，，

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司 檢修分公司大同分部,山西 大同 037006；2.國網(wǎng)山西省電力公司 大同供電公司，山西 大同 037000)

0 引言

在我國高壓輸電線路故障中，雷擊故障占40%～70%，且絕大多數(shù)為雷電繞擊[1]。以冀北電力有限公司運維的500 kV輸電線路為例，2016年共發(fā)生線路故障26次，雷擊故障13次且均為繞擊，占故障總數(shù)的50%，已嚴(yán)重影響線路的安全運行。

為了降低500 kV輸電線路雷擊引發(fā)的設(shè)備故障，大同運維分部嚴(yán)格落實輸電線路防雷差異化治理要求。在大力降低桿塔接地電阻的基礎(chǔ)上，還采取在耐張塔上安裝可控避雷針，直線塔安裝防繞擊側(cè)針，局部山區(qū)雷擊易發(fā)區(qū)段安裝地線防繞擊針和線路避雷器的綜合治理措施[2]。但是可控避雷針、防雷側(cè)針以及地線防繞擊針等裝置防雷繞擊效果并不理想，僅有加裝線路避雷器的桿塔從未發(fā)生過雷擊閃絡(luò)故障。

盡管500 kV線路避雷器防雷電繞擊跳閘效果較好，但是成本較高。尤其是在復(fù)雜的山區(qū)，安裝避雷器將會面臨設(shè)備大，體積重，人工成本高等問題。倘若安裝不合理，不僅會造成資源浪費，而且也難以發(fā)揮防雷害的作用。如何在已安裝防雷裝置的線路上，合理制定避雷器安裝方案，已成為電網(wǎng)運維單位重要的研究課題。

1 線路選定

隨著雷電定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，各網(wǎng)省公司繪制了輸電線路雷害風(fēng)險分布圖，并給出相應(yīng)的使用原則，為運檢單位線路防雷改造提供了指導(dǎo)建議[3-4]。2012年4月，冀北電科院根據(jù)華北地區(qū)2003-2011年500 kV輸電線路途經(jīng)地區(qū)的落雷密度、雷害程度繪制并發(fā)布了雷害分布圖[5]，之后每年對其修訂，見圖1。

圖1 冀北電網(wǎng)500 kV線路雷害分布圖Fig.1 The 500 kV transmission lines lightning hazard maps of Jibei power grid

由圖1可知，冀北電網(wǎng)輸電線路雷害分為四個等級，雷害程度從一到四逐級遞增。大同分部運維的神保雙線大多數(shù)桿塔位于四級雷害易發(fā)的高山大嶺。由于神保二線已利用電網(wǎng)雷害分布圖在繞擊跳閘率較高的桿塔上布置了線路避雷器，并取得很好的防雷效果[5]，而神保一線并未進(jìn)行防雷優(yōu)化設(shè)計且連續(xù)兩年發(fā)生雷擊跳閘。因此，本文筆者神保一線四級雷害區(qū)內(nèi)的桿塔作為研究對象。

2 山區(qū)桿塔繞擊跳閘率計算關(guān)鍵點

2.1 電氣幾何模型分析法

電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T620雖然給出了根據(jù)桿塔高度和保護(hù)角計算繞擊跳閘率的經(jīng)驗公式[6]，但是該方法計算出的同類型塔在不同的山區(qū)繞擊跳閘率幾乎相同，計算結(jié)果與實際存在較大偏差。因此本文采用改進(jìn)電氣幾何模型，充分考慮了雷電流、地形、塔高、檔距、保護(hù)角等因素的影響，準(zhǔn)確計算出不同桿塔雷電繞擊概率[7-9]，為線路差異化治理提供了理論依據(jù)。

圖2 改進(jìn)電氣幾何模型Fig.2 The improved electro-geometric model

2.1.1 擊距與擊距系數(shù)計算方法

擊距是實現(xiàn)電氣幾何法對輸電線路繞擊建模的基礎(chǔ)。擊距rS與rg可按照IEEE推薦的公式(1)計算[10]：

(1)

根據(jù)公式(1)可以求得，電流與擊距的關(guān)系：

(2)

在考慮地面傾角為θg時，最大擊距的通用計算公式為[11]

(3)

式中：F=(rg/rS)2-sin2(θs+θg)；G=F×[(h-y)/cos(θs+θg)]2

2.1.2 雷電流分布描述

(4)

則雷電流概率密度函數(shù)為[12]

(5)

2.1.3 繞擊閃絡(luò)率計算

繞擊閃絡(luò)率Pr是當(dāng)雷電流擊距出現(xiàn)在允許擊距和最大臨界擊距之間時，導(dǎo)線被雷電繞擊且發(fā)生閃絡(luò)的概率。計算方法見式(6)[13]：

(6)

式中，起始繞擊雷電流值可按照IEC標(biāo)準(zhǔn)公式求得導(dǎo)線耐雷水平[16]，Ic=2U50%/Zc，Zc=250 Ω；最大繞擊雷電流Imax，可由式(2)和(3)求得。

2.1.4 繞擊跳閘率

將左右兩側(cè)導(dǎo)線繞擊閃絡(luò)率之和折算至線路100公里跳閘次數(shù)[14-16]，即為線路繞擊跳閘率(單位：次/100 km·a-1)：

Nr=0.1×Ng×(Pra+Prc)

(7)

式中：Ng為平均落雷密度(單位：次/100 km·a-1)，依據(jù)冀北電科院統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2014年神保雙線四級雷害區(qū)落雷密度為2.87次/km2·a-1；Pra和Prc分別為導(dǎo)線左相和右相繞擊閃絡(luò)率。

2.2 重要參數(shù)的取值

2.2.1 線路離地高度和坡角的影響

由上節(jié)可知，導(dǎo)、地線離地距離和垂線路方向的地面傾角是電氣幾何分析中的重要參數(shù)，其值的變化將會引起線路繞擊跳閘率的變化。為獲取線路海拔高度和相應(yīng)的坡角，可將導(dǎo)線檔段分為多段，測得沿線路各提取點對應(yīng)的海拔高度以及垂線路方向的地面傾角[7]。

2.2.2 檔距弧垂的影響

超高壓輸電線路檔距較大時，導(dǎo)地線弧垂相對較大，導(dǎo)線對地距離也隨之發(fā)生變化，檔段中不同位置的繞擊閃絡(luò)率也有所差異。因而本文在計算導(dǎo)線檔段繞擊閃絡(luò)率時，先按一定步長對檔段各處分別計算，然后再加權(quán)平均[16]。

由于架空導(dǎo)線檔距較大，導(dǎo)線材料的剛性影響可以忽略不計，且導(dǎo)線載荷為均勻分布，可將導(dǎo)線懸掛形狀認(rèn)為是“懸鏈線”。通常懸掛曲線采用雙曲線方程進(jìn)行描述，但其運算較為復(fù)雜，因此在工程計算中往往采用平拋物線公式計算導(dǎo)、地線弧垂[17]。如圖3所示，若坐標(biāo)原點O位于桿塔導(dǎo)線懸掛點，其公式為

(8)

圖3 弧垂計算示意Fig.3 Schematic diagram of sag calculation

式中：fsx為導(dǎo)線任意點弧垂；l為檔距;x為檔距中的任意點對弧垂坐標(biāo)原點的距離;fsm為導(dǎo)線在某溫度下的最大弧垂。

同理，避雷線任意點弧垂公式可表達(dá)為

(9)

式中：fcx為避雷線任意點弧垂;fcm為避雷線在某溫度下的最大弧垂。

導(dǎo)線和避雷線的最大弧垂fsm和fcm，可在線路施工圖紙的“導(dǎo)地線架線弧垂及線夾安裝距離調(diào)整表”中查找。

導(dǎo)線對地高度修正公式[7]：

(10)

同理，避雷線對地高度修正公式：

(11)

式中：Hc為較低桿塔避雷線懸掛點對地高度；Δh′為相鄰桿塔避雷線懸掛點高度差。

2.2.3 保護(hù)角的影響

當(dāng)線路兩側(cè)直線塔導(dǎo)、地線間距變化不大時，保護(hù)角可按公式(11)進(jìn)行工程計算。

(12)

式中：D1和B1分為較低桿塔導(dǎo)線和地線距桿塔中軸水平距離；D2和B2為較高桿塔導(dǎo)線和地線距桿塔中軸水平距離。

3 復(fù)雜山區(qū)桿塔防雷性能評估

3.1 線路基本參數(shù)

500 kV神保一線四級雷害區(qū)內(nèi)的桿塔均處于Ⅱ級氣象區(qū)，污穢等級為b級。由于該區(qū)段內(nèi)耐張塔已全部安裝可控避雷針，因此只計算直線塔繞擊跳閘率即可實現(xiàn)防雷方案的優(yōu)化。該區(qū)域共有四類直線塔：ZⅠG、ZⅡG、ZⅢG和ZⅣG；導(dǎo)線采用4×LGJ-400/35鋼芯鋁絞線，分裂間距450 mm；地線為GJ-80鍍鋅鋼絞線；絕緣采用FXBW-500/180型復(fù)合絕緣子。各類塔頭尺寸及絕緣子結(jié)構(gòu)高度等參數(shù)見表1。

表1 桿塔基本尺寸及絕緣配置情況Table 1 Dimension of tower and insulation coordination scheme

3.2 繞擊跳閘率計算

3.2.1 導(dǎo)線、地線與地面相對位置

以神保一線324號-325號為例。324號與325號桿塔均采用保護(hù)角最小的ZⅢG型塔，呼稱高分為27 m和30 m，海拔位于1400-1500 m之間，檔距長達(dá)737米，導(dǎo)線跨越山谷，是典型的跨深谷桿塔。因此，在建模分析時，可采用文中所述方法[7]。先在檔段內(nèi)選取合適的測量點，通過GPS定位儀和全站儀，分別測得導(dǎo)線各觀測點的海拔高度及其垂線路地面傾角，測量數(shù)據(jù)詳見表2。再利用MATLAB數(shù)學(xué)工具，參照線路走廊斷面圖，將深谷離散的地面測量點的海拔高度進(jìn)行線性模擬，形成線路地形數(shù)據(jù)庫。最后根據(jù)山谷兩側(cè)桿塔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及導(dǎo)地線弧垂公式，模擬出導(dǎo)地線弧垂曲線，見圖4。

表2 測量結(jié)果Table 2 The measure result

圖4 導(dǎo)地線與地面相對位置Fig.4 Relative position of conductor and ground conductor to the ground

3.2.2 地面傾角及保護(hù)角

通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)線路兩側(cè)地面傾角過渡較為平滑，可用表2中地面傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。θl為桿塔左側(cè)地面傾角；θr為桿塔右側(cè)地面傾角，擬合曲線見圖5。

圖5 地面傾角沿檔距方向變化Fig.5 Change of ground elevation along the span

經(jīng)計算神保一線324號和325號桿塔保護(hù)角在導(dǎo)線掛點處最大為11°，在檔距中央最小降為7.76°,見圖6。由于地線與導(dǎo)線的應(yīng)力不同，沿線路走向在相同的位置導(dǎo)線弧垂大于地線弧垂，造成導(dǎo)線保護(hù)角隨著檔段弧垂的增大而減小[18]。

圖6 保護(hù)角沿檔距方向變化Fig.6 Change of protection angle along the span

3.2.3 繞擊跳閘率計算

324號-325號檔段繞擊跳閘率計算結(jié)果，見圖7。曲線a只考慮導(dǎo)地線距地面高度，并假設(shè)檔段內(nèi)導(dǎo)線保護(hù)角θs=11°和地面傾角θg=0°，計算結(jié)果隨著導(dǎo)線離地高度的增加而增加；曲線b假設(shè)地面傾角θg=0°且導(dǎo)線保護(hù)角隨檔段變化，計算結(jié)果小于曲線a并隨著檔段內(nèi)保護(hù)角的減小而減?。磺€c是導(dǎo)線保護(hù)角和地面傾角隨檔段變化的計算結(jié)果，受地面傾角影響其形狀明顯不同于曲線b。其中，325號桿塔保護(hù)角始終為11°，計算結(jié)果隨著坡角的增大而增大。因此，導(dǎo)線跨越深谷時復(fù)雜多變的地形對其影響不容忽視，不僅會造成計算結(jié)果不均勻分布，甚至遠(yuǎn)高于兩側(cè)桿塔的繞擊跳閘率。

圖7 繞擊跳閘率沿檔距方向變化Fig.7 Change of shidlding failure flashover rate along the span between two towers

左、右側(cè)導(dǎo)線繞擊跳閘率計算結(jié)果，如圖8所示。導(dǎo)線左側(cè)繞擊跳閘率小于右側(cè)，其主要原因是該側(cè)地面傾角大多為負(fù)值，地面對導(dǎo)線起到了較好的屏蔽作用。在地面傾角以及其他條件的綜合影響下，左側(cè)導(dǎo)線繞擊跳閘率峰值出現(xiàn)了偏移，最大值既不在導(dǎo)線中央也不在導(dǎo)線距地最遠(yuǎn)處。因此，只計算復(fù)雜山區(qū)線路弧垂最低點或距地最遠(yuǎn)點的繞擊跳閘率從而進(jìn)行避雷器選點是不可取的。

圖8 左右側(cè)導(dǎo)線繞擊挑閘率Fig.8 Shielding failure flashover rate of left and right transmission lines

4 避雷器的安裝

大同運維分部選定神保一線四級雷害區(qū)地形地貌復(fù)雜的桿塔及檔段作為研究對象。通過梳理線路已有防雷設(shè)施，對其中未采用任何防雷措施的桿塔及檔段進(jìn)行繞擊跳閘率計算。隨后選取導(dǎo)線檔段繞擊跳閘率均值相對較高的桿塔作為安裝點。具體塔號見表3。

表3 避雷器安裝表Table 3 Arrester installed sheet

2015年雷雨季節(jié)前，大同運維分部在神保一線安裝了20套500 kV線路避雷器。通過連續(xù)兩年觀測，線路并未發(fā)生雷擊跳閘，且上述20支避雷器計數(shù)器均有示數(shù)變化。這不僅說明采用上述方法布置的線路避雷器能夠有效防止線路雷擊跳閘，而且也證明利用電網(wǎng)雷害分布在跨越深谷、山區(qū)等特殊地貌桿塔上合理布置避雷器的方法是科學(xué)的和可行的。運維單位成功實現(xiàn)了避雷器優(yōu)化安裝。

5 結(jié)論

通過對神保一線復(fù)雜山區(qū)檔段及兩側(cè)桿塔進(jìn)行雷害綜合評估并合理安裝線路避雷器，筆者得出如下結(jié)論:

1)在平原或地勢較為平緩地區(qū)，高桿塔是線路雷害治理的重點。按照塔型和呼稱高分類對檔段兩側(cè)桿塔進(jìn)行繞擊計算，即可快速查找到平原地區(qū)繞擊跳閘率較大的桿塔。在線路治理時應(yīng)推行差異化改造方針，在接地電阻滿足防雷治理要求的前提下，可在呼稱較低的桿塔上加裝防繞擊側(cè)針或可控避雷針；在跨越高鐵、高速公路等重要高跨越桿塔兩側(cè)安裝線路避雷器。

2)山區(qū)線路防雷應(yīng)該分層級治理[19]。不僅要對接地電阻較大的桿塔加裝接地模塊，還應(yīng)結(jié)合地形、地貌、桿塔結(jié)構(gòu)等因素對線路進(jìn)行雷害評估，選取最為經(jīng)濟(jì)有效的防雷措施。

3)減小保護(hù)角能夠有效提升線路防雷水平。改變塔頭尺寸雖能減小保護(hù)角，但投入成本較高。增加絕緣子片數(shù)或安裝較長的復(fù)合絕緣子等改造措施不僅能夠有效提升線路的絕緣水平，而且能夠改善導(dǎo)線防雷電繞擊的能力。