特高压直流输电线路耐雷特性影响因素及防雷措施研究_王铮.pdf

特高压直流输电线路耐雷特性影响因素及防雷措施研究王铮（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 ）摘要：特高压直流输电线路在传输距离、送电容量、线路损耗、减少土地占用空间及节约输电线路投资成本等诸多方面都具有特殊优势，对于进一步调整和优化我国现有的能源资源机构和推动我国国民经济的稳定增长具有十分重要的作用。特高压直流输电线路分布广泛，跨越多个区域，有可能出现故障。根据统计，造成线路失效的最大因素就是雷击。基于此，以输电线路雷击过电压分类为切入点，对特高压直流输电线路的反击耐雷特性和绕击耐雷特性的影响因素进行了总结，并制定了特高压直流输电线路防雷措施，以期降低线路发生雷击跳闸的概率，减小雷击危害，实现电力资源的稳定输送。关键词：特高压直流输电线路；耐雷特性；影响因素；防雷措施中图分类号：（，）：，：；收稿日期：作者简介：王铮（），研究方向为线路结构。输电线路雷击过电压分类 感应雷过电压感应雷过电压是雷电并未直接击中输电线路，而是发生在其附近，此时的输电线路虽未被直接击中，但输电线路中的导线会在电磁感应的作用下产生与雷云极性相反的大量束缚电荷，从而形成的。经实测证明，绝大多数的感应过电压低于 ，这会在 及其以下的线路中引发闪络事故；而在 及其以上的输电线路中，由于其绝缘水平比 及其以下的线路高出较多，因此在线路中不会因感应雷形成的过电压而引发闪络事故。直击雷过电压直击雷可分为直接击中杆塔塔顶、直接击中避雷线档距中间、直接击中导线三种情况。其中，雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中间称为反击，雷绕过避雷线击中导线称为绕击。在反击时，自雷击点有一负电流沿着杆塔向下运动，有两个相同的负电流波分别自杆塔沿两侧避雷线向相邻杆塔传播。此外，自塔顶有一正电流波沿着雷电通道向上运动，此雷电流波的数值与三个负电流波数值之和相等。线路绝缘上的过电压即由这几个电流所引起。在接地电阻的影响下，通过输电塔的电流会使输电塔的电势快速升高，从而发生输电线路绝缘闪络。系统解决方案电工技术 特高压直流输电线路耐雷特性影响因素计算模型采用 特高压直流输电线路典型杆塔，杆塔结构尺寸如图所示。杆塔结构为导体系统，由塔主架、支架以及横担三部分组成。杆塔结构高度为，避雷线高于结构；导线型号为 ，分裂间距为 ；避雷线型号为 ，档距为 ；绝缘子是长度为 的合成绝缘子；雷暴天数为 天；雷电波阻抗在反击和绕击时分别取 和 。图 特高压直流输电线路典型杆塔 反击耐雷特性影响因素研究 极线电压的影响在上述参数模型中其他参数不变的基础上，在考虑极线电压和不考虑极线电压的情况下分别计算杆塔接地阻抗为 和 时输电线路的反击耐雷水平，见表。表 考虑极线电压和不考虑极线电压时输电线路的反击耐雷水平接地阻抗正极闪络 双极（负极）闪络 不考虑极线电压时 由表可知，在考虑极线电压时正极线的反击耐雷水平最低，其次为不考虑极线电压的反击耐雷水平，双极（负极）线反击耐雷水平最高。当接地阻抗为 时，不考虑极线电压比考虑极线电压的耐雷水平要高 ，比双极（负极）线的耐雷水平要低 。因此，在特高压直流输电线路的设计阶段，在计算输电线路的反击耐雷水平时应充分考虑极线电压的影响。杆塔接地电阻的影响在上述计算模型的基础上分别对电阻率为 的泥土（粘土）以及电阻率为 的干燥沙土（沙砾）进行计算，从而得到不同杆塔接地电阻下的反击耐雷性能和反击闪络率，见表。由表可知，土壤电阻率增加后，线路的耐雷水平有下降趋势，且控制在范围内，而反击闪络率呈现出持续增加的趋势，其增长率约为 。在杆塔接地电阻大于 后，线路的反击闪络率增长较快。表不同接地电阻的反击耐雷性能土壤电阻项目杆塔接地电阻 耐雷水平 反击闪络率（次（年）耐雷水平 反击闪络率（次（年）取土壤电阻率为 ，分别对比不同杆塔接地电阻下的线路耐雷水平和反击闪络率。当接地电阻从 降低至 后，线路耐雷水平由 提升至 ，提升幅度为 ，反击闪络率由 （次 （年）降低至 （次 （年），降低幅度为 ；当接地电阻从 降低至 后，线路耐雷水平由 提升至 ，提升幅度为 ，反击闪络率由 （次 （年）降低至 （次 （年），降低幅度为 ；当接地电阻从 降低至 后，线路耐雷水平由 提升至 ，提升幅度为 ，反击闪络率由 （次 （年）降低至 （次（年），降低幅度为 ；当接地电阻从 降低至后，线路耐雷水平由 提升至 ，提升幅度为 ，反击闪络率由 （次 （年）降低至 （次 （年），其降低幅度为 。通过上述对比可知，杆塔接地电阻是影响输电线路反击耐雷性能的关键因素，通过降低其阻值能有效提升输电线路的反击耐雷性能。杆塔呼高的影响当输电线路中杆塔的呼高增高后，其受到雷击的概率也得到大幅升高。同时，当雷电击中杆塔塔顶时，雷电波从塔顶传播到接地装置的实际距离也会增加，这就导致其传播时间和引起的负反射波传到塔顶和横担的传播距离和传播时间也会同步增加，从而使得塔顶和横担的电位增大，最终使得输电线路容易发生反击。在保证计算模型其他参数不变的前提下，取土壤电阻率为 ，电阻为，分别计算杆塔呼高为、时输电线路的耐雷水平和反击闪络率，结果见表。表不同杆塔呼高的反击耐雷性能项目杆塔呼高 耐雷水平 反击闪络率（次（年）通过表可知，输电线路的反击耐雷性能随着杆塔呼高的增高而降低。当杆塔呼高增加后，线路的反击闪络率不断增长，当杆塔呼高低于 时，线路反击闪络率虽呈现出增长趋势，但增长速率较低；当杆塔呼高高于 时，线路反击闪络率的增长速率随着杆塔呼高的增高而有所加快；而输电线路的反击闪络率在杆塔呼高超过 后，其增长速率再次得到提升。因此，为有效提升输电线路的反击耐雷性能，在输电线路的设计阶段应在条件允许电工技术系统解决方案的情况下尽量降低杆塔的呼高。绝缘水平的影响在计算模型其他参数不变的基础上，分别计算绝缘子串长为 、时线路的耐雷水平和反击闪络率，结果见表。表不同绝缘水平的反击耐雷性能项目绝缘子串长 耐雷水平 反击闪络率（次（年）由表可知，随着绝缘子串长度的增长，输电线路的反击耐雷性能得到持续提升。当绝缘子串长短于 时，输电线路的反击闪络率随着其长度的增加快速下降，当其长度大于 时，输电线路的反击闪络率随着其长度的增长下降速度有所减缓。由此可见，当缘子串长短于 时，绝缘子串长变化对反击闪络率有明显影响。绕击耐雷特性影响因素研究 杆塔高度的影响保持计算模型其他参数不变的，在输电线路保护角及地面倾斜角均为 条件下分别计算杆塔高度为、时的线路雷电屏蔽性能，结果见表。表不同杆塔高度下的线路雷电屏蔽性能项目结构高度 屏蔽失效率（次（）雷击闪络率（次（）由表可知，随着杆塔高度的不断增高，输电线路的屏蔽失效率和雷击闪络率均不同程度增大，当杆塔高度由 增高至 时，线路的屏蔽失效率和雷击闪络率均增加约倍。随着杆塔高度不断增高，输电线路中的避雷线和导线的上行先导同时被加强。同时，由于地面对闪电的引雷能力没有改变，线路绕击屏蔽失效区扩大，从而提高了输电线路的绕击率，因此要尽量降低杆塔高度，从而提升线路的雷电屏蔽性能。保护角的影响保持计算模型其他参数不变，计算在地面倾斜角为 条件下保护角分别为、时的线路雷电屏蔽性能，结果见表。表不同保护角下的线路雷电屏蔽性能项目保护角（）屏蔽失效率（次（）雷击闪络率（次（）由表可知，通过减小线路保护角的方式能够有效降低线路屏蔽失效率以及雷击闪络率。这是由于受输电线路中保护角减小的影响，输电线路中的导线上行先导被充分抑制，使得避雷线所具备的保护作用得到增加，最终使输电线路的绕击率被有效降低。因此，在条件允许的情况下应尽可能减小输电线路的保护角，从而提升线路的雷电屏蔽性能。特高压交流输电线路防雷措施研究 减小地线保护角通过减小地线保护角的方式能有效降低输电线路的绕击率。在同一雷电流幅值下，减小保护角使地线对导线的屏蔽性能加强，从而使导线的绕击弧减小；同时，减小地线保护角还能起到缩短最大绕击距离和增大最大绕击电流的作用，这同样会使绕击跳闸率得到降低。目前较为常用的减小地线保护角的方法有：在保持导线和地线两个高度不变的基础上缩短两者之间的横向距离；在不改变接地线高度的情况下，通过增加绝缘子片数以及降低悬点处高度的方式来增加绝缘子串长度，从而使其耐电压能力得到大幅增强；在输电线路高度保持恒定的前提下，对避雷线高度的合理提升同样可以达到减小防护角的目的。因此，对于新的输电线，可以通过优化杆塔的结构来寻找最佳的保护角。安装线路避雷器在输电线路中安装避雷器的目的在于改善保护区域的绕击抗雷能力，降低绕击跳闸率，从而缩短意外断电时间，提高供电可靠性。在使用线路避雷器时，要注意以下几点。（）线路避雷器的防护距离是有限的。一般情况下，一座塔上的线路避雷器仅能在塔顶和塔顶前后两个挡位范围内进行防护，因此必须根据实际操作经验和理论分析，确定合适的避雷器安装位置和数量。（）若线路避雷器的主要目标是防止绕电，则只要将线路避雷器安装在易绕击相上，但要注意其他相位仍有可能出现绕击。（）为了最大程度提升输电线路的耐雷特性，在条件允许的前提下应尽量使用带有纯空气间隙的线路避雷器。在选择和安装线路避雷器过程中应从技术经济角度出发，在尽量降低安装成本的前提下使输电线路取得最佳的耐雷效果，同时还要对其安装数量进行严格的控制。在线路避雷器的设计环节中，应根据绕击数目来确定线路中所使用避雷器的数量。采用不平衡绝缘在特高压直流输电线路中，采用双回路同杆接线方式的线路越来越多，当采用常规的避雷方法无法达到使用要求时可以考虑采取不平衡绝缘方式。不均衡绝缘原理是双回路中的串联数量不同，从而在雷击线路中，串联数量较少的电路首先闪络，而闪络后的一相与地线类似，从而增强了与另一回路的连接，在提升线路耐雷水平的同时能够最大程度避免线路发生闪络。在输电线路中，采用不平衡绝缘方式会导致线路中的一相先发生闪络，从而对供电的可（下转第 页）系统解决方案电工技术 ，汪隆君，王钢 基于动态安全域与埃奇沃斯级数的电力系统暂态稳定概率评估 中国电机工程学报，（）：，：，（）：余贻鑫，栾文鹏电力系统动态安全域的研究电力系统及其自动化学报，（）：王成山，余旭阳一种临界故障切除时间概率分布的求解方法 中国电机工程学报，（）：薛安成，周健，刘瑞煌，等 采用多二元表判据的实用暂态电压稳定 裕 度 指 标 研 究 中 国 电 机 工 程 学 报，（）：，康宁，张颖，任桂田，等 考虑 量测信息的配电网运行状态分析方法 电力系统及其自动化学报，（）：田书欣，李昆鹏，魏书荣，等基于同步相量测量装置的配电网安全态势感知方法中国电机工程学报，（）：程乐峰，余涛，张孝顺，等机器学习在能源与电力系统领域的应用和展望电力系统自动化，（）：鞠平，周孝信，陈维江，等“智能电网”研究综述电力自动化设备，（）：和敬涵，罗国敏，程梦晓，等 新一代人工智能在电力系统故障分析及定位中的研究综述 中国电机工程学报，（）：薛易，闫旭，郭松林，等轨迹分析方法与长短期记忆网络的电网暂态稳定裕度评估 黑龙江科技大学学报，（）：陈达，朱林，张健，等基于卷积神经网络的暂态电压稳定评估及风险量化电力系统自动化，（）：姚德全，贾宏杰，赵帅基于复合神经网络的电力系统暂态稳定评估和裕度预测 电力系统自动化，（）：宓登凯，王彤，相禹维，等基于 的暂态稳定裕度在线评估电网技术，（）：李宝琴，吴俊勇，邵美阳，等 基于集成深度置信网络的精细化电力系统暂态稳定评估 电力系统自动化，（）：邵伟，徐泰山，王胜明，等基于聚类的电网暂态稳定裕度估算方法计算机系统应用，（）：刘俐，李勇，曹一家，等基于支持向量机和长短期记忆网络的暂态功角稳定预测方法电力自动化设备，（）：（上接第 页）靠性产生不利影响，因此该方式已经较少被用于输电线路中。安装自动重合闸装置线路绝缘本身有自我修复的特性，大部分因在雷击作用下而导致的闪络问题和工频电弧都能在输电线路出现短路后的很短一段时间内快速散出，从而使输电线路中的绝缘不会出现永久的损耗或老化问题。因此，提升线路的耐雷特性可采取自动重合闸或双回路和环网供电方式。通过对我国现有的各个电压等级的线路进行统计可知，当前国内 及以下输电线路中的自动重合闸成功率为 ，而在 及以上的输电线路中的自动重合闸成功率为 ，因此增加自动重合闸的投运率是提高线路耐雷能力、降低雷击跳闸率、提高供电可靠性、保证电网安全稳定运行的重要手段。结语特高压直流输电线路受外部环境的影响很大，而绕击抗雷能力差，因此在实际运行时必须增加线路防雷措施，以提升线路的耐雷特性。同时还应从防雷设计、雷电信息数据的采集、雷害风险等级的评估及维修改造等方面采取差别化的防雷措施，并对重点输电线路或经过多雷区、强雷区及易绕击区的输电线路进行防护，以提高防雷措施的针对性、可行性及经济性。参考文献 陈智，万军彪 特高压直流架空输电线路雷击仿真研究江西电力，（）：，何金良 云广特高压直流线路雷电防护特性南方电网技术，（）：徐浩然 输电线路耐雷特性的方针研究 中文科技期刊数据库（文摘版）经济管理，（）：罗日成，苗春茂，唐祥盛，等 同塔双回输电线路反击耐雷性能分析 电力学报，（）：曾诚，周羽生，周游，等混压输电线路耐雷性能研究高压电器，（）：电工技术系统解决方案