输电线路绕击耐雷性能计算方法研究探索

张金国

摘 要：针对电网快速发展已给输电线路绕击耐雷性能计算带来的新问题，结合输电线路的发展现状和未来趋势，比较、分析了几种常用的绕击耐雷性能计算方法，重点分析了其计算过程和优缺点，并提出了亟待解决的问题及相应的改进方法，最后指出，今后的研究重心应该放在寻求一种能够有效考虑平行走廊分布的，不同电压等级线路间的相互屏蔽作用上，主要有两类情况，即分析高电压等级对低电压等级的屏蔽和分析标高高位的线路对低位线路的屏蔽。这两类情况均要考虑包括线路本身击距、标高、杆塔高度、杆塔所处地理位置和情况等因素的输电线路绕击耐雷性能计算模型和方法，以指导输电线路防雷设计向着更为可靠与经济的方向发展。

关键词：输电线路；绕击耐雷性能；屏蔽作用；线路绕击率

中图分类号：TM863 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.114

从电网的实际运行情况来看，输电线路安全、可靠运行的最大威胁仍是雷害。莆田地区四区一县中有3个位于强雷区。2013—2014年，35～220 kV输电线路主要跳闸原因按次数依次为雷击、外力破坏、异物、山火、产品质量、冰害、鸟害、风害。其中，雷击跳闸占比达50%以上，尤其是2014年，雷害占比高达60%.220 kV线路雷电跳闸占自然灾害的比例超过60%，雷电已成为莆田输电网络可靠供电的最大威胁。国内外经过几十年的防护雷电研究，已取得许多重要成果，并获取了许多正确的耐雷水平确定方法。

随着我国经济的发展，电力需求日增，输电线路建设剧增，土地资源越发珍贵。据统计，输电线路通道费用占线路建设投资的比例呈上升趋势，已达20%以上。在输电线路的设计上，不同电压等级线路同一平行通道分布设计已极为常见，因不同线路间存在屏蔽作用等，需要进一步完善耐雷水平确定方法。

比较、分析几种常用的绕击耐雷性能计算方法，重点分析其计算过程和优缺点，笔者就如何寻求一种能够有效考虑平行走廊分布的，不同电压等级线路间的相互屏蔽作用的耐雷水平确定方法提出一些自己的看法。

1 输电线路发展趋势

1.1 输电线路发展建设的主要问题

面对我国城镇化建设进度不断深入，土地资源越发紧张，

电力先行与土地规划矛盾不断升级，相互促进、相互制约的情况，为适应环境，紧凑型输电线路已成为主要发展模式。

1.2 输电线路今后的主要发展模式

输电线路今后的主要发展模式有以下3种：①为平衡电力建设和土地资源两者的关系，输电线路架设模式逐步由原来单回路向同塔多回路转变；②采用技术成熟的不同电压等级同塔多回路架设模式；③同一通道不同电压等级多回路同塔架设模式。

2 输电线路雷电防绕击研究现状

国内外几十年研究分析和运行经验表明，现有的几种雷电防绕击计算方法和模型在一定程度上是科学、可行的。

2.1 规程法

采用规程法，通过分析线路地线保护角、线路所处地理位置（地形、地貌、山背、山脊、地质条件、邻近水库等）、杆塔高度、杆塔标高等因素，得到平原、山区线路绕击率关系式分别如下：

式（1）（2）中：α为地线保护角，°；Pα为绕击率，%；h为杆塔高度，m。

经过多年的运行经验证实规程法科学、可靠，但其是基于小电流试验模型所得的。随着电网的不断发展，负荷不断增加，该方法已越来越无法反映具体线路特征，更无法对线路间的屏蔽作用现象进行解释，已跟不上时代的发展，不适用于现有的紧凑型输电线路。

2.2 先导发展模型法

先导发展模型LPM是一种利用长间隙放电过程来模拟自然雷电放电过程，通过分析吸引半径、侧面距离等参数来判断实际雷电活动情况的分析计算模型。分析过程所用的吸引半径、侧面距离等参数由雷电流幅值、结构物高度构建函数所得。这些参数是否符合雷电实际活动情况，有待进一步实践证明。

2.3 电气几何模型法

电气几何模型EGM是一种建立雷电放电特性与线路结构尺寸相关联的几何分析计算模型。假设杆塔、避雷线、导线三者击距相等，在雷电未击穿物体前，击中点不确定。图1为EGM屏蔽保护计算几何图。

图1中，雷电流强度I的雷电先导定位置曲线为CABD，弧线AC和AB分别以地线、导线为圆心、半径为rs的圆弧，BD为平行于地面、高度为rk的直线。弧线AB为暴露弧线，定位在AB上的落雷将绕击导线；弧线AC为屏蔽弧线，定位在AC上的落雷将击中避雷线。随着雷电流的增加，暴露弧段越来越小，对应于CmAmBmDm的雷电流为可发生绕击的最大雷电流Imax，对应导线、地面的最大击距分别为rsmax，rkmax，导线将被完全屏蔽。综上可知，仅当雷电流强度I∈（Imin，Imax）时，绕击率的计算如下：

式（3）（4）中：Ng为地闪密度，km2/a；Imin为可发生绕击的最小雷电流，为2～3 kA；Imax为可发生绕击的最大雷电流，kA；Zs为导线的暴露距离，m；Ic为可发生绕击的临界雷电流，kA；p（I）为雷电流幅值的概率密度函数。

该方法已被广泛使用于解释线路绕击特性分析和屏蔽失效现象。由于其假定在雷电未击穿物体前，杆塔、避雷线、导线三者击距相等，导致计算结果产生偏差。

2.4 改进的电气几何模型法

针对经典电气几何模型计算方法的不足，Eriksson提出改进模型，借由吸引距离来考虑杆塔高度对雷电防绕击分析计算的影响，更加接近实际。雷电先导进入吸引半径内即发生雷击，超出吸引半径的即直接击向地面，为后续研究提供指导方向。

3 亟待解决的问题

随着电网的不断发展，各种电压等级输电线路交错纵横，整体输电网络越发复杂，寻找合理的绕击计算方法尤为重要。改进的电气几何模型法有效考虑了线路间的相互屏蔽作用、电压等级、高度等因素对击距的影响以及雷击大地、避雷线、导线时的差别。因此，如何改进，以最大限度地接近现场实际情况成为重要的研究课题。下面就改进方法的关键因素进行简要说明。

3.1 击距公式

上述两种击距公式均只考虑雷电流幅值、杆塔高度因素的影响，且分析计算结果同实际情况是否吻合还有待检验。因此，击距公式的选择有待进一步研究。

3.2 雷电先导对导线与地面击距不同的影响

击距系数k，即雷电先导对地击距与雷电先导对导线击距的比值。击距系数会直接影响绕击跳闸率计算结果和对线路耐雷水平的评估工作。在经典的电气几何模型中，事先假定雷电先导对导线、避雷线、地面三者的击距相等。但此属于理想化设想，现实中线路杆塔高度不断增加。此设想已无法真实反映现场实际情况，无法科学模拟雷电活动情况。现较常见的3种击距模型，朱氏模型选定击距系数k为0.9，Mousa选定击距系数k为1.0～1.2，IEEE导则选定击距系数k为0.6375～1.IEEE导则中击距系数表达式为：

3.3 考虑各因素对雷电绕击跳闸率的影响

由现场运行经验可知，在同一平行走廊分布的不同电压等级线路间存在两类屏蔽作用，要考虑线路本身击距、标高、杆塔高度、杆塔所处地理位置和情况等因素。然而，传统方法均不能够很好地描述不同因素对绕击跳闸率的影响，因此，对改进的电气几何模型再进行相应改进，以有效考虑不同因素的影响还有待进一步研究。

4 输电线路绕击耐雷性能研究的展望

随着电网的不断发展，各种电压等级输电线路交错纵横，整体输电网络越发复杂，杆塔高度越来越高，塔型结构越发复杂，传统输电线路绕击计算方法已不满足实际需求，寻找合理的绕击计算方法尤为重要。它将指导输电线路防雷设计向着更为可靠与经济的方向发展。今后研究的重点是结合实际情况，寻找一种能够有效考虑高电压等级线路对低电压等级线路间屏蔽作用和标高高位的线路对低位的线路的屏蔽作用的输电线路绕击耐雷性能计算模型和方法，指导输电线路防雷设计向着更为可靠与经济的方向发展。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕