馮瑞發(fā)，蔡漢生，廖民傳，屈 路，劉 剛，賈 磊，胡上茂，胡泰山

(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州510663)

0 引言

高壓輸電線路跨越距離遠(yuǎn)，沿途經(jīng)過(guò)復(fù)雜的地形地貌，氣候條件惡劣，雷電活動(dòng)頻繁，線路經(jīng)常發(fā)生雷擊跳閘，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行[1-3]。為降低線路雷擊跳閘率，有必要采取一定的防雷措施來(lái)提升線路耐雷水平，由于輸電走廊雷電活動(dòng)強(qiáng)度、地形地貌、桿塔結(jié)構(gòu)及絕緣配置等情況的差異[4-5]，在線路設(shè)計(jì)階段，盲目對(duì)線路配置統(tǒng)一的防雷措施勢(shì)必造成技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差，不符合電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)[6]。因此，為針對(duì)性進(jìn)行防雷配置，需充分利用線路走廊區(qū)段中的相關(guān)信息，基于合理準(zhǔn)確的計(jì)算方法評(píng)估線路逐基桿塔的雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)，確定桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并按相關(guān)規(guī)程對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較高的桿塔進(jìn)行差異化防雷配置，提高系統(tǒng)防雷的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者開(kāi)展了輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)研究[7-9]，文獻(xiàn)[7]聯(lián)合基于GEV分布的反擊閃絡(luò)時(shí)變概率模型和改進(jìn)電氣幾何模型(electro-geometry model,EGM)，提出基于實(shí)測(cè)雷電流的輸電線路雷擊實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。文獻(xiàn)[8]基于改進(jìn)電氣幾何模型，對(duì)在運(yùn)的500 kV山區(qū)線路開(kāi)展了雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及差異化防雷改造研究。文獻(xiàn)[9]提出基于三時(shí)次雷區(qū)信息的電網(wǎng)雷擊概率計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了雷電故障的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及雷擊跳閘概率的計(jì)算。

開(kāi)展輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計(jì)算桿塔的雷擊跳閘率[10]。目前一般采用規(guī)程法來(lái)計(jì)算反擊跳閘率，采用電氣幾何模型來(lái)計(jì)算繞擊跳閘率，但在計(jì)算反擊跳閘率時(shí)，未考慮工頻電壓對(duì)絕緣子串建弧率的影響，計(jì)算繞擊跳閘率時(shí)，較少考慮導(dǎo)線間相互屏蔽效應(yīng)及導(dǎo)線周?chē)鷺?shù)木的影響。

為了對(duì)新建線路開(kāi)展準(zhǔn)確的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，筆者提出一種可快速用于實(shí)際線路工程雷擊跳閘率計(jì)算的改進(jìn)方法，該方法基于改進(jìn)的規(guī)程法和電氣幾何模型，綜合考慮建弧率、實(shí)際雷電流幅值概率分布特性、雷電入射角、地面傾角、多導(dǎo)體相互屏蔽及線路周?chē)鷺?shù)木等因素的影響，對(duì)廣州某500 kV新建線路逐基桿塔雷擊跳閘率進(jìn)行了計(jì)算，并按最新印發(fā)的南網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)劃分了桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)一步計(jì)算對(duì)比了不同防雷配置措施的防護(hù)效果。

1 雷擊跳閘率計(jì)算

1.1 基于改進(jìn)規(guī)程法的反擊跳閘率計(jì)算

GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)與絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中推薦桿塔反擊跳閘率采用式(1)～(4)計(jì)算，目前一般通過(guò)EMTP仿真計(jì)算確定桿塔反擊耐雷水平，然后結(jié)合規(guī)程推薦的公式來(lái)計(jì)算反擊跳閘率。

Rf=ηNLgP(>Iminf)

(1)

(2)

η=(4.5E0.75-14)×10-2

(3)

(4)

式中，Rf為折算至40個(gè)雷暴日和百公里線路長(zhǎng)度下的桿塔反擊跳閘率，次/(100 km·a)；η為絕緣子串建弧率；NL為線路落雷次數(shù)，次/(100 km·a)；g為擊桿率；P(>Imin,f)為雷電流幅值大于耐雷水平的概率，Imin,f為反擊耐雷水平，kA；Ng為地閃密度，次/(km2·a)；hT為桿塔高度，m；b為兩避雷線之間的距離，m；E為絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度有效值，kV/m；li為絕緣子串放電距離，m。

一般在計(jì)算絕緣子串建弧率η時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行電壓取有效值，但由于運(yùn)行電壓相角在0°～360°范圍內(nèi)隨機(jī)變化，按有效值計(jì)算的建弧率和按運(yùn)行電壓相角平均值計(jì)算的建弧率相差較大，直接影響反擊跳閘率的結(jié)果，以500 kV線路為例，絕緣子串放電距離取4.15m，按有效值計(jì)算時(shí)，建弧率為0.944；按0°～360°相角內(nèi)每隔30°計(jì)算出的平均建弧率為0.753，相比有效值的計(jì)算結(jié)果小20.2%，可見(jiàn)不宜直接采用有效值計(jì)算，本研究按平均值計(jì)算建弧率。

其次，IEEE工作組推薦的雷電流幅值累積概率分布公式原型[12]如下：

(5)

式中，I為某一給定的雷電流幅值，kA；a、b為待定參數(shù)，IEEE推薦a=31，b=2.6。考慮到雷電流幅值分布的時(shí)空差異性，本文在進(jìn)行實(shí)例計(jì)算時(shí)a、b根據(jù)待評(píng)估線路所在的廣州區(qū)域2008-2017年雷電定位系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的雷電流幅值分布情況統(tǒng)計(jì)擬合得出。統(tǒng)計(jì)擬合方法如下：按雷電流幅值ΔIkA為間隔依次統(tǒng)計(jì)落在(0,ΔI]、(ΔI,2ΔI]、…、(Imax-ΔI,Imax]、(Imax,∞)區(qū)間內(nèi)的地閃次數(shù)N0、N1、…、Nm-1、Nm，取Imax=600 kA、ΔI=2 kA，分別計(jì)算出I取0、ΔI、…、Imax-ΔI、Imax時(shí)P(>I)的值，得到一系列離散點(diǎn)(0,P(>0))、(ΔI,P(>ΔI))、…(Im-ΔI,P(>Im-ΔI))、(Im,P(>Im))，然后利用最小二乘優(yōu)化算法[12]對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得出a、b值，經(jīng)擬合得到a=27.25，b=3.67。

1.2 基于改進(jìn)EGM的繞擊跳閘率計(jì)算

由H.R.Armstrong和E.R.Whitehead于1968年提出的經(jīng)典電氣幾何模型[13]在分析線路繞擊耐雷性能時(shí)未考慮雷電入射角、地形地貌、多導(dǎo)體相互屏蔽及線路周?chē)鷺?shù)木的影響，造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有些不符，筆者采用改進(jìn)電氣幾何模型進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)充分考慮以上因素的影響，模型如圖1所示。

圖1 改進(jìn)電氣幾何模型示意圖Fig.1 Improved EGM schematic diagram

采用電氣幾何模型進(jìn)行繞擊計(jì)算的基礎(chǔ)是確定擊距，筆者采用式(6)～(8)[11]計(jì)算擊距。

rs(I)=10I0.65

(6)

rc(I)=1.63(5.015I0.578-0.001Uph)1.125

(7)

(8)

式中，rs(I)、rc(I)和rg(I)分別為雷電流I對(duì)地線、導(dǎo)線和大地的擊距，m；Uph為導(dǎo)線上工作電壓瞬時(shí)值，kV；hc,av為導(dǎo)線對(duì)地平均高度，m。

自然界中的雷電可能從不同方向繞擊導(dǎo)線，雷電先導(dǎo)入射角采用文獻(xiàn)[14]中的概率密度分布函數(shù)計(jì)算。先導(dǎo)入射角以垂直中性線為參考線，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。

(9)

考慮傾角和雷電入射角后，可通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為水平地面及雷電垂直入射的情形計(jì)算[15]，設(shè)考慮傾角和雷電入射角時(shí)坐標(biāo)系為xoy，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ后的坐標(biāo)系為x′oy′，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x′,y′)，則有：

(10)

如圖1所示，考慮多導(dǎo)體間的屏蔽效應(yīng)時(shí)，A相導(dǎo)線被避雷線和B相導(dǎo)線屏蔽，B相導(dǎo)線被A、C相導(dǎo)線屏蔽，C相導(dǎo)線被B相導(dǎo)線和大地屏蔽。這樣可利用屏蔽后的導(dǎo)線暴露弧對(duì)應(yīng)投影長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算繞擊率(shielding failure rate,SFR)，設(shè)某一雷電流為I，則第k相導(dǎo)線的繞擊率為

(11)

式中，χkSFR(I)為雷電流為I時(shí)第k相導(dǎo)體的繞擊率；Dk[rc(I),φ]、Ds[rs(I),φ]分別為雷電流I時(shí)入射角為φ下第k相導(dǎo)線暴露弧投影長(zhǎng)度和地線屏蔽弧投影長(zhǎng)度。

進(jìn)一步得到第k相導(dǎo)體的繞擊閃絡(luò)率(shielding failure flashover rate,SFFOR)為

(12)

式中，Ikmin、Ikmax分別為第k相導(dǎo)線的繞擊耐雷水平和最大繞擊雷電流，kA；最大繞擊雷電流可通過(guò)電氣幾何模型求解獲得。

實(shí)際在考核線路的雷擊跳閘率時(shí)，一般指單回線路折算至每百公里每年的雷擊跳閘率，對(duì)于同塔多回線，單基桿塔單回路的總繞擊跳閘率RSFFOR為

(13)

超/特高壓輸電線路一般輸電距離較遠(yuǎn)，經(jīng)?？缭礁呱缴指采w區(qū)，由于導(dǎo)線與樹(shù)木之間的距離需滿足一定要求，在設(shè)計(jì)桿塔高度時(shí)通?？紤]了樹(shù)木高度的影響。樹(shù)木的存在相當(dāng)于提升了地面高度，增大了大地對(duì)雷電的屏蔽效應(yīng)[16-17]，但經(jīng)典電氣幾何模型在計(jì)算繞擊跳閘率時(shí)并未考慮這點(diǎn)，因此本文在分析時(shí)考慮導(dǎo)線下方樹(shù)木的影響，并根據(jù)桿塔高度的不同，結(jié)合google earth三維地形圖，設(shè)置樹(shù)木高度在0 m～15 m之間變化，樹(shù)木距離導(dǎo)線的距離取30 m，考慮樹(shù)木影響后的桿塔繞擊跳閘率按下式進(jìn)行計(jì)算：

(14)

確定單基桿塔的反擊、繞擊跳閘率后，單回路第i基桿塔的雷擊跳閘率Ri可用式(15)計(jì)算：

(15)

2 輸電線路差異化防雷配置流程

2.1 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

對(duì)于新建線路，開(kāi)展線路差異化防雷配置的前提是基于桿塔雷擊跳閘率，根據(jù)雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)確定桿塔的雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。南網(wǎng)公司最新印發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的500 kV線路I～I(xiàn)V級(jí)雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分指標(biāo)如下表1所示。

表1 輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分指標(biāo)Table 1 Lightning strike risk level classification index of transmission line

表1中的桿塔雷擊跳閘率指桿塔及水平檔距范圍內(nèi)的跳閘率，線路雷擊跳閘率指全線平均雷擊跳閘率，可按式(16)進(jìn)行計(jì)算，雷擊跳閘率均為折算至年40個(gè)雷暴日和百公里長(zhǎng)度下的值，次/100 km·a。

(16)

式中，R為全線的平均雷擊跳閘率，M為桿塔基數(shù)，Li為第i基桿塔水平檔距，km;L為全線路徑長(zhǎng)度，km。

2.2 差異化防雷配置

確定桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)后，可對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高的桿塔進(jìn)行針對(duì)性防雷措施配置，直到桿塔和線路的雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)降低到II級(jí)及以下的水平，具體流程如圖2所示，圖中Rri表示桿塔繞擊跳閘率，Rfi表示桿塔反擊跳閘率，krf為桿塔繞擊、反擊跳閘率的比值，對(duì)于III、IV級(jí)雷擊風(fēng)險(xiǎn)的桿塔，可根據(jù)krf的大小，確定桿塔的雷擊防護(hù)類(lèi)型。

圖2 輸電線路差異化防雷配置流程Fig.2 Lightning protection measures configuration process of transmission line

2.3 防雷措施選取

目前線路雷擊防護(hù)的常見(jiàn)措施[19]包括減小地線保護(hù)角、降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器、加強(qiáng)線路絕緣及架設(shè)耦合地線等方式。其中減小地線保護(hù)角用于線路繞擊防護(hù)，一般結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行；架設(shè)耦合地線通過(guò)增加導(dǎo)地線間的電磁耦合來(lái)降低雷電過(guò)電壓，并分流雷電流，抑制塔頂電位升的方式進(jìn)行反擊防護(hù)；降低桿塔接地電阻可提升桿塔反擊耐雷性能；安裝線路避雷器及加強(qiáng)線路絕緣兩種防護(hù)措施均可用于桿塔的繞擊和反擊防護(hù)中，安裝避雷器是一種堵塞式的防雷方法，加強(qiáng)線路絕緣一般通過(guò)增加1～2片絕緣子，且塔頭尺寸間隙、構(gòu)件受力等應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)際采用何種防護(hù)措施需根據(jù)防雷計(jì)算結(jié)果，對(duì)比不同措施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性確定。

3 防雷評(píng)估實(shí)例

廣州某500 kV線路新建同塔雙回工程(簡(jiǎn)稱(chēng)GS線)全長(zhǎng)4.4 km，桿塔數(shù)量15基，位于山區(qū)的桿塔11基，導(dǎo)線型號(hào)4×ACSR-720/50，地線一根為OPGW，型號(hào)為OPGW-16B1-145，另一根普通地線型號(hào)為L(zhǎng)BGJ-120-40AC，典型桿塔型號(hào)為5G2W5-JDG。線路從小號(hào)側(cè)向大號(hào)側(cè)看過(guò)去的相序左側(cè)1回依次為C(上)B(中)A(下)，右側(cè)2回依次為A(上)B(中)C(下)，線路絕緣子耐張串采用28片U160BMP型玻璃絕緣子，干弧距離4 340 mm，跳線串采用FXBW4-500/100型復(fù)合絕緣子，干弧距離4 150 mm，懸垂串雙聯(lián)采用FXBW4-500/240型復(fù)合絕緣子，干弧距離4 300 mm，全線除2條避雷線外，無(wú)其他防雷措施。

3.1 GS線雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

采用上述改進(jìn)的規(guī)程法和電氣幾何模型，利用編制的VC++程序計(jì)算GS線逐基桿塔的雷擊跳閘率，分析時(shí)分別對(duì)左右兩側(cè)的1、2回線路進(jìn)行討論，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，圖4為桿塔的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。由評(píng)估結(jié)果可知GS線左側(cè)1回線路I、II、III及IV級(jí)的桿塔數(shù)量分別占53.3%、20.0%、20.0%及6.7%，右側(cè)2回線路I、II、III及IV級(jí)的桿塔數(shù)量分別占46.7%、33.3%、13.3%及6.7%，左側(cè)1回線有4基桿塔需進(jìn)行防雷配置，右側(cè)2回線有3基桿塔需進(jìn)行防雷配置。按照式(16)可計(jì)算得到左側(cè)1回線的平均雷擊跳閘率為0.184 1次/100 km·a；右側(cè)2回線路的平均雷擊跳閘率為0.180 9次/100 km·a，左右兩側(cè)線路均屬于雷擊II級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 桿塔雷擊跳閘率計(jì)算結(jié)果Fig.3 Lightning strike trip rate results of tower

圖4 桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Fig.4 Lightning strike risk assessment results of tower

3.2 GS線差異化防雷配置

在配置III級(jí)及以上風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)桿塔防雷措施前，需明確其繞、反擊防護(hù)類(lèi)型?，F(xiàn)計(jì)算1、2回線中雷擊風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到III級(jí)及以上桿塔的繞、反擊跳閘率比值krf，結(jié)果如表2所示。

表2 III級(jí)風(fēng)險(xiǎn)及以上桿塔繞、反擊跳閘率比值Table 2 Lightning trip rate ratio of level III/IV risk

從表2中可以看到，左側(cè)1回線路和右側(cè)2回線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)在III級(jí)及以上的桿塔繞、反擊跳閘率比值krf>1.2，說(shuō)明均需進(jìn)行繞擊防護(hù)。結(jié)合前面的分析，繞擊防護(hù)可采用安裝線路避雷器或加強(qiáng)線路絕緣水平的措施，現(xiàn)分別采用這兩種方式對(duì)表中高風(fēng)險(xiǎn)桿塔配置防雷措施，并對(duì)比不同方式的防護(hù)效果。其中，避雷器安裝在跳閘率較高的相上，安裝方式為3號(hào)塔(1A2C)、4號(hào)塔(1B2B)、12號(hào)塔(1B)及13號(hào)塔(1B2B)，(1A2C表示左側(cè)1回線路的A相和右側(cè)2回線路的C相安裝線路避雷器，下同)；加強(qiáng)絕緣水平時(shí)，對(duì)于3號(hào)和12號(hào)耐張塔，將跳線串的干弧距離由4 150 mm提高到4 300 mm，對(duì)于4號(hào)和13號(hào)直線塔，將懸垂雙聯(lián)串的干弧距離由4 300 mm提高到4 650 mm。分別計(jì)算得到GS線配置兩種防雷措施后的雷擊跳閘率及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，配置防雷措施后的桿塔雷擊跳閘率均有不同程度的下降，安裝避雷器后，左側(cè)1回線路的平均雷擊跳閘率降低為0.098 1次/100 km·a，右側(cè)2回線路的平均雷擊跳閘率降低為0.109 4次/100 km·a，分別較配置前降低46.7%和39.5%，線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)降到I級(jí)，左右兩側(cè)1、2回線路均無(wú)III、IV級(jí)雷擊風(fēng)險(xiǎn)的桿塔，防護(hù)效果達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求；而加強(qiáng)絕緣水平后，左側(cè)1回線路的平均雷擊跳閘率降低為0.164 2次/100 km·a，右側(cè)2回線路的平均雷擊跳閘率降低為0.161 4次/100 km·a，分別較配置前降低10.8%和10.8%，線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)仍然為II級(jí)，左右兩側(cè)1、2回線路仍各有2基III級(jí)雷擊風(fēng)險(xiǎn)的桿塔。可以看到安裝避雷器的防護(hù)效果顯著優(yōu)于加強(qiáng)絕緣水平的方式。從投入成本來(lái)看，雖然安裝避雷器的花費(fèi)略高于加強(qiáng)絕緣水平的方式，但其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，且加強(qiáng)絕緣水平方式可實(shí)施的前提是塔頭空氣間隙距離、桿塔構(gòu)件應(yīng)力等關(guān)鍵指標(biāo)滿足要求。因此，實(shí)際在進(jìn)行新建線路桿塔繞擊防護(hù)配置時(shí)，建議采用安裝避雷器的方式。

圖5 不同配置措施下的桿塔雷擊跳閘率Fig.5 Lightning strike trip rate of tower under different configuration measures

圖6 防雷配置后桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Fig.6 Lightning strike risk assessment results of tower under different configuration measures

4 結(jié) 論

1)針對(duì)傳統(tǒng)規(guī)程法和電氣幾何模型存在的不足，提出了考慮絕緣子串建弧率、實(shí)際雷電流幅值概率分布、地面傾角、雷電入射角、導(dǎo)線間屏蔽效應(yīng)及導(dǎo)線周?chē)鷺?shù)木高度等綜合因素影響的雷擊跳閘率計(jì)算模型，進(jìn)一步提高了線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性，為開(kāi)展新建線路防雷配置提供了理論科學(xué)依據(jù)。

2)提出了新建輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及防雷配置流程，開(kāi)展了廣州某500 kV線路新建線路工程逐塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算，配置防雷措施后桿塔雷擊跳閘率得到有效下降，表明本文防雷評(píng)估配置方法的合理性，該方法也適用在運(yùn)線路防雷改造。

3)從繞擊防護(hù)效果來(lái)看，安裝線路避雷器可將桿塔的雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)降到安全范圍內(nèi)，而加強(qiáng)線路絕緣水平僅能在一定程度上降低桿塔的雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較避雷器差，適用于繞擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)不高的桿塔的防護(hù)。