计及风速影响的500kV同杆双回线路绕击耐雷性能计算模型研究

1 引言 为了减少500kV输电线路走廊占地，提高线路走廊单位面积的传输容量，采用同杆架设双回输电线路已成为500kV主干网架发展的必然趋势。目前在日本、美国、西欧等^[1]超高压电网中，同杆双回输电线路的使用越来越普遍，例如日本不仅在500kV线路中绝大多数是同杆双回线路，新建的1100kV线路也是采用同杆双回线路；澳大利亚在110kV等级中有64%的输电线路采用同杆双回路输电；美国在220kV等级中有47%的输电线路采用同杆双回路输电，在345kV等级中有52%的输电线路采用同杆双回路输电；英国在275kV等级中有99%的输电线路采用同杆双回路输电，在400kV等级中全部采用同杆双回路输电。我国三峡电站输出工程也将部分采用500kV同杆双回线路输电。 从俄罗斯及我国数十年的雷击跳闸故障的资料表明^[2-3]：500kV线路跳闸主要不是雷击杆塔时引起的反击而是绕击导线所致。三峡电网是我国未来电网的核心，其500kV主干输电线路若遭受雷害事故，将会造成巨大的经济损失。三峡电站送出工程途经地区有着复杂的地形、地貌，输电线路途经地形高差大、塔型繁多，气候条件也很复杂，雷电活动频繁。因此，研究500kV输电线路的耐雷性能，对保证三峡电站送出工程500kV输电线路安全运行，具有重要的科学意义和工程应用价值。 目前评估输电线路绕击耐雷性能方法较多，如规程法^[4]，它认为绕击率与雷电流大小无关，对地面倾角的影响只以平原和山区来分，是一种简单的计算方法；电气几何模型（EGM）^[5]，它引入了绕击率与雷电流幅值有关的观点，考虑了导线高度、地形等因素的影响，其结果与二三十年的运行经验基本符合；Dellera和Eriksson基于临界电晕半径概念发展了上行先导起始判据，建立了先导传播模型（LPM）^[6-7]；Rizk对上行先导起始判据进行了修正，提出适合于复杂间隙结构的先导起始判据，建立了新的LPM^[8]；王晓瑜教授等考虑了雷电绕击分散性，提出了输电线路的雷电绕击模型^[9]。后三种模型是建立在实验室模拟试验的基础上，实际应用尚待进一步研究。但目前无论是用规程法还是击距法都无法很好地解释超高压与特高压输电线路跳闸率以绕击为主的事实。笔者认为，由于在现实生活中，雷击时常常伴随着刮风和下雨，这势必将导致导线和绝缘子串的摇摆，增大导线对地高度和保护角，使得导线引雷几率增大，从而引起线路绕击率的增加，因此笔者充分考虑实际线路的气象条件（风速），对击距法进行改进，使其更能反映实际的情况。2 考虑风速后的击距法计算模型 在一定风速v下所引起的悬垂绝缘子串和导线风偏角情况如图1所示。

悬垂绝缘子串风偏角φ可按式(1)计算^[10]式中 L_s、L_c分别为水平和垂直档距，m；g₁、g₄分别为导线自重比载和其风荷比载，kg/(m·mm²)；m_j、m_p分别为绝缘子串质量和其风荷载，kg；A为导线截面积，mm²。 计入导线分裂间距的影响，则式中 l为绝缘子串长度；d为导线分裂间距。 导线风偏角x 可按下式计算 ξ=arctan(g4/g1) 则考虑风速后的击距法计算模型如图2所示。

各变量可由以下公式计算获得3 计算同杆双回线路绕击性能程序 利用改进的击距法计算500kV同杆双回输电线路绕击跳闸率，在编制程序时应确定以下参数： （1）击距 对于击距，E.R. Whitehead认为可以忽略雷击目的物体形状和邻近效应等其他因素对击距的影响，即令先导对杆塔、对避雷线、对导线的击距均等于R_s。则击距R_s与雷电流幅值I的关系可以采用E.R. Whitehead的公式表示，即 R_s=6.72I^0.8 （2）临界击距R_sc 输电线路具有一定的耐雷水平，只有超过线路耐雷水平的绕击时才能导致线路绝缘闪络，因此在分析500kV同杆双回输电线路绕击跳闸率时，可以取绕击耐雷水平I₂所确定的击距为临界击距R_sc，即 （3）最大击距R_sm 随着雷电流的增加，雷击导线的区域减小，当雷电流大到一定程度I_m时，或击中避雷线，或击中大地，不再发生绕击，则I_m称为最大绕击电流，相应的击距R_sm称为最大击距。R_sm与杆塔的塔头尺寸、地形地貌有很大的关系，通用的计算公式为^[11]其中h_s、h_c为避雷线和导线平均高度；a为避雷线平均保护角；θ为杆塔处的地面倾角；β为击距系数且β≤1。 （4）风速的概率分布函数 为了使分析500kV同杆双回输电线路时，其结果更能符合运行实际，本文还考虑了风速的影响。拟合风速分布的模型很多，其中韦布尔双参数分布被普遍认为适于对风速作统计描述，风速v的韦布尔分布概率密度函数为^[12]式中 k为形状参数，是一个无因次量；C为尺度参数，其量纲与速度相同。 可根据T时间内观测到的10min最大风速值和平均风速值，通过下式^[12]近似地估计韦布尔分布参数，即 通过上述分析后，得到计算500kV同杆双回输电线路绕击跳闸率的程序框图如图3所示。

4 500kV同杆双回输电线路绕击跳闸率计算及分析 本文的计算参数是三峡电站的出线为例，导线采用LGJ-630/55，分裂导线的分裂间距为450mm；避雷线采用LHAGJ-150/25；年雷电日选40；杆塔为S1型（图4）；绝缘子片用XP-300。

综合考虑风速的影响因素，利用自编的程序对500kV同杆双回绕击耐雷性能进行了计算，得到计算结果如下： （1）风速对保护角a 的影响 从图5可以看出，风速对保护角是有影响的，随着风速的增大，线路的保护角将增加，且当风速大于25m/s时，档距中央的保护角会超过杆塔处的保护角（以下计算均按档距中央处的导线、地线位置和保护角作为全线的参数进行计算和分析）。

（2）风速对绕击跳闸率n的影响 从图6可以看出当风速小于5m/s时，风速对线路的绕击率的影响不大，当风速大于5m/s时，绕击率将随着风速的增大而明显增加，因此，在分析500kV同杆双回线路耐雷性能时，应该考虑线路沿线的气象条件，才能使分析结果更符合实际情况。

（3）考虑风速前后线路绕击率的比较 若考虑风速的分布概率（取k =2.1，C =5.3），则计算结果见表1，可以看出在利用击距法分析500kV同杆双回输电线路绕击跳闸率时，考虑风速后的计算结果大于没有考虑风速时的结果。这是由于风速会使同杆双回输电线路中的导线和避雷线发生向外摇摆，导致保护角增加，增大了绕击闪络区；同时还使导线离地面高度增加，使导线引雷几率增加，从而使考虑风速后的同杆双回线路的绕击跳闸率大于没有考虑风速时的结果。

（4）地面倾角q对绕击跳闸率n的影响 从图7的计算结果发现，当地面倾角增大时，绕击跳闸率呈非线性上升，比如地面倾角小于15º时，倾角对绕击率的影响不大；地面倾角大于15º，绕击率呈倍数增加。显然这对线路的防雷保护很不利。因此当地面倾角较大时，建议采取减小保护角（可以为负值）或增加绝缘子片数等措施来降低绕击跳闸率。

（5）杆塔高度H对绕击跳闸率n的影响 结果表明，杆塔高度对绕击率的影响不可忽略，随着杆塔高度的增加，绕击跳闸率将增加，因此，为提高同杆双回线路的耐雷水平，在条件允许的情况下，尽量降低杆塔的高度。5 结论 （1）风速对保护角和绕击率都有影响，随着风速的增加，线路保护角将增大，且当风速大于25m/s时，档距中央的保护角会超过杆塔处的保护角；当风速大于5m/s时，绕击率将随着风速的增大而明显增加，因此在分析500kV同杆双回输电线路绕击耐雷性能时，风速应加以考虑。 （2）当地面倾角增大时，绕击跳闸率呈非线性上升，地面倾角小于15º时，倾角对绕击率的影响不大，地面倾角大于15º，绕击率呈倍数增加。 （3）随着杆塔高度的增加，绕击跳闸率增加。

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