳閘率。

2.1 電氣幾何模型

電氣幾何模型（electric geometry model，EGM）是將雷電放電特性等電氣量與線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來而建立的一種電氣幾何分析模型。

為了進(jìn)一步研究負(fù)保護(hù)角時仍然發(fā)生雷擊跳閘的機(jī)理，引入了雷電入射角概率分布函數(shù)：

函數(shù)中，雷電入射方位在垂直中線右側(cè)，入射角為正，反之為負(fù)；先導(dǎo)入射角滿足-π/2≤ψ≤π/2區(qū)間。

改進(jìn)的電氣幾何模型見圖4，該模型在避雷線、導(dǎo)線及大地?fù)艟嘤嬎惴椒ǚ矫娌o修改，單相導(dǎo)線繞擊跳閘率計算公式如下：

式中，Ng為桿塔地閃密度值；Irmin為繞擊耐雷水平，其與桿塔最小放電距離L有關(guān)；Irmax為最大繞擊電流；Dc為某一帶先導(dǎo)入射角的雷電流對應(yīng)的暴露距離；g（ψ）為先導(dǎo)入射角概率密度分布函數(shù)；P’（I）為雷電流概率分布函數(shù)；η為建弧率；a為權(quán)重系數(shù)。

圖4 改進(jìn)的電氣幾何模型示意圖Fig 4 Sketch of improved EGM model.

2.2 ATP/EMTP電磁暫態(tài)仿真模型

基于ATP/EMTP的線路防雷性能仿真，不僅可以仿真獲得雷電繞擊導(dǎo)線后絕緣子串上過電壓分布情況，并結(jié)合絕緣子串閃絡(luò)判據(jù)實現(xiàn)Irmin的準(zhǔn)確計算，而且可以模擬雷電擊中桿塔頂部或避雷線后實現(xiàn)反擊耐雷水平If的準(zhǔn)確計算。

2.2.1 雷電流模型

雷電流波形包括雙指數(shù)函數(shù)波形、斜角波形與半余弦波形。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及雷電流樣本統(tǒng)計結(jié)果，仿真時一般選擇2.6/50 μs的斜角波作為仿真雷電流波形。在ATP/EMTP中采用SOURCE的Slope-Ramp電流源元件，雷道波阻抗取250 Ω。

2.2.2 線路模型

ATP/EMTP中線路模型包括Bergeron、PI、Jmar?ti、Semlyen和Noda模型，其中Bergeron模型和Jmarti模型可將每相表示為耦合的多導(dǎo)線不換位的分布參數(shù)，其為計算雷擊桿塔或?qū)Ь€過電壓時線路仿真建模的主要方法。其中，Jmarti模型的導(dǎo)線分布參數(shù)與雷電流頻率及波阻抗不均勻分布特性相關(guān)。Bergeron模型則為固定頻率下的線路參數(shù)計算及分布。筆者采用Jmarti模型對線路結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行建模，為Lines/Cables的LCC電流源元件。

2.2.3 桿塔模型

通常輸電線路桿塔的模型有三種：集中電感模型、單一波阻抗模型、多波阻抗模型。對需要精確仿真各相導(dǎo)線閃絡(luò)情況的桿塔建議采用多波阻抗模型。一基桿塔的波阻抗包括主體分段波阻抗、支架波阻抗、橫擔(dān)波阻抗，每部分波阻抗可通過尺寸和幾何形狀計算獲得。在ATP/EMTP中采用LINE?ZT_1元件。

2.2.4 接地電阻模型

接地電阻計算公式如下：

式中，R0為在小電流低頻率下的接地電阻，R為接地電阻，I是通過接地電阻的雷電流，E是土壤電離梯度（大約300 kV/m），是土壤電阻率。在ATP/EMTP中利用一個TACS控制電阻，在其輸入端輸入公式（6）。

2.2.5 絕緣子串閃絡(luò)模型

雷擊桿塔頂部或者避雷線，作用在絕緣子串上的電壓大于或等于線路絕緣子串的50%的沖擊閃絡(luò)電壓時絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，產(chǎn)生反擊。因此需要判據(jù)來判斷絕緣子串是否閃絡(luò)，從而建立相關(guān)的絕緣子串閃絡(luò)模型。目前研究的判據(jù)有：定義法判據(jù)、相交法判據(jù)和先導(dǎo)發(fā)展模型法判據(jù)。

定義法被廣泛采用，但常常被忽略的是采用它的前提，即只有作用在絕緣子串上的波形為標(biāo)準(zhǔn)波時，它才有堅實的理論與實驗依據(jù)。相交法判據(jù)很好地解決了非標(biāo)準(zhǔn)波下絕緣子串閃絡(luò)的判據(jù)問題，它采用絕緣子串上的過電壓波與伏秒特性曲線相交，即發(fā)生閃絡(luò)，不相交就不閃絡(luò)，是一種人為的處理方法。先導(dǎo)發(fā)展模型法判據(jù)考慮了電力系統(tǒng)遭到雷擊時真正加到絕緣子上的千差萬別的過電壓波形，從理論上比較符合放電的物理過程，利用了過電壓波的全部信息，能夠分析任意波形下絕緣子串的閃絡(luò)情況。誤差，甚至?xí)?dǎo)致出現(xiàn)不合理的結(jié)果。

筆者選擇先導(dǎo)發(fā)展模型法判據(jù)模擬絕緣子串的閃絡(luò)過程，在TACS中創(chuàng)建Model文件作為閃絡(luò)判據(jù)。

2.2.6 耐雷水平計算

通過以上方法搭建線路各部分仿真模型，模擬雷電流擊中桿塔頂部和導(dǎo)線情況下，致使線路發(fā)生反擊和繞擊跳閘的最小雷電流，即為桿塔的反擊耐雷水平If和最小繞擊耐雷水平Irmin。

由于規(guī)程法未考慮導(dǎo)線上的工頻電壓，所以雷電繞擊極I、極II并無區(qū)別，其最小繞擊耐雷水平Irmin可通過下式求得：

其中，U50%是指絕緣子串的50%沖擊放電電壓。

雷擊有避雷線的桿塔頂部時。其反擊耐雷水平If為：

式中：ht為桿塔高度，m；hd為橫擔(dān)對地高度，m；hg為避雷線對地平均高度，m；hc為導(dǎo)線平均高度，m；β為桿塔分流系數(shù)；k為導(dǎo)線和避雷線間的耦合系數(shù)；k0為導(dǎo)線和避雷線間的幾何耦合系數(shù)；Ri為桿塔沖擊接地電阻，Ω。

反擊跳閘率計算公式為

式中：g為擊桿率；If為反擊耐雷水平。

2.3 雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)

基于雷擊跳閘率計算結(jié)果，以《110（66）kV～500 kV架空輸電線路管理規(guī)范》風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對線路逐基桿塔進(jìn)行雷害風(fēng)險評估。風(fēng)險評估等級劃分采取如下分級指標(biāo)：

表1 雷擊風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Assessment criteria of lighting risk

“規(guī)范”中各電壓等級線路的雷擊跳閘率（歸算到40個雷暴日，2.78次/（km2·a）），應(yīng)達(dá)到如下指標(biāo)：

±400 kV：0.15次/百公里·年

根據(jù)柴拉線（青海段）走廊地閃密度平均值0.15次/（km2·a），對線路的雷擊跳閘率指標(biāo)值進(jìn)行換算，結(jié)果為0.007次/百公里·年。柴拉線雷擊閃絡(luò)風(fēng)險等級劃分指標(biāo)見表2。

表2 ±400kV柴拉線（青海段）雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估等級劃分指標(biāo)Table 2 Assessment level of lighting risk for±400kV Caidam-Lhasa DC transmission line

對各基桿塔的雷擊閃絡(luò)風(fēng)險劃分為A、B、C、D的目的是將各桿塔繞擊、反擊防雷性能的相對強(qiáng)弱更為直觀的表示出來。

2.4 雷擊閃絡(luò)風(fēng)險評估結(jié)果

沿線各基桿塔的雷擊跳閘率評估結(jié)果分布情況見圖5所示，從最后的評估結(jié)果可以看到，在綜合考慮線路結(jié)構(gòu)特征、地形地貌特征、桿塔絕緣配置、線路走廊雷電活動特征等因素的條件下，確定線路整體雷擊風(fēng)險處于A、B、C、D等級的桿塔數(shù)量分布為773、497、108、17基，分別占比55.41%、35.63%、7.74%、1.22%。因此，線路整體防雷效果較好的桿塔占總數(shù)的91.04%，相對防雷性能偏低的桿塔有共計125基，占到總數(shù)的8.96%，因此柴拉線（青海段）的整體防雷性能比較理想，與線路的實際運(yùn)行情況基本相一致。

圖5 柴拉線（青海段）不同雷擊風(fēng)險等級的桿塔數(shù)量分布Fig.5 Tower distribution of difference lighting risk for±400kV Caidam-Lhasa DC transmission line

3 治理策略研究

根據(jù)±400 kV柴拉線歷年來的運(yùn)行經(jīng)驗、線路結(jié)構(gòu)特征以及各種防雷措施的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，在對柴拉線進(jìn)行防雷改造時，建議主要采用可控放電避雷針和接地降阻裝置兩種措施進(jìn)行防雷改造。

3.1 可控放電避雷針

可控放電避雷針在接地電阻有保障的情況下，其防繞擊效果比較可觀，其經(jīng)濟(jì)造價較低，安裝方便，但可控針的保護(hù)范圍有限，因此比較適合于小檔距、低接地電阻的桿塔。

3.2 降阻接地裝置

對柴拉線全線接地電阻進(jìn)行實測，對接地電阻較高的桿塔進(jìn)行降阻改造。特別安裝可控針的桿塔，必須同時采用適當(dāng)?shù)慕底璐胧?/p>

結(jié)合線路已有雷擊跳閘故障及雷擊風(fēng)險評估結(jié)果，確定需進(jìn)行防雷改造桿塔的范圍及改造原則，制定治理策略如下：

1）發(fā)生過雷擊故障的桿塔；

2）雷擊風(fēng)險等級為D的桿塔；

3）雷擊風(fēng)險等級為C的桿塔。

根據(jù)雷擊風(fēng)險等級，制定全線改造方案，雷擊風(fēng)險等級為D、C的桿塔全部采取塔底降阻改造，共計125基桿塔；風(fēng)險等級為C的桿塔塔頭兩側(cè)安裝避雷針，共計108基桿塔，216支避雷針。

4 結(jié)論

1）結(jié)合±400 kV實際情況，提出考慮“極性效應(yīng)”及雷電入射角的電氣幾何模型；

2）考慮線路反擊可能性的存在，建議以ATP仿真模型進(jìn)行反擊耐雷水平計算，以提高反擊跳閘率計算結(jié)果準(zhǔn)確度；

3）對柴拉直流輸電線路（青海段）進(jìn)行防雷評估，確定線路整體雷擊風(fēng)險處于A、B、C、D等級的桿塔數(shù)量分布為 773、497、108、17基，分別占比55.41%、35.63%、7.74%、1.22%，因此，線路整體防雷效果較好的桿塔占總數(shù)的91.04%，相對防雷性能偏低的桿塔有共計125基，占到總數(shù)的8.96%；

4）建議以安裝可控避雷針和接地裝置降阻為主要防雷措施，同時，結(jié)合評估結(jié)果制定了全線的改造方案，其中，安裝避雷針216只，降低接電阻17基。

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Reaserch of Lighting Risk Assessment and Protection Measures for±400 kV Caidam-Lhasa DC Transmission Line

ZHOU Yu1，CHEN Lu2，PENG Jie1，HE Yanjiao3，MA Zhiqing1，MA Qi1，LIU jingzhi1
（1.Electric Power Research Institute，State Grid Qinghai Electrical Power Company，Xining 810008，China；2.Wuhan Nanrui Electric Co.,Ltd.,State Grid Electric Power Research Institute,Wuhan 430000,China；3.State Grid Qinghai Electrical Power Company,Xining 810008，China）

The paper carries out the computation of the shielding failure and the back trip-out rate of±400kV DC transmission line based on its parameters,massive lightning data from detection,highprecision topography,improved EGM and ATP/EMTP synthesis method.Combined with the index of tripout rate,it achieves the lightning damage risk assessment.It obtains actually flashover density values of each tower using line coordinates and reasonable mesh.The ground tilt value for the wire side is calculat?ed by excavating the terrain information of the unit of the tower.The minimum lightning withstand level of shielding failure trip-out and back trip-out is also calculated by using the improved EGM and ATP/EM?TP synthesis method.The maximum lightning withstand level of pole I and pole II is obtained combining with the incidence angle of the lightning current and ground tilt value of wire side.The shielding failure(pole I,pole II)and the back trip-out rate of Qinghai±400kV Caidam-Lhasa DC transmission line are calculated based on the actually flashover density of the tower and lighting level,then the lighting risk as?sessment tower to tower is realized and the specific lightning protection measures are proposed according to the line characteristics.

EGM；ATP/EMTP；trip-out rate；lighting risk assessment

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.017

2016-06-17

周瑜（1982—），男，高級工程師，從事狀態(tài)監(jiān)測、配網(wǎng)技術(shù)及電力試驗工作。