山區(qū)集電線路雷電繞擊分析及應(yīng)用

文 | 劉承祥

山區(qū)集電線路雷電繞擊分析及應(yīng)用

文 | 劉承祥

雷電在山區(qū)活動的特點(diǎn)

雷電活動是一種正常的大氣放電現(xiàn)象，從大氣放電的原理方面分析，山區(qū)的雷暴活動較平原地區(qū)一般會相差幾倍；在山區(qū)，由于下墊面較為復(fù)雜，之間的熱力狀況差異也較大，容易產(chǎn)生空氣對流，因而積雨云出現(xiàn)的幾率較大。而起伏的山巒又使得空氣運(yùn)動呈現(xiàn)一種非常不規(guī)則的紊流狀態(tài)，并能影響到相當(dāng)高的高度，容易生成雷電天氣。此外，不穩(wěn)定的暖濕氣流進(jìn)入山區(qū)，受地形作用的抬升，也極易成為積雨云。由于風(fēng)電場自身系統(tǒng)的特點(diǎn)也導(dǎo)致在山區(qū)的風(fēng)電場包括機(jī)組、集電線路都成為雷擊放電的主要對象。

影響山區(qū)風(fēng)電場放電的因素主要包括：雷擊密度、風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)密度、架空線路的等效截收面積，其中雷擊密度的單位是：次/（km2·年），機(jī)組的裝機(jī)密度是：臺/km2，架空線路的等效截收面積采用作圖法根據(jù)線路總長進(jìn)行計(jì)算。在我國電力系統(tǒng)中往往還采用一個年落雷密度的參數(shù)，年落雷密度=雷暴日×地面落雷密度，以往在沒有更科學(xué)的觀測手段時，人們用耳朵聽來記錄雷電活動強(qiáng)度，即雷暴日。而計(jì)算跳閘率最終需要的是每年單位面積的落雷數(shù)，而不是雷暴日或落雷密度，這兩個參數(shù)不能完全反映雷電活動強(qiáng)度，為了得到年落雷密度，人們根據(jù)觀測，對兩者的關(guān)系進(jìn)行研究，得出了一些經(jīng)驗(yàn)公式，如國際大電網(wǎng)會議1980年提出的（我電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用了該公式）：

在利用雷電定位系統(tǒng)進(jìn)行觀測后，完全只用年落雷密度即可。目前風(fēng)電場沿用線路的跳閘率作為評價生產(chǎn)指標(biāo)，但35kV系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中沒有關(guān)于風(fēng)電場集電線路或山區(qū)集電線路的跳閘率標(biāo)準(zhǔn)，目前屬于空白區(qū)間。

雷擊塔桿的物理過程

一、放電形式

根據(jù)過電壓形成的物理過程，雷電過電壓可以分為三種：

首先是直擊雷過電壓，是雷電直接擊中桿塔、避雷線或?qū)Ь€引起的線路過電壓；感應(yīng)雷過電壓（雷電脈沖侵入），是雷擊線路附近大地，由于電磁感應(yīng)在導(dǎo)線上產(chǎn)生的過電壓。按照雷擊線路部位的不同，直擊雷過電壓又分為兩種情況：第一是雷擊線路桿塔或避雷線時，雷電流通過雷擊點(diǎn)阻抗使該點(diǎn)對地電位升高，當(dāng)雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線之間的電位差超過絕緣的沖擊放電電壓時，會對導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)，使導(dǎo)線出現(xiàn)過電壓。因?yàn)闂U塔或避雷線的電位（絕緣值）高于導(dǎo)線，故通常稱為反擊。第二是雷電直接擊中導(dǎo)線（無避雷線時）或繞過避雷線（保護(hù)失效）擊中導(dǎo)線，直接在導(dǎo)線上引起過電壓，后者通常稱之為繞擊（如圖1）。

其次是反擊過電壓，在雷擊塔頂?shù)南葘?dǎo)放電階段，導(dǎo)線、避雷線和桿塔上都會感應(yīng)出異號束縛電荷。在主放電階段，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷與桿塔、避雷線及大地中的正電荷迅速中和，形成雷電沖擊電流。此時，一方面負(fù)極性的雷電沖擊波沿著桿塔向下和沿避雷線向兩側(cè)傳播，使塔頂電位不斷升高，并通過電磁耦合使導(dǎo)線電位發(fā)生變化；另一方面由塔頂向雷云迅速發(fā)展的正極性雷電波，引起空間電磁場的迅速變化，又使導(dǎo)線上出現(xiàn)正極性的感應(yīng)雷電波。作用在線路絕緣子串上的電壓為橫擔(dān)高度處桿塔電位與導(dǎo)線電位之差。這一電壓一旦超過絕緣子串的沖擊放電電壓，反擊隨即發(fā)生，如圖1所示。

第三是繞擊過電壓，雷電繞過避雷線直擊導(dǎo)線的示意圖2所示。

忽略避雷線和導(dǎo)線的耦合作用，以及桿塔接地的影響，如圖3所示，從A點(diǎn)看，雷擊放電可以等值為幅值等于I/2的雷電流波，或幅值等于U0＝IZ0/2的雷電壓波，沿波阻抗為Z0的雷電通道傳播到達(dá)A點(diǎn)。設(shè)導(dǎo)線為無限長，即不考慮導(dǎo)線遠(yuǎn)端返回A點(diǎn)的反射波，則根據(jù)彼德遜法則，可以得到電流源等值電路。其中Zc/2為導(dǎo)線的等值波阻抗，即A點(diǎn)兩側(cè)導(dǎo)線波阻抗Zc的并聯(lián)值（如圖3所示）。

二、雷電擊中鐵塔或線路的分流計(jì)算

對于一般高度（約40m以下）的桿塔，在工程近似計(jì)算中常采用集中參數(shù)等值電路。圖4中Lt為被擊桿塔的等值電感，Ri為被擊桿塔的沖擊接地電阻，it為流經(jīng)桿塔入地的電流，未考慮相鄰桿塔及其接地電阻的影響；Ls為桿塔兩側(cè)一檔避雷線并聯(lián)的等值電感，is為流過Ls的電流。當(dāng)絕緣子串閃絡(luò)后，還應(yīng)考慮兩側(cè)導(dǎo)線的分流作用，如圖虛線部分所示，其中Zc為每側(cè)導(dǎo)線的等值波阻抗。

考慮到雷擊點(diǎn)的對地阻抗比雷電流通道波阻抗低得多，計(jì)算中略去了雷道波阻抗的影響，認(rèn)為雷電流i直接由A點(diǎn)注入。設(shè)雷電流具有三角波形，其幅值為I，波頭為τf，波頭陡度為α。在波頭部分，雷電流可表示為i＝αt。大部分雷電流通過被擊桿塔入地，小部分流經(jīng)避雷線等支路入地。近似認(rèn)為各支路電流也具有斜角波頭。由桿塔電流如下式所示，其中β稱為桿塔分流系數(shù)，即桿塔電流與雷電流之比值。

表1 擊桿率對比表

三、線路跳閘率的計(jì)算

為了掌握山區(qū)集電線路的因雷跳閘率，可以先期對線路進(jìn)行預(yù)算，主要通過線路對線路耐雷水平和建弧率的公式推導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算，其中：

耐雷水平：能引起絕緣閃絡(luò)的最小臨界雷電流稱為耐雷水平，單位為kA。反擊和繞擊的耐雷水平是不同的，根據(jù)以上分析可計(jì)算出。

建弧率：建弧率即由沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工頻電弧的概率，可表示為：

Eu為絕緣子串的平均電位梯度，單位為kV/m。

擊桿率：雷擊桿塔次數(shù)與雷擊線路總次數(shù)的比值（如表1所示）。

而對于輸電線路的雷擊率可以通過對架空線路進(jìn)行雷電等效截收面積計(jì)算，由于架空輸電線路高出地面具有引雷的作用，根據(jù)模擬試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般高度的線路的等值截收面的寬度為：

h：線路的平均高度，

b：兩根避雷線間的距離，

即線路愈高，則等值受雷面積愈大。

當(dāng)線路長度為100km時，平均每年雷擊次數(shù)為：

輸電線路落雷次數(shù)＝當(dāng)?shù)啬曷淅酌芏取粒?h+b）×100/1000

當(dāng)然，同樣可以參照公式對線路的雷擊跳閘率進(jìn)行計(jì)算，其中繞擊與反擊跳閘率的計(jì)算有些區(qū)別：

反擊跳閘率=線路落雷次數(shù)×擊桿率×超過反擊耐雷水平的概率×建弧率

繞擊跳閘率=線路落雷次數(shù)×繞擊率×超過繞擊耐雷水平的概率×建弧率

針對山區(qū)的繞擊率計(jì)算，可參考電力標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式：

式中：

α為避雷線對邊導(dǎo)線的保護(hù)角，單位為°；

h為地線在桿塔上的懸掛點(diǎn)高度，單位為m。

改變地線保護(hù)半徑及其工程應(yīng)用

地線作為送電線路最基本的防雷措施之一，在防雷方面具有以下功能：

（1）防止雷直擊導(dǎo)線。

（2）雷擊塔頂時對雷電流有分流作用，減少流入桿塔的雷電流，使塔頂電位降低。

（3）對導(dǎo)線有耦合作用，降低雷擊桿塔時塔頭絕緣上的電壓。

（4）對導(dǎo)線有屏蔽作用，降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓。

那么，如何提高地線的防雷保護(hù)效率就是最重要的前提條件。目前國際上對于地線的保護(hù)方法在電力系統(tǒng)中一直采用折線法（保護(hù)角法），與建筑物行業(yè)采用的滾球法有一定的區(qū)別，但美國高壓輸電線路系統(tǒng)一般采用電氣幾何模型法，目前這種方式并沒有在國內(nèi)得到大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

一、利用電氣幾何模型法

目前，用地線防止雷繞擊于導(dǎo)線的計(jì)算方法基本上可分為兩類：一類是像我國規(guī)程及蘇聯(lián)規(guī)程所用的方法，可以叫做經(jīng)驗(yàn)法；其次是20世紀(jì)60年代才發(fā)展起來的電氣幾何模型法（也稱擊距法或華特海德法）。由于經(jīng)驗(yàn)法無法通過公式的形式表述，本文主要介紹電氣幾何模型法。美國20世紀(jì)50年代興建了塔高45m的345kV線路。按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其雷擊跳閘率小于0.3次/百千米·年，但投入運(yùn)行以后實(shí)際出現(xiàn)的跳閘率在4次/百千米·年－6次/百千米·年的范圍內(nèi)。差別如此驚人，引起了世界范圍內(nèi)的討論，這促使人們進(jìn)一步研究線路防雷的原理。在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了一種以雷擊機(jī)理的現(xiàn)代知識為基礎(chǔ)的、分析避雷線（針）保護(hù)效果的電氣幾何分析模型（Electrogeometric Model，簡稱EGM）法，這是用幾何模型來分析地線對直擊雷的屏蔽作用的一種方法。它是以擊距（rs）的概念為基礎(chǔ)所建立的一種新的屏蔽理論。擊距是梯級先導(dǎo)最終一段的長度（由于其電勢超過了最后一段空氣的擊穿電阻）。發(fā)現(xiàn)其與第一次回?fù)舻姆涤嘘P(guān)。擊距大小與先導(dǎo)頭部電位有關(guān)，而后者又和主放電電流有關(guān)，因此認(rèn)為擊距是雷電流幅值的，IEEE的工作小組在1985年給出的擊距公式是：

幾何法繪制步驟如下：分別以避雷線和導(dǎo)線為圓心，以擊距為半徑作兩個圓?。ㄒ妶D5），這兩個圓弧交于F點(diǎn)；再在離地面高度為brs處作一水平線與以D為圓心的弧交于G點(diǎn)。由圓弧C1、C2和直線C3在沿線路方向形成一個曲面，此曲面叫做定位曲面。在雷電流為I的先導(dǎo)未到定位曲面之前，其發(fā)展不受地面物體的影響。若I的先導(dǎo)落在C1弧面上，則雷擊避雷線；若落在C2弧面上，則雷繞擊于導(dǎo)線上；若落在C3面上，則雷擊大地。因此C2稱為繞擊暴露面。為考慮避雷針、避雷線或大地的系數(shù)，Mousa給出避雷線或大地的b為1，對避雷針的b為1.2。

二、防繞擊針的工程應(yīng)用

（一）35kV系統(tǒng)安裝防繞擊針的爭議

針對35kV集電線路是否有必要安裝防繞擊避雷針的問題，在電力系統(tǒng)中是存在一定的爭議的；絕大部分專家認(rèn)為35kV系統(tǒng)不需要安裝防繞擊避雷針，主要原因在于傳統(tǒng)的35kV線路主要用于中短途的平原線路輸電。隨著風(fēng)電行業(yè)的高速發(fā)展，山區(qū)風(fēng)電場從經(jīng)濟(jì)性角度普遍采用35kV系統(tǒng)。由于標(biāo)準(zhǔn)層面的缺失，目前的35kV輸電線路設(shè)計(jì)主要以《國家電網(wǎng)公司66kV和35kV輸電線路典型設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》作為設(shè)計(jì)參考，其防雷部分沒有詳細(xì)的技術(shù)要求，導(dǎo)致風(fēng)電場在實(shí)踐運(yùn)行過程中出現(xiàn)了較為顯著的雷電問題，這些問題是前期在平原環(huán)境中從未出現(xiàn)的問題。

赤沽項(xiàng)目處于內(nèi)蒙高原末端，壩上地區(qū)邊緣，雷電活動較為頻繁，每年均有因雷導(dǎo)致的線路跳閘問題。為了減少因雷導(dǎo)致的跳閘問題，解決赤沽風(fēng)電場集電線路雷電繞擊的問題，2014年在赤沽風(fēng)電場防雷改造項(xiàng)目中，對于檔距大、塔間高差大、地線斜率超過15°的區(qū)段采用分段試驗(yàn)的方式在部分線路上安裝線路防繞擊避雷針。通過同步對比的方式，可直觀地判斷防繞擊避雷針的有效率。

（二）防繞擊避雷針工作原理

重力型線路防繞擊避雷針是高電壓遠(yuǎn)程輸電線路中常見的輔助防雷產(chǎn)品。防繞擊避雷針的工作原理是改變地線狹長結(jié)構(gòu)的保護(hù)區(qū)域，通過雙向測針在地線的保護(hù)范圍內(nèi)增加新的電場畸變，利用尖端放電原理增加側(cè)針形成上行先導(dǎo)的概率，提高地線上放繞擊針的有效接閃率，進(jìn)而達(dá)到防繞擊的目的。為了更好地提高其引雷性能，結(jié)合35kV系統(tǒng)的特點(diǎn)，防繞擊針的側(cè)針長度需要根據(jù)地線弧垂與B相間距的擊穿電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般在低壓情況放繞擊針側(cè)針的長度為20cm；通過對平原110kV系統(tǒng)放繞擊針及國內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)院所對不同種類防繞擊避雷針的相關(guān)試驗(yàn)得出測針長度在20cm時其有效接閃率可提高35%左右。

（三）防繞擊避雷針在山區(qū)架空線路的安裝

傳統(tǒng)平原電力傳輸線路的防繞擊避雷針主要安裝在鐵塔的兩側(cè)，主要考慮在平原線路中檔距間鐵塔的高度最高，地線自鐵塔兩側(cè)自然下垂，重點(diǎn)在鐵塔兩側(cè)30m－50m位置安裝防繞擊避雷針；但在山區(qū)線路中，大跨距檔段主要是線路穿越山溝，而山溝實(shí)際處于封口，鋒面氣流的主通道；一次在山區(qū)及高斜率檔距間的地線防繞擊不僅需要在鐵塔兩側(cè)安裝防繞擊針，在檔距中間的底線上也需要安裝防繞擊避雷針。而這種安裝方式在平原線路上是極為少見的，也是風(fēng)電行業(yè)特有的。

（四）防繞擊避雷針安裝需要注意的問題

應(yīng)用防繞擊避雷針進(jìn)行線路改造項(xiàng)目時，需要對既有地線的承重載荷進(jìn)行計(jì)算，同時需要考慮風(fēng)偏舞動因素，尤其在線路上設(shè)置安裝多支防繞擊避雷針時，由于風(fēng)偏舞動及防繞擊避雷針自身重量產(chǎn)生的載荷，會出現(xiàn)超出既有地線的承載載荷情況。因此避免地線上安裝過多的防繞擊避雷針造成地線載荷過大導(dǎo)致斷裂。由于自承載式防繞擊避雷針有防舞動設(shè)計(jì)，因此不會造成側(cè)針發(fā)生旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致與B相線發(fā)生閃絡(luò)放電的事故。但應(yīng)該注意的是在安裝過程中，側(cè)針的長度不應(yīng)大于地線與相線間距的一般長度，防止雷雨時發(fā)生相地閃絡(luò)。

結(jié)束語

高山風(fēng)電場的集電線路繞擊問題，是近年來較為多發(fā)的因雷事件。其實(shí)，造成線路因雷事件的原因不局限于地線的設(shè)計(jì)，也存在風(fēng)偏舞動、接地電阻不良等諸多因素。但由于風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)部門還沒有積累相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)就直接投入到具體的設(shè)計(jì)工作中去，難免遇到一些新的問題。因此，針對高山風(fēng)電場集電線路的繞擊問題，還需要通過大量的經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行分析，才能夠得出較為準(zhǔn)確且有效的解決方案。

對于低壓架空輸電線在山區(qū)出現(xiàn)的問題是伴隨著風(fēng)電行業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的新問題、新課題，原來對35kV中低壓輸電線路防雷系統(tǒng)在新的工程應(yīng)用環(huán)境中，自然會出現(xiàn)新的問題。作為企業(yè)的安生服務(wù)部門，不能被動的處理問題，需要在不斷地探索中發(fā)現(xiàn)新問題、解決新問題，為企業(yè)生產(chǎn)提供有益的嘗試，在生產(chǎn)實(shí)踐中取得的工程效果，是促進(jìn)企業(yè)安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率的保障；通過對老技術(shù)的新應(yīng)用、新嘗試不僅激發(fā)了基層員工的技術(shù)創(chuàng)新能力，更從主動的層面促進(jìn)企業(yè)員工提高技術(shù)水平，增強(qiáng)安全生產(chǎn)意識。

本文僅對山區(qū)風(fēng)電場架空集電線路的雷擊放電形式、防護(hù)改進(jìn)措施進(jìn)行了初步的探討和嘗試，希望對同行業(yè)的高山風(fēng)電場架空集電線路雨季因雷跳閘事件的分析判斷和工程改造有所幫助和貢獻(xiàn)。

（作者單位：劉承祥：國華投資（河北）有限公司）