國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司鞍山供電公司 耿 野 沈金林 趙 輝

1 緒論

1.1 研究背景

輸電線路是傳輸電能的主要干架，其穩(wěn)定運(yùn)行才能保障體量不斷增大的電網(wǎng)系統(tǒng)高可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，輸電線路故障中有近50%是由雷擊引起的，尤其是在雷雨天氣居多的夏季，輸電線路被雷擊后產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓會(huì)使導(dǎo)線斷裂、絕緣子閃絡(luò)損壞、輸電線路跳閘，導(dǎo)致大面積停電，為生產(chǎn)生活帶來(lái)較大影響。因此，必須采取有效措施確保輸電線路防雷電擊中，這樣才能保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

1.2 研究現(xiàn)狀

我國(guó)的防雷措施主要考量不同地形地貌和氣象條件，包括架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻、安裝并聯(lián)間隙等相關(guān)技術(shù)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，常規(guī)的防雷技術(shù)不能與電網(wǎng)擴(kuò)建的速度相匹配，防雷技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)，輸電線路的防雷技術(shù)需要不斷改進(jìn)。

1.3 研究主要內(nèi)容

通過(guò)線上與線下大量資料檢索、收集與整理。本文首先總結(jié)了輸電線路雷擊的定義與分類，介紹了雷電相關(guān)參數(shù)、機(jī)理及特點(diǎn)，在充分分析220kV輸電線路常規(guī)防雷措施基礎(chǔ)上，提出了基于仿真模型的防雷算法，提出了基于該算法的差異化防雷方案，為電網(wǎng)企業(yè)實(shí)施新型防雷措施提供了參考。

2 輸電線路雷擊分析及相關(guān)參數(shù)

2.1 雷電的定義與形成原因

雷電是自然界產(chǎn)生的強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象[1]，主要由帶電云層放電引起，當(dāng)雷云層積累的大量電荷形成極性時(shí) ，在水蒸氣作用下釋放電荷。可見(jiàn)的雷電表現(xiàn)為雷閃和轟隆聲，當(dāng)云層中大量電荷與地面的感應(yīng)電荷在靜電作用下形成一定閾值的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，雷云層會(huì)對(duì)地面放電，即肉眼可見(jiàn)的強(qiáng)光也稱為雷閃。雷閃的速度快、強(qiáng)度高，會(huì)對(duì)放電的地面附近產(chǎn)生一定的破壞，例如，破壞絕緣設(shè)備、增大電壓、電網(wǎng)跳閘等，甚至?xí)?dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。

2.2 輸電線路的雷電參數(shù)

2.2.1 雷暴日與雷暴時(shí)長(zhǎng)

雷電日與雷暴時(shí)長(zhǎng)用來(lái)描述雷電活動(dòng)強(qiáng)度，用年雷暴日數(shù)D 表示。D 的值等于雷暴日除以每小時(shí)的雷電日數(shù)再除以總時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)D 的值劃分雷電活動(dòng)強(qiáng)度，詳見(jiàn)表1，雷暴日數(shù)增多，D 值也增大。

表1 雷電活動(dòng)強(qiáng)度劃分

2.2.2 地閃密度

地閃密度用表示，指單位面積內(nèi)每一雷暴日被雷擊的次數(shù)，即雷電活動(dòng)頻度。地閃密度反映了雷電的強(qiáng)度，等級(jí)劃分見(jiàn)表2。

表2 雷電強(qiáng)度分級(jí)

2.2.3 雷電流峰值

雷電流峰值的累積概率計(jì)算：

該值反映了地形地貌、大氣環(huán)境等因素對(duì)雷電流峰值分布的影響情況。

2.3 雷擊計(jì)算電路

雷電放電時(shí)，被擊物體的電流可以依據(jù)雷電流等值電路圖進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，電路模型如圖1所示。

圖1 雷電等值電路

由電路圖可確定被擊物體的電流計(jì)算：

其中，Zc為導(dǎo)線的波阻抗。

3 輸電線路防雷措施分析

3.1 輸電線路常規(guī)防雷措施基本原理

3.1.1 降低接地電阻

輸電線路防雷最重要的舉措是降低接地電阻，通過(guò)安裝桿塔接地電阻可以減少雷擊時(shí)形成的電壓，通過(guò)桿塔的接地網(wǎng)可分散雷電流，降低電位差，使反擊跳閘率隨接地電阻增大而提高。

3.1.2 安裝避雷器

當(dāng)雷電流的值較大時(shí)，降低桿塔接地電阻的措施不能起到明顯分流作用，需要安裝避雷器讓雷電流在電磁感應(yīng)作用下形成耦合分量，增加導(dǎo)線電位，降低電勢(shì)差，加強(qiáng)分流效果，進(jìn)而避免因遭遇雷擊而跳閘，起到防雷保護(hù)作用。

3.1.3 塔頂避雷針的防雷原理

在塔頂處加裝常規(guī)避雷針或可控放電避雷針可以提高桿塔吸引雷電的程度，降低雷電電流幅值，降低雷電的繞擊率。

3.1.4 安裝并聯(lián)間隙防雷原理

安裝絕緣子串并聯(lián)間隙可以提高重合閘成功率，疏導(dǎo)工頻電弧，提高輸電線路的運(yùn)行可靠性。

3.2 輸電線路新型防雷措施應(yīng)用原則

3.2.1 降低接地電阻

安裝桿塔降低接地電阻要綜合考量地域技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和地質(zhì)等方面的因素，例如，鹽堿腐蝕地區(qū)對(duì)桿塔進(jìn)行防腐處理，或選擇耐腐的桿塔；加裝桿塔的技術(shù)可以因水塘、淤泥等不同地區(qū)采用不同的接地方案，如伸長(zhǎng)接地、垂直接地等；此外，雷雨季節(jié)要做好日常檢查，對(duì)連接異常情況及時(shí)做防護(hù)處理。

3.2.2 安裝線路避雷器的原則

安裝線路避雷器避免線路絕緣雷擊閃絡(luò)應(yīng)滿足以下要求：雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到IV 級(jí)，采取了一定的防雷措施仍然出現(xiàn)重復(fù)雷擊跳閘現(xiàn)象，接地電阻阻值達(dá)到極限20Ω。

3.3 輸電線路雷擊故障分析

3.3.1 地形分析

輸電線路雷擊跳閘現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率受地形影響較大，山區(qū)、峽谷多于平原，山頂、山腰多于山腳下，輸電線路雷擊跳閘地形統(tǒng)計(jì)表詳情見(jiàn)表3。

表3 輸電線路雷擊跳閘地形統(tǒng)計(jì)表（單位：%）

3.3.2 相分析

220kV 單回輸電線路單相遭雷擊比率超過(guò)邊相，雙回輸電線路遭雷擊比率多于中、下相。故障相分布如圖2、圖3所示。

圖2 單回架空線路雷擊故障分布

圖3 雙回架空線路雷擊故障分布

4 基于仿真模型的防雷算法分析

4.1 仿真模型的建立

針對(duì)雷電流對(duì)架空線路的影響，線路和桿塔仿真線路模型采用分布式參數(shù)模型，即Hara 多波阻抗模型，該模型與真實(shí)值最接近，采取5基桿塔架構(gòu)，由4個(gè)不平行的導(dǎo)體系統(tǒng)組成，仿真架構(gòu)模型如圖4所示，主支架、支架、塔臂構(gòu)成了桿塔主結(jié)構(gòu)[2]。

圖4 仿真架構(gòu)模型

該模型的主支架波阻抗計(jì)算：

其中，k 為從上到下橫擔(dān)號(hào)；ZTk為 k 檔主材波阻抗；rek為 k 檔處導(dǎo)體系統(tǒng)等效半徑；kek為k 檔處橫擔(dān)高度；rTk為導(dǎo)體頂部半徑；RTk為頂部相鄰導(dǎo)體間的距離。

由主支架波阻抗模型推導(dǎo)出塔臂波阻抗為：

4.2 算法結(jié)果分析

基于上述仿真模型進(jìn)行仿真結(jié)果分析，其中：桿塔5根，檔距400m，雷電流幅度值120kA。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，求得變壓器、線路斷路器及線路電壓互感器在不同雷擊點(diǎn)的電壓峰值見(jiàn)表4。

表4 不同雷擊點(diǎn)電壓峰值（單位：kV）

由上表峰值電壓，可以判斷2#桿塔在遇雷擊時(shí)其設(shè)備過(guò)電壓值大于1#桿塔此種情況，其余3個(gè)桿塔變電站內(nèi)過(guò)電壓值逐漸下降。依據(jù)該表數(shù)據(jù)可以以推斷1#桿塔是離變電站最近的一個(gè)，其余桿塔與變電站的距離依次增加，因此雷電波進(jìn)入1#桿塔GIS 管體后形成了互相抵消的反射與原始波段。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用后，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明依據(jù)上述仿真模型采取的架設(shè)避雷線、安裝線路避雷器、降阻劑降阻、安裝可調(diào)并聯(lián)間隙等避雷技術(shù)，使輸電線路的平均跳閘次數(shù)下降了80%。防雷措施效果明顯、說(shuō)明了仿真結(jié)果的正確性。