1-输电线路防雷保护的若干问题

说明本文在几年前发表，此次又作了补充。新增内容用粗黑字表述。高压输电线路防雷保护的若干问题中国电力科学研究院高压所杜澍春从输电工程伊始，架空输电线路的雷击跳闸一直是困扰安全供电的一个难题。随着设备和运行水平的不断提高，雷害事故几乎占线路全部跳闸事故的31或更多。因此，寻求更有效的线路防雷保护措施，一直是世界各国电力工作者内共同关注的课题。本文从分析我国输电线路雷击跳闸经验和有关研究入手，重点讨论了线路雷击次数、雷电流幅值概率、线路常规防雷保护措施的效果以及近年来涌现的线路防雷用金属氧化物避雷器卓越的保护性能等有关问题，并对线路避雷器的应用提出了建议，供有关部门参考。1与线路雷电性能有关的参数和线路耐雷水平的计算方法1.1雷电流幅值累积概率分布1979年我国标准[1]就线路防雷计算的基本参数——雷电流幅值累积概率分布给出了计算式。该式是基于我国各地实测的1205个雷电流数据整理出来的。该式为108/lgIPI(1)式中I—雷电流（kA）；PI—雷电流超过I的累积概率。式（1）取代了1959年标准[2]沿用的前苏联公式60/lgIPI(2)图1负极性雷电流幅值概率的累积分布限于我国当时条件，绝大多数的雷电流数据是利用磁钢记录器由多塔电流相加而得，但各塔雷电流峰值并非在同一时刻出现，这就使得相加结果明显偏大。近年来，发表了一些文章，认为对此应加以修改。我国220kV新杭线经20多年的现场实测获得了非常宝贵的数据[3]。浙江省电力试验研究所在致原电力部电力科学研究院高压研究所的函中给出，由106个雷击塔顶的雷电流幅值测试数据推出的概率分布公式为6.87/lgIPI(3)106个数据中的97个负极性雷电流幅值的累积概率分布公式为2.87/lgIPI(4)两式相差不大，取整后1997年标准[10]采用以下公式作为我国雷电流幅值概率分布的计算公式：88/lgIPI(5)对除陕南以外的西北地区、内蒙古自治区的部分地区（这类地区的平均年雷暴日数一般在20及以下）的雷电流幅值的累积概率分布公式参照以前标准的处理方法：在式（5）的基础上，对等概率的雷电流值减半，即44/lgIPI(6)图1给出了式（5）与国外发表的雷电流概率数据曲线。图中曲线3为ANDERSON-ERIKSSON的对数正态分布[5]，曲线2为IEEE《输电线路雷电性能工作组报告》推荐曲线[4]，曲线1为对应本文式（5）的曲线。由图可见，雷电流在50kA以下时与曲线2、3间的差异较大，但是当大于50kA时与国外数据曲线相当接近。由于我国数据直接取自线路杆塔塔顶上测雷专用小避雷针，因而数据是相当可信的。近年来雷电定位系统(LLS)也获得了不少雷电流幅值的数据。这些结果如何校正、如何区分雷击线路或是雷击大地等，都是急待解决的问题。1.2地面落雷密度和线路收集雷击宽度以前标准中的对地落雷密度（即每km2每个雷暴日D平均雷击地面的次数）取为0.015/km2·D[1]。近年来我国一些单位的雷电定位系统（LLS）的测量表明，多数情况下1.0~09.0。在国外最小值为0.06，为我国的4倍。实际上，值与年平均雷暴日数dT有关[6]。一般来说，若dT变大，则也随之变大。由于我国幅员辽阔，dT的变化很大，如西北格尔木的dT仅为0.3，而海南省的澄迈高达133。因此如果在标准中仍取用同一值是不妥当的。经过对我国35～220kV共9400km·a架空线路雷害事故统计得出的dT和之间的非线性关系[6]进行比较，本文认为采用国际大电网会议33委员会推荐的计算式较为合理。该计算式为3.1023.0dgTN(7)式中gN为在年平均雷暴日为dT的条件下，每1km2大地1年的雷击次数。表1示出了文[6]提出的dT与之间的关系。该文当时是按式（2）推算的。利用文[6]的原始数据按推荐式（5）作了新的推算，其结果一并列于表1。将表中由推算的gN数据绘于图2，并将其与式（7）相比较可见，两者相当接近，因而，采用本文推荐的算式（7）是可行的。表1dT、和gN的关系dT（日）204080（次/km2·D）0.0610.0730.097gN（次/km2·a）1.222.927.76线路每年受雷击次数取决于gN和线路收集雷击的等值面积。等值面积取决于线路长度和图2Ng与Td之间的关系线路收集雷击的等值宽度W。W一般可用下式描述：bhhKbW(8)式中b—避雷线间宽度（m）；hK—系数，一般取2～4；bh—避雷线平均高度(m)。我国以前标准沿袭前苏联的规定，取b=0和hK=10。该值与模拟试验和直击雷保护的运行经验相比，似乎偏大。从原理及其与运行经验的对照关系考虑，本文推荐采用IEEE《输电线路雷电性能工作组报告》使用的线路收集雷击宽度公式[4]，即09.14bhbW(9)表2为根据我国110kV平原单杆线路4683km·a雷击跳闸次数的运行经验数据[7]，按本文推荐的雷击跳闸次数计算方法反推出的线路收集雷击宽度。由表可见，式（8）的系数hK值变动范围在3.00～3.52，与式（9）中的4大体相当，这表明，式（9）还是可用的。表2110kV平原单杆线路雷击跳闸运行数据和推算的hKdT（日）20304050607083跳闸次数/100km·dT0.300.600.881.101.401.702.10)(09.1bhhhKWK3.003.483.523.313.303.303.27在IEEEstd1243-1997[20]中100km.a(dT)线路的雷击次数用下式计算10286.0bhNNgL下表中给出两种方法算得的线路的雷击次数的比较。100km.a(dT=40)线路雷击次数的比较电压(kV)110220500Std1243476270文献4264046Std1243/文献41.81.61.51.3有避雷线线路雷击塔顶时线路绝缘上所受电压的计算方法以前标准对雷击有避雷线线路杆塔塔顶时绝缘上所受的最大雷电过电压按下式计算：)1)((KUUUgtdj(10)式中jU—绝缘上受到的最大电压；tdU—杆塔顶部电压最大值；gU—导线上感应过电压最大值；K—导线与避雷线之间考虑避雷线电晕的耦合系数。式（10）中有两点值得讨论：其一，绝缘子串悬挂于杆塔横担处，所以绝缘子串的反击电压应取横担处的杆塔电压，而不应取塔顶处电压；其二，避雷线对导线上与反击电压异号的感应过电压的屏蔽作用应采用01KhhUdbg计算（式中dh为导线平均高度；0K为导线与避雷线之间的几何耦合系数）。由此，为（10）宜修改为01KhhUKhhUUdbgtatdj(11)式中th—塔杆高度。据此，可计算出线路的耐雷水平等指标。式（11）已被新标准[10]采用。1.4线路雷击跳闸次数的计算结果与讨论除上述各点外，以前标准中关于输电线路雷击跳闸率计算的其它参数（如绕击率P、建弧率、击杆率g等）在新标准[10]中均未作变化。至于计算用雷电流波头长度仍为2.6s(该值与文[4]推荐的2.5s斜角波头极为接近)。按式（11）计算出的我国110～500kV线路耐雷水平和雷击跳闸次数的结果汇总于表3，在该表中也列入了运行统计数据。表3线路雷击跳闸次数的比较（100km）标称电压(kV)110220330500杆型单杆门型酒杯酒杯平原运行值0.77(6485km·a)0.108(2776km·a)——0.09②(13532km·a)计算值20dT30400.430.741.070.130.230.330.0710.120——0.0410.0690.100山区运行值1.67(4743km·a)0.28(26890km·a)0.16②——计算值20dT30400.61～1.071.04～1.811.51～2.630.23～0.490.39～0.830.56～1.210.16～0.340.27～0.60——0.089～0.220.15～0.370.22～0.54线路所在地区平原华东、华北、广东、广西、江西、湖北、湖南华东、西北、广西、湖北——湖北、华东、东北山区华东、广东、福建、西南、华北华东、西南、广东、西北、东北西北——文献7789注：①70%线路在山区；②约50%线路在山区；表中跳闸次数计算值，平原、山区杆塔接地电阻冲击值分别为7和15Ω。500kV线路雷击跳闸次数的国外运行统计值是：前苏联为0.18(20dT)；美国为0.06～2.0；多数国家在0.3～0.4之间（60~20dT）。综合以上数据可以看出，按本文提出的线路绝缘所受最大电压计算方法和所取的雷电参数（雷电流幅值累积概率分布、对地落雷次数和线路雷击次数等）以及线路雷击跳闸次数计算方法计算出的跳闸次数与运行经验统计值基本相当。这说明本文的这套计算方法是合理、可用的。2线路常规的防雷保护措施与效果线路的防雷保护措施主要是架设避雷线，以减少雷电直击导线的概率；另一方面则是尽可能的提高耐雷水平，以减少雷电击中杆塔或避雷线时反击至导线的概率。对于前者，主要是采用双避雷线以获得较小的保护角。在山区，由于地形的影响即使是0º的保护角，也难免出现雷绕击导线的情况[18]。而对于后者，实际可能采用的措施是尽量减少杆塔的接地电阻、架设耦合地线，对于同塔双回线线路适当地采用不平衡绝缘技术以减少双回线同时雷击跳闸的概率。现主要就减少反击措施讨论如下：2.1降低杆塔接地电阻效果的分析当杆塔型式、尺寸与绝缘子型式和数量确定后，影响线路反击耐雷水平的主要因素则是杆塔接地电阻的电阻值。从表3可见，由于平原线路杆塔接地电阻冲击值取7Ω，山区15Ω，使后者的跳闸次数计算值比前者高出146%（2.63/1.07,40dT）。跳闸次数的运行值也是相当的。现按1997年电力行业标准[10]中的110～500kV线路的杆塔尺寸和绝缘子的50%雷冲击绝缘水平，针对不同的杆塔接地电阻冲击值计算出各自的耐雷水平如表4所示。表4110～500kV线路耐雷水平与杆塔接地电阻的关系系统标称电压(kV)110220500接地电阻(Ω)715305071530507153050耐雷水平(kV)63.440.724.315.8110.275.747.732176.7125.481.255.2IP,%1934.552.966.15.613.828.743.30.983.811.923.6相对危险因数1.01.82.83.512.55.17.713.912.124.1由表4可见，对于各种电压等级而言，线路耐雷水平随杆塔接地电阻的增加而降低。对于3种电压等级，接地电阻由7Ω增至50Ω时耐雷水平分别降至前者的25%、29%和31%。由于雷电流幅值累积概率分布的固有特点：低幅值雷电流出现的概率较大，高幅值雷电流出现的概率明显较小，因之可以想象，随着系统标称电压的提高杆塔接地的作用将变得更加重要。为了说明这一概念，表4中引入“相对危险系因数”这一参数。所谓“相对危险因数”，对于各种电压等级均以超过杆塔接地电阻7Ω时耐雷水平的概率时的危险因素为1.0，其他杆塔接地电阻时的相对危险因数，则由该接地电阻下相应耐雷水平的相应概率与7Ω时雷电流概率之比来确定。根据表4中的数据，对于110～500kV，50Ω时的相对危险系数分别为3.5、7.7和24.1。由此可以充分说明，对于电压等级愈高的线路保持较低杆塔接地电阻的必要性。杆塔接地电阻对高压直流输电线路也显示出类似的作用。表5为我们对我国±500kV直流输电线路反击耐雷水平的研究结果[11]。由表5可见，随杆塔接地电阻的增加，对于线路单极反击或双极反击的概率均有所下降。因双极反击耐雷水平一般显著高于单极反击耐雷水平，所以因杆塔接地电阻变大（由7Ω增加至30Ω时）双极反击的相对危险因数高达48.8而单极反击则为13.0。表5±500kV直流线路反击耐雷水平与相对危险因数杆塔接地电阻(Ω)710152030耐雷水平(kV)210/315184/279157/235137/20411.2/167IP