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摘要：高压输电线路是电力系统的大动脉，在运行过程中易受雷电因素干扰。基于此，本文就某220kV输电线路的防雷问题进行研究，通过对输电线路防雷风险评估中采用电磁暂态模型和电气几何模型分别针对线路杆塔反击、绕击进行仿真计算，并开发C++程序，对输电线路的各基杆塔进行雷害风险评估及防雷风险等级划分，并提出有针对性的改造措施。
关键词：220kV输电线路；模拟仿真；建立；风险评估；措施
近年来，随着社会发展对用电需求的增加，输电线路也越来越多。但是输电线路因其处于高空等户外环境，极易遭受雷击。雷击作为一种不可预知的自然现象，是威胁高压输电线路输电安全的主要原因之一。为了保障线路运行安全，在电力输送过程中，进行防雷工作有着十分重要的作用。但在以往的防雷设计中，因线路走廊的雷电活动的特征掌握得不够，未能全面考虑地形地貌，导致防雷设计过于单一，体现不出差异性，经济性较差。因此，根据具体情况，区别对待各基杆塔，进行差异化防雷十分必要。下文就某220kV输电线路的防雷工作进行探讨。
1 220kV输电线路综合防雷模拟仿真建模
实际运行经验表明，在不同电压等级输电线路雷击跳闸的主要原因不同。10kV线路主要是反击；220kV和330kV线路，绕击和反击都是主要原因；500kV及以上超、特高压线路，绕击占绝大多数。现以220kV输电线路为研究对象，因此主要针对反击和绕击这两种造成输电线路雷击跳闸的原因，利用ATP-EMTP仿真软件和EMG理论建立理论仿真计算模型，并结合C++程序开发，提高运算效率。
1.1 反击模型建立
ATP-EMTP是一款电力系统工作的应用的主要仿真软件，用于计算电磁暂态现象和电机原理的仿真，可有效的模拟计算电力系统的暂态过程。
利用ATP-EMTP软件计算输电线路杆塔的反击耐雷水平，即通过软件模拟线路、杆塔的分布参数，雷电流在线路中的波过程，杆塔的波过程，以及线路工频电压和感应过电压两个因素。相比于集中电感模型和单一波阻抗模型，克服了其在模拟取值方面考虑因素单一的缺点，考虑了雷电波在杆塔自身中的波过程，ATP-EMTP软件模拟的杆塔模型的防雷计算更为准确，符合现实。
对于不同杆塔型号的杆塔，它总体的计算模型也不同，其中最大的变化在于杆塔结构模型的变化，应用ATP模拟杆塔反击，以“干”字型杆塔为例来引入杆塔的总体仿真模型，见图1。
图1 杆塔总体仿真计算模型
通过不断改变雷电流模块输入的数值来模拟雷电流击中杆塔的过程，根据输出的电压波形（见图2和图3），来判断线路是否出现跳闸情况。如图2所示，为程序输出的电压波形结果，在该图中F1、F2、F3处的电压波形都显示为正常的波形，说明假设的雷电流值并未引起线路杆塔的跳闸，可提高雷电流的数值。如图3所示，F3处波形出现异常的通路现象，说明在假设的雷电流数值下F3处的绝缘子发生闪络，即出现线路跳闸的情况。如此通过不断改变雷电流数值，推断线路雷击跳闸的临界雷电流值即输电线路的反击耐雷水平。
1.2 绕击模型建立
电气几何模型（electric-geometry model，EGM）——把雷电对物体的放电过程同输电线路的结构尺寸相结合而创建的几何分析计算模型，它采用击距体现导体的引雷能力，避免了规程法中所提供计算方法具体线路的特点没有得到很好地反应的缺点，线路的屏蔽失效原因也得到很好的诠释，因此选用该模型进行线路绕击率的计算。
其基本原理为：雷电先导在不断向下发展的时候，其头部在没抵达被选择放电的物体击穿距离（击距）的空间范围不会对地面接地体定位，就不清楚雷电的击中点，雷电向哪个物体放电取决于雷电先导先到达哪个物体的击距之内。
1.2.1 模型建立
输电线路雷电绕击的EGM模型见图4。
式中，I为雷电流幅值（kA）；RC为雷电先导对避雷线及导线的击距（m）；Rg为雷电先导对地的击距（m）；h为导线的平均高度（m）。
在输电线路的横断面上，将分别以避雷线所在的点和导线所在的点作为圆心，以rsck为半径作弧线，分别为弧线CkAk、AkBk，且两条弧线的交点是点Ak。击距rsck随着雷电流幅值I的变化而变化，如图4所示。直线BkDk在距离地面rsgk（对地击距）且平行于地面作的直线，其与弧AkBk相交于点Bk。雷电先导头部分别到达弧CkAk、弧AkBk、直线BkDk的范围内，就会分别电击避雷线、输电线路导线、大地，也就是对避雷线、输电线路导线、大地闪络。
1.2.2 绕击跳闸率的计算公式
绕击率的计算有很多种方法，比如利用暴露距离、暴露投影、暴露弧比值都可以。利用国内较常用的暴露弧比值进行绕击率的计算，其计算公式
1.2.3 基于EMG电气几何模型开发的计算输电线路绕击跳闸率的C++软件
利用EMG电气几何模型计算输电线路的绕击调整率是非常繁琐的，在实际的项目运行中往往是一条线路的每基杆塔都要计算，工作量非常巨大。基于电气几何模型，应用C++程序开发，开发出一套基于电气几何模型计算线路杆塔绕击跳闸率的应用程序，大大简化了计算的复杂程度，节约了计算时间，提高了工作效率，该软件在实际的项目中已应用过，效果良好。
该应用程序开发的过程如下：首先，基于EGM模型确定模型各个物理量的计算公式，并编制C++原始代码，编译、连接并运行AppWizard建立应用程序，构建应用程序的用户接口，使用窗口中的Class View直接跳转到源代码编辑器中消息处理函数所在的位置，并将命令标识符赋给工具栏上的相应按钮，测试调整，最后实现视图类。该软件已在实际项目中应用，且效果良好，界面见图5。
图5 输电线路绕击跳闸率计算软件界面
2 工程实例
某地区地势北高南低，自西、西北向东及东南趋向平缓，直至沿海；北部和东北部多山，海拔在300～600m之间；中部为山前平原，海拔在50m以下，地势平坦；南部和西部为滨海盐碱地和洼地草泊，海拔在15～10m以下。由于受该地区不同区域地形地貌及地质条件特点影响，各区域高压输电线路雷害亦存在着差异，据线路实际运行经验显示，地处北部山区及多矿藏区域明显多于其它区域。现以位于该地区北部区域输电线路雷害故障多发区的某220kV输电线路为例，对该地区典型高压输电线路雷击闪络风险进行综合分析及评估，并提出初步防雷改造方案。该线路全长32.5km，所跨越地区包括丘陵、山地等，地形较为复杂，处于山地地区的杆塔数量多，处于大坡度的杆塔数量多，绕击和反击现象都比较严重，具体较强的代表性，是该地区防雷工作的重点线路之一。
2.1 雷害风险评估
2.1.1 雷击跳闸率风险分级评估标准
根据国网公司生产部近年来进行的“国网220kV及以上电压等级输电线路雷击闪络调研”结果表明，220kV输电线路发生的雷击跳闸主要是由绕击引起的，绕击跳闸可占总跳闸次数的70%，因此在中线路雷击风险评估等级研究中按照下列方法确定：国家电网公司在颁布的《110（66）～500kV架空输电线路管理规范》第八十九条中规定：220kV输电线路雷击跳闸率应不超过0.315次/百公里?年，因此，根据上述研究结果220kV线路绕击跳闸率的控制指标Sr可定为0.315次/百公里?年的70%，即0.221次/百公里?年，反击跳闸率的控制指标Sf可定为0.315次/百公里?年的30%，即0.094次/百公里?年。将计算所得的绕击跳闸率及反击跳闸率与上述控制指标相比较来进行雷击闪络风险评估。为更加明确表明各杆塔及线路的雷击闪络风险的高低，可对风险评估结果进行等级划分，本文中采用如表1的等级设定。
注：Pr、Pf、P分别表示计算的绕击跳闸率、反击跳闸率、总雷击跳闸率。
2.1.2 雷害风险评估
根据历年平均雷电参数统计结果，采取电气几何模型及电磁暂态模型对所选各基杆塔的防雷风险进行评估，通过评估结果的横向比较得出各线路雷击易闪段、易闪点，各基杆塔雷击风险评估定级如表2所示。
2.1.3 风险评估分析
对于所选输电线路14基杆塔，经过仿真计算得出总雷击跳闸率较高的处于D级的杆塔有9基，占64.29%；处于C级的杆塔有2基，占14.29%；处于B级的杆塔有2基，占14.29%；处于A级的杆塔有1基，占7.14%。
经过上述仿真计算以及雷击风险区间划分，对处于雷击总跳闸率D级风险水平的相关杆塔进行分析，主要有以下几点原因：
（1）杆塔接地电阻过大，导致其反击耐雷水平降低；
（2）杆塔呼高过高，导致导线离地面高度高，从而减小了地面对导线的屏蔽性能；
（3）雷电活动剧烈，地闪密度大，导线可能遭受的雷击次数多；
（4）地貌的影响，如杆塔处于沿坡、山顶或跨谷地貌时，地面对导线的屏蔽性能较小；
（5）保护角过大，避雷线对导线的屏蔽性能弱。
2.2 防雷改造方案
输电线路的防雷改造，就是利用降低杆塔接地电阻、安装线路避雷器等手段降低杆塔的雷击跳闸率，提高输电线路防雷水平的过程。
影响杆塔反击跳闸率的因素有呼高和接地电阻，因杆塔的呼高在设计好后就不可更改，所以主体上建议针对易闪段易闪点中反击风险为D级的杆塔采取降低接地电阻的措施。根据该地区高压输电输电线路现场防雷调研情况看，接地电阻值偏高的杆塔大多处在多岩石少土等土壤电阻率较高的山顶、边坡地区，同时也是雷击多发生区域，杆塔降阻困难，地形复杂。由于部分线路运行时间长，加之线路走廊地质环境较为恶劣，阻值自然增大，同时受地网腐蚀的影响，产生地网断裂和阻值不平衡现象。针对接地电阻超标杆塔，可采取延长射线及加装接地模块的措施；针对接地电阻不平衡杆塔，重点对地网锈蚀和断裂问题进行处理，可采取焊接、敷设地网、防腐导电涂料的措施进行改造。
对于绕击风险为D级的杆塔应视地形特点确定改造措施，如对于档距较小，绕击风险较高的的杆塔可采取装设单相可控放电避雷针，对处于沿边坡、沿山脊这类绕击风险较高的杆塔采取装设双相可控放电避雷针，处于跨越地形则采取装设线路型避雷器措施，根据线路杆塔的具体地形分析，具体改造杆塔及措施见表3所示。
3 结语
综上所述，输电线路防雷是一项长期的系统工程，为大幅度降低或消除线路雷害事故，必须采取针对性的措施，进行差异化防雷。本文通过对220kV输电线路仿真建模，利用ATP-EMTP仿真计算输电线路的反击跳闸率，利用基于EMG电气几何模型开发的C++程序计算输电线路的绕击跳闸率。对某220kV输电线路各基杆塔进行雷击闪络风险评估及防雷风险等级划分，确定了输电线路9个易闪点杆塔；且针对雷击风险较高的杆塔，进行原因分析，因地制宜提出了具有针对性的各基杆塔防雷改造措施。结果表明：差异化防雷对提高输电线路耐雷水平作用显著，开发的软件可提高仿真计算速率。
参考文献
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[3] 高海军.输电线路综合防雷措施分析[J].科技展望.2014（11）
论文作者:黄戬
论文发表刊物:《电力技术》2016年第7期
论文发表时间:2016/10/17
标签：杆塔论文; 线路论文; 防雷论文; 雷电论文; 模型论文; 导线论文; 雷害论文; 《电力技术》2016年第7期论文;