±800kV線路雷擊性能計(jì)算

向家壩?上海土800kV特高壓直流輸電線路

的雷電性能研究ResearchofLightningPerformanceEstimationon±800kVUHVDCTransmissionLinesTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1前言 1\o"CurrentDocument"2線路雷電性能的計(jì)算方法的研究 1\o"CurrentDocument"2.1線路雷電繞擊計(jì)算方法 12.2線路雷電反擊計(jì)算方法 3\o"CurrentDocument"2.3線路雷擊閃絡(luò)率的計(jì)算 5\o"CurrentDocument"3向家壩?上?！?00KV特高壓直流輸電線路的雷電性能 6\o"CurrentDocument"3.1線路參數(shù) 63.2繞擊閃絡(luò)率 83.3反擊閃絡(luò)率 9\o"CurrentDocument"3.4小結(jié) 91前言向家壩-上海±800kV特高壓直流輸電線路工程西起向家壩復(fù)龍換流站，東至上海奉賢換流站，全線推薦方案總長度約1907.5km(包括4處長江大跨越段長度約為12.5km)。線路輸電能力為6400MW,直流電流按4000A設(shè)計(jì)。導(dǎo)線20mm以下冰區(qū)采用6XACSR-720/50方案，30mm冰區(qū)導(dǎo)線型號暫定為6XAACSR-720/50鋼芯鋁合金絞線。設(shè)計(jì)風(fēng)速取值為離地10m高、100年一遇、10分鐘平均最大風(fēng)速即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速取27m/s、28m/s、30m/s、32m/s和35m/s五種。設(shè)計(jì)覆冰有10mm輕冰、15mm中冰、20mm重冰、30mm重冰等冰區(qū)°10mm冰區(qū)1364.1km，15mm冰區(qū)436.3km,20mm重冰區(qū)55.1km，30mm重冰區(qū)39.5km。避雷線在20mm及以下冰區(qū)擬采用LBGJ-180-20AC鋁包鋼絞線，30mm冰區(qū)擬選用LBGJ-210-20AC鋁包鋼絞線。本文對±800kV直流輸電線路雷電性能進(jìn)行了計(jì)算研究。2線路雷電性能的計(jì)算方法的研究線路雷電性能的計(jì)算包括線路雷電繞擊計(jì)算和線路雷電反擊計(jì)算兩種，由于其機(jī)理各不相同，各自對應(yīng)不同的計(jì)算方法。2.1線路雷電繞擊計(jì)算方法目前，國內(nèi)外用于高壓輸電線路繞擊雷電性能的計(jì)算方法，主要采用電氣幾何模型法和先導(dǎo)發(fā)展模型法。下面就其計(jì)算原理和使用效果分別進(jìn)行說明。電氣幾何模型法：60年代，美國愛迪生電工研究所在345kV交流線路上裝設(shè)了能區(qū)分繞擊和反擊的尋跡器4600支，統(tǒng)計(jì)了84000公里?年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，得出345kV線路事故主要是繞擊事故引起。美國的E.R.Whitehead，H.R.Armstrong和GW.Brown等人據(jù)此相繼開展了雷電屏蔽技術(shù)的理論研究，提出了懷氏電氣幾何模型(EGM)。該方法是將雷電的放電特性和線路結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來分析，塔高、地形、雷電流大小等因素的影響均予以考慮，和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)比較符合，且比較簡單。在以后的輸電線路防雷設(shè)計(jì)和雷擊屏蔽性能計(jì)算上得到了成功地應(yīng)用。目前在日本、美國、歐洲等國家均采用該方法，在我國也得到了電業(yè)研究人員的普遍認(rèn)可。該方法在500kV等級及以下的交流輸電線路及土500kV直流輸電線路上應(yīng)用得到比較令人滿意的效果，但對于特高壓輸電的高塔型和特殊的地理?xiàng)l件的輸電線路，該方法的適用性需做進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。先導(dǎo)發(fā)展模型法：該方法是基于雷電觀察和長間隙放電試驗(yàn)的成果，基本思想是在雷電先導(dǎo)向下發(fā)展過程中，當(dāng)?shù)孛嫖矬w表面場強(qiáng)超過一定值時會在地面物體(如相導(dǎo)線或避雷線)上產(chǎn)生迎面先導(dǎo)；隨著上、下行先導(dǎo)的發(fā)展，當(dāng)二者之間的場強(qiáng)超過空氣間隙的臨界擊穿場強(qiáng)時，即發(fā)生雷擊。該方法由于考慮了其物理過程的諸多因素，其物理意義更清晰，有其優(yōu)勢。但由于雷電現(xiàn)象的復(fù)雜性，不同學(xué)者對雷擊物理過程的描述還存在諸多分歧，有不少方面有待開展深入的基礎(chǔ)研究。這其中至少包括雷電下行先導(dǎo)通道模型研究、不同線徑和分裂導(dǎo)線的臨界電暈半徑研究、復(fù)雜間隙結(jié)構(gòu)下線/棒的上行先導(dǎo)起始條件、上下行先導(dǎo)在各種條件下的相對運(yùn)動速度、放電分散性的數(shù)學(xué)物理描述方法、工作電壓對導(dǎo)線臨界電暈和上行先導(dǎo)起始條件的影響等一系列基礎(chǔ)問題。由于缺少試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，對于先導(dǎo)發(fā)展模型的判據(jù)存在不同的觀點(diǎn)，許多計(jì)算用參數(shù)也不盡相同，都會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果相差非常大。電氣幾何模型的編制本文采用EGM進(jìn)行特高壓直流線路繞擊雷電性能的評估。EGM的基本原理為：由雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)頭部到達(dá)距被擊物體臨界擊穿距離(簡稱擊距)的位置以前，擊中點(diǎn)是不確定的，先到達(dá)哪個物體的擊距之內(nèi)，即向該物體放電;擊距同雷電流幅值有關(guān)。本研究中采用了IEEE標(biāo)準(zhǔn)所推薦的擊距公式，見式(2-1)、(2-2)。r=1010.65 (2-1)sJ[3.6+1.7ln(43-y)]Io.65(yv40m) (22)g〔5.510.65 (y>40m)式中：I—雷電流，kA；rs—雷電對避雷線的擊距，m；r—雷電對大地的擊距，m；yc一導(dǎo)線平均高度，m。對于導(dǎo)線的擊距還需考慮其上的工作電壓，雷電對導(dǎo)線的擊距可由下式確定。r=1.63(5.01510.578—UJm (2-3)式中：rc一雷電對其上有工作電壓的導(dǎo)線的擊距，m；Uph—導(dǎo)線上工作電壓瞬時值，MV。將地形分成三類：平原、丘陵和山岳。對于這三類地形，在確定導(dǎo)線高度的參數(shù)時采用不同的原則，如：平原的導(dǎo)線高度取導(dǎo)線平均對地高度，即考慮了導(dǎo)線孤垂；丘陵的導(dǎo)線高度取導(dǎo)線懸掛高度；山區(qū)的導(dǎo)線高度取2倍的導(dǎo)線懸掛高度。導(dǎo)線對地的平均高度h因地形而異，計(jì)算方法見下公式：d'平原:hd=hdt-勺3TOC\o"1-5"\h\z〈丘陵：h=h (2-4)山地：h=2h11 ddt各種地形下避雷線對地的平均高度hb計(jì)算方法見公式(2-5)：\o"CurrentDocument"h=h+(h-h)2(S-S) (2-5)bdbt3t db式中：hd—桿塔上導(dǎo)線高度；hdt—桿塔上避雷線高度；S「—導(dǎo)線孤垂；Sb—避雷線孤垂。日本的特高壓輸電線路高度在88?148m，從日本特高壓輸電線路運(yùn)行中拍攝到的雷擊照片得知高桿塔有側(cè)擊雷發(fā)生。向家壩-上?！?00kV特高壓直流輸電線路的桿塔高度約圍60m高，側(cè)擊雷發(fā)生的機(jī)率較少，但從嚴(yán)考慮，在本次繞擊計(jì)算中考慮了雷電先導(dǎo)和垂直大地平面成一定入射角(乃的情況，入射角概率密度(g(凹)采用日本的研究成果，如式(2-6)所示。g(W)=0.75cos3(w) (2-6)2.2線路雷電反擊計(jì)算方法輸電線路雷電反擊計(jì)算采用行波法計(jì)算。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，雷擊避雷線的檔距中間且與導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)引起閃絡(luò)的情況是極罕見的，可不予考慮。故在反擊計(jì)算中僅考慮了雷擊桿塔的情況。

雷擊塔頂時，導(dǎo)線上的電壓uc有如下3個電壓分量："c=u(1—ko)+Ukco+Uphsin/t (2-7)式中：Ur一雷擊塔頂在導(dǎo)線上形成的感應(yīng)過電壓分量；ui一雷擊點(diǎn)(塔頂、避雷線)的電壓；U一導(dǎo)線上工作相電壓峰值；kph一避雷線與導(dǎo)線間的幾何耦合系數(shù)；k：一避雷線與導(dǎo)線間考慮避雷線上沖擊電暈影響后的耦合系數(shù)。雷擊桿塔時，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓的磁分量比電分量要小得多，故僅考慮后者。若忽略導(dǎo)線至地面間場強(qiáng)的變化，且視為與地面處相同，則雷電流斜角波作用下桿塔處導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓的電分量為：(2-8)=60吧垣H+<+&?ct

UR=&?cCn(1￥8)(HT+dR)(2-8)式中：，m；迎面先導(dǎo)的長度，m；kA/^So&—反放電速度與光速c的比值，取為0.3；Ht—桿塔高度，m；H—導(dǎo)線的平均高度，m；迎面先導(dǎo)的長度，m；kA/^So對于迎面先導(dǎo)長度dR，參照實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果和在自然界觀測到的數(shù)據(jù)，取其等于對于迎面先導(dǎo)長度擊距(,)的50%，即:sdr=510.65 (2-9)各相導(dǎo)線上的工作電壓按不同相角分別加以考慮。對于輸電線路的桿塔，桿塔主體可依據(jù)橫擔(dān)位置分為幾段，均等值成圓柱體，桿塔主體各段的等效半徑按測量結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：r=3r?r2 (2-10)式中：r一桿塔主體各段的等效半徑，m；r：一桿塔主體各段頂部的半徑，m；r^一桿塔主體各段底部的半徑，m；n—桿塔主體各段的標(biāo)號。塔桿塔主體各段波阻抗J可用式⑵1。計(jì)算:Z/°ln—g^+90-^^—60

rhen gtn(2-11)式中：嘰一桿塔主體各段的最大高度，m。Z/°ln—g^+90-^^—60

rhen gtn(2-11)式中：嘰一桿塔主體各段的最大高度，m。可用一個高h(yuǎn)am、等值半徑ram水平放置的圓柱體來模擬。其波阻抗Zgam按水平傳輸線的波阻抗公式計(jì)算，見式(2-12)：桿塔的各橫擔(dān)(包括避雷線橫擔(dān)),4m=6°ln式中：r—桿塔橫擔(dān)的等值半徑，m；ham—桿塔橫擔(dān)的對地高度，m；m一桿塔橫擔(dān)代號，(m=1、2、號，)。(2-12)2.3線路雷擊閃絡(luò)率的計(jì)算直流輸電是以調(diào)節(jié)換流閥觸發(fā)角來實(shí)現(xiàn)雷擊防護(hù)的。當(dāng)輸電線路遭受雷擊后，換流閥從整流狀態(tài)變換為逆變狀態(tài)，從而使閃絡(luò)通道熄孤。和交流線路雷電性能的指標(biāo)為雷擊跳閘率相似，直流線路雷電性能的指標(biāo)為雷擊閃絡(luò)率。大地每平方公里每年的落雷次數(shù)Ng和年雷電日Td的關(guān)系可由下式確定：N=0.023T1.3 (2-13)g d則在年平均40雷電日下，大地每平方公里的落雷次數(shù)Ng為2.78次。線路每百公里每年落雷次數(shù)N可由下式確定:s(28h0.6+b'(2-14)式中：h一桿塔的高度，m；b一避雷線間距，m。擊桿率g，對于雙避雷線線路，平原擊桿率為1/6，山丘擊桿率為1/4。3向家壩?上?！?00kV特高壓直流輸電線路的雷電性能3.1線路參數(shù)向家壩?上?！?00kV特高壓直流輸電線路典型塔的單線圖如圖3-1所示，導(dǎo)地線布置示意圖如圖3-1所示。圖中標(biāo)注數(shù)值的單位均為mm。直線塔Z114000 14000—13496直線塔Z114000 14000—13496耐張塔J1塔頭部分尺寸1#直線塔地線■ 塔頭部分尺寸1#直線塔地線■ 地線i 0|——11000!0.1 11000 |也110L導(dǎo)線! 導(dǎo)線13600 13600圖3-1典型塔的單線圖檔距中央導(dǎo)地、線距離圖3-2導(dǎo)地線布置示意圖導(dǎo)線采用6XACSR-720/50鋼芯鋁絞線，分裂間距45cm；一根避雷線采用一根為LBGJ-180-20AC鋁包鋼絞線，另一根避雷線采用相匹配的OPGW，導(dǎo)線避雷線參數(shù)見表3-1。線路平均檔距470m；導(dǎo)線平均弧垂18米、地線平均弧垂13米；導(dǎo)線對地平均高度38米。導(dǎo)線懸垂串均采用V型串，輕污區(qū)采用盤型絕緣子、絕緣長度10.88米；中污區(qū)及以上區(qū)域采用合成絕緣子、合成絕緣子結(jié)構(gòu)高度10.6米，絕緣長度約10米。導(dǎo)線耐張串采用三聯(lián)420kN盤型絕緣子，每聯(lián)片數(shù)不小于56片、盤高205mm。LBGJ-180-20AC避雷線分段接地，OPGW逐級接地；沿線地形分布和各地形的桿塔接地電阻見表3-2。沿線年平均雷暴日見表3-3，全線平均雷暴日為47.2天。表3-1計(jì)算所用導(dǎo)線避雷線參數(shù)項(xiàng)目型號直流電阻Q/km導(dǎo)線外徑mm水平間距m懸掛高度m弧垂m分裂間距m避雷線LBGJ-180-20AC0.469617.527.26313/極導(dǎo)線6XACSR-720/500.039836.22247.7180.45表3-2沿線地形分布和桿塔工頻接地電阻地形比例工頻接地電阻（）河網(wǎng)6.74%5平地20.83%10丘陵18.75%10?15一般山地36.97%15?20高山大嶺16.71%20?30表3-3全線各段年平均雷暴日（一般線路）標(biāo)段2345678910111213線路長度（km）190100195.598.521421122191.59592.5102284雷暴日404545606050505040404040對±800kV直流線路的雷電性能進(jìn)行了計(jì)算，繞擊采用電氣幾何模型方法（EGM）計(jì)算，反擊采用行波法計(jì)算。計(jì)算所用導(dǎo)線避雷線的參數(shù)見表1。系統(tǒng)最大工作電壓816kV，雷電U50必3600kV（間隙距離6.8m），全線平均雷暴日為47.2天。

±800kV直流線路的繞擊計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算假設(shè)雷電的極性為負(fù)極性。表3-4±800kV直流線路繞擊雷電性能的計(jì)算避雷線保護(hù)角地形極線繞擊閃絡(luò)率次/100km-a繞擊閃絡(luò)率次/100km-a-9.6°平原+00—0無工作電壓00丘陵+0.0030.003—0無工作電壓00山地+0.8500.850—0無工作電壓00-12.0°山地+0.4550.455—0無工作電壓00-15.0°山地+0.0280.028—0無工作電壓00從表3-4中計(jì)算結(jié)果可見，避雷線在桿塔處的保護(hù)角為負(fù)保護(hù)角且較小（為-9.6°），平原地區(qū)避雷線可以完全屏蔽極導(dǎo)線；丘陵地區(qū)僅正極線有繞擊閃絡(luò)概率，但閃絡(luò)概率較低;山地正極線的繞擊閃絡(luò)概率較大。另外，繞擊計(jì)算時考慮了雷電先導(dǎo)從極線側(cè)面擊中極線的嚴(yán)苛情況，如雷電先導(dǎo)垂直向下發(fā)展，則避雷線在山區(qū)也可以完全屏蔽極導(dǎo)線。表3-4還對山地地形下減小桿塔保護(hù)角（不改變避雷線的高度，僅加寬避雷線橫擔(dān)長度）的情況進(jìn)行了計(jì)算，當(dāng)山地桿塔避雷線保護(hù)角降低為-15°時，山區(qū)線路的繞擊閃絡(luò)率可降