特高压直流输电线防雷保护(学科前沿论文)

          学科前沿讲座论文

  题  目：  特高压直流输电线防雷保护  

  班  级：                 

  专  业：   电气工程及其自动化    

  设计人：      刘鹏      

  完成日期：    2012-06-15         

                目录

摘  要     …………………………………………3

引  言     …………………………………………3

1  直流输电线路的耐雷性能………………………3

 1.1  雷击闪络特性…………………………………3

 1.2  耐雷指标………………………………………3

 1.3  雷击闪络的危害………………………………4

2  特高压直流输电线路预期雷击闪络率指标……4

3  特高压直流线路雷电性能的计算方法…………4

 3.1  绕击计算方法………………………………4

 3.2 推荐的特高压直流线路绕击计算方法和参数…5

 3.3  反击计算方法…………………………………6

4   特高压直流线路的防雷防护措施 ……………6

5   结论………………………………………………7

6   参考文献…………………………………………7

     特高压直流输电线路的防雷保护

摘要：特高压直流输电线路是特高压直流工程的重要组成部分，具有输电距离长和输送容量大的特点，运行经验表明，在高压和超高压输电线路跳闸的各种因素中，雷击引起的跳闸次数占40% ～70% ，特别是在多雷、土壤电阻率高和地形复杂的地区，雷击输电线路引起的故障率更高。本文对直流输电线路的雷击闪络特性和运行情况进行了分析，针对特高压直流输电线路杆塔高的特点，推荐了直流输电线路的计算方法和计算用参数，并提出了直流输电系统的防雷保护措施。

关键词：UHVDC；输电线路；防雷保护

引言

    无论是交流系统，还是直流系统，输电线路是电网的重要组成部分，它将巨大的电能输送到四面八方的负荷中心。特别对于直流输电线路，它承担着长距离大容量的送电任务，所以，直流线路的安全运行显得尤其重要。 

    架空输电线路分布很广、纵横交错、绵延数百乃至上千km，所以容易遭受雷击。我国近几年的架空输电线路故障分类统计表明，在引起高压、超高压输电线路跳闸的各种因素中，雷击引起的跳闸次数占40% ～70% ，特别是在多雷、土壤电阻率高和地形复杂的地区，雷击输电线路引起的故障率更高。其中±500kV 直流输电线路的运行经验表明，雷击直流输电线路的情况也较突出。另外，输电线路落雷，沿输电线路传入换流（变电）站的雷电侵入波也可能造成变电站内设备的损坏。 

     对于特高压直流线路，由于杆塔高度较高，更容易遭受雷击，所以，特高压直流线路的防雷保护要给予特别关注。

1   直流输电线路的耐雷性能 

1.1   雷击闪络特性 

    直流输电线路的雷击闪络特性与交流输电线路有所不同，原因是由于雷击架空输电线路绝缘闪络后，交流和直流系统的保护动作方式不同。 

    对于交流输电系统：当雷击架空输电线路引起绝缘闪络后，系统继电保护启动，跳开线路两侧的断路器，切断故障电流，并在规定的时间内进行重合闸操作，线路恢复正常送电。 

对于直流输电系统：当雷击架空输电线路引起绝缘闪络（即直流线路发生接地故障）时，直流系统的控制保护系统启动，迅速将整流侧的触发角移相至160 °左右，将整流站转为逆变站运行，故障电流降为零，经过一段去游离时间之后，故障点息弧，再启动直流系统恢复正常送电。而故障发生时刻到移相指令开始执行的时差与控制保护时延及故障地点距整流站距离有关，参考三常、三广、三沪等直流输电工程控制保护实际动作情况，全程时间一般为150 ～200ms 左右[1] 。

1.2   耐雷指标 

    交流输电系统是采用线路两侧的断路器跳开切断故障电流，由于断路器设备对跳闸次数有要求，当跳闸次数超过一定数量后，需要对断路器进行停电检修。所以，交流输电系统把  “雷击跳闸率”作为线路的耐雷指标。特别是对于早期的少油断路器设备，为了尽量减少断路器的动作次数，对交流线路的雷击跳闸率指标有较严格的要求。另外，雷击架空输电线路绝缘闪络的同时，由于工频电弧的作用，有时会烧坏绝缘子。所以，每次雷击跳闸后，运行人员需寻找故障点，必要时更换绝缘子，这也是控制交流线路雷击跳闸率的因素之一。 

直流输电系统是通过控制整流侧移相切断故障电流，由于直流系统的控制无次数要求，所以，直流系统不用线路雷击闪络率作为耐雷指标。由于雷击架空输电线路使绝缘闪络时，直流短路电流也较大，有时会烧坏绝缘子，因此，每次雷击闪络后，运行人员也要寻找故障点，必要时需更换线路绝缘子，这与交流架空输电线路是相同的。所以，直流输电线路的雷击闪络率也不宜过高。

1.3   雷击闪络的危害 

人们认为，直流线路发生雷击闪络造成的后果不像交流线路那样严重，原因是交流系统短路电流比直流系统大，容易烧坏线路绝缘子，甚至发生掉串事故，影响系统安全运行。

    仿真计算表明，交流系统因地区网架不同单相短路接地电流在数kA至二三十kA范围；直流系统因输送容量和故障位置的不同单相短路电流在数kA至十几kA范围内[2]。 

    在运行中，交流输电线路和直流输电线路都发生过由雷击损坏绝缘子的情况。并且，我国网省公司的线路运行部门规定，不论交流线路，还是直流线路，当线路闪络后，都需要巡线，查找故障点，更换烧损的绝缘子。所以，交直流输电线路的运行维护工作量是一样的。 

对于特高压直流输电线路雷击闪络故障，除上述因素外，还有一点是值得注意的。由于特高压直流输电容量远大于常规的±500kV 直流输电工程，因而，直流线路雷击闪络对两侧交流网的扰动是不容忽视的。所以，特高压直流线路的雷电性能要给与特别的关注。

2 特高压直流输电线路预期雷击闪络率指标 

    我国网省公司对输电线路的雷电跳闸（闪络）率都制定了相应的指标。鉴于特高压工程的重要性，我国1000kV 特高压交流输电线路的预期雷击跳闸率按500kV 线路运行值的70%~80%考虑，约为0.10~0.11次/100km·a 。 

对特高压直流输电线路，由于其输电距离长、输送功率大。建议预期雷击闪络率指标可与1000kV特高压交流输电线路的预期雷击跳闸率相同。

3  特高压直流线路雷电性能的计算方法 

    与交流输电线路一样，特高压直流输电线路的雷击有两部分组成，一是绕击，二是反击。由于特高压线路的绝缘水平较高，反击的耐雷水平较高，绕击是雷击的主要因素。 

3.1   绕击计算方法 

目前，国内外用于高压输电线路绕击雷电性能的计算方法，主要采用电气几何模型法和先导发展模型法。下面就其计算原理和使用效果分别进行说明。

(1)  电气几何模型法 

    60年代，美国爱迪生电工研究所在 345kV 交流线路上装设了能区分绕击和反击的寻迹器4600支，统计了84000 公里·年的运行经验，得出345kV线路事故主要是绕击事故引起。美国的E.R.Whitehead，H.R.Armstrong和G. W. B r o w n 等人据此相继开展了雷电屏蔽技术的理论研究，提出了怀氏电气几何模型(EGM) 。该方法是将雷电的放电特性和线路结构尺寸联系起来分析，塔高、地形、雷电流大小等因素的影响均予以考虑，和实际运行经验比较符合，且比较简单。在以后的输电线路防雷设计和雷击屏蔽性能计算上得到了成功地应用。

目前在日本、美国、欧洲等国家均采用该方法，在我国也得到了电业研究人员的普遍认可。 

该方法在500kV 等级及以下的交流输电线路及±500kV 直流输电线路上应用得到比较令人满意的效果，但对于特高压输电的高塔型和特殊的地理条件的输电线路，该方法的适用性需做进一步研究和验证。

(2)  先导发展模型法 

    该方法是基于雷电观察和长间隙放电试验的成果，基本思想是在雷电先导向下发展过程中，当地面物体表面场强超过一定值时会在地面物体( 如相导线或避雷线)上产生迎面先导；随着上、下行先导的发展，当二者之间的场强超过空气间隙的临界击穿场强时，即发生雷击。该方法由于考虑了其物理过程的诸多因素，其物理意义更清晰，有其优势。但由于雷电现象的复杂性，不同学者对雷击物理过程的描述还存在诸多分歧，有不少方面有待开展深入的基础性研究。这其中至少包括雷电下行先导通道模型研究、不同线径和导线的临界电晕半径研究、复杂间隙结构下线/ 棒的上行先导起始条件、上下行先导在各种条件下的相对运动速度、放电分散性的数学物理描述方法、工作电压对导线临界电晕和上行先导起始条件的影响等一系列基础问题。 

由于缺少试验和运行数据的验证，对于先导发展模型的判据存在不同的观点，许多计算用参数也不尽相同，都会导致计算结果相差非常大。

3.2   推荐的特高压直流线路绕击计算方法和参数 

鉴于先导发展模型法的不成熟和电气几何模型法（EGM）的可操作性，建议高压直流线路绕击雷电性能计算采用EGM方法，但在参数的选择上应结合高压直流线路的特点特殊的考虑，如：工作电压和建弧率。

(1) EGM 原理和计算方法 

    由雷云向地面发展的先导头部到达距被击物体临界击穿距离( 简称击距) 的位置以前，击中点是不确定的，先到达哪个物体的击距之内，即向该物体放电；击距同雷电流幅值有关。 

本研究中采用了IEEE 标准[4]所推荐的击距公式，见式(4-1)、(4-2)。

                                   (4-1) 

                      (4-2)  

式中：   

 I   —  雷电流，kA；  —  雷电对避雷线的击距，m；—  雷电对大地的击距，m； 

  —  导线平均高度，m。

(2)  工作电压的影响因素 

从我国±500kV 运行经验可知，正极性导线容易发生雷击闪络，这是由于我国的雷电大多为负极性雷，约占 90% 。这也说明直流工作电压对雷电绕击是有影响的，对于特高压直流输电线路，由于直流工作电压高，其影响因素更加明显。所以，导线的击距还需考虑其上的工作电压，雷电对导线的击距可由下式确定。

                     (4-3)

式中： 

—  雷电对其上有工作电压的导线的击距，m；—  导线上工作电压值，MV。

(3)  地形的因素 

    采用电气几何模型进行绕击计算，导线平均高度可从纵断面图计算求得。由于线路走廊情况复杂，实际操作起来很困难。目前，对于地形的考虑有不同的观点和方法，一种方法是在电气几何模型中以地面倾斜角考虑地形；另一种方法是按地形分类对导线平均高度进行初估。 

第一种方法是假设线路是沿着有一定斜坡的地形连续架设，斜坡外侧线路的绕击电气几何模型的地面为一条斜线，使绕击更易发生。由于这种假设的情况出现概率很小，除非线路是沿山梁或者大堤架设。而输电线路的走廊往往是架设在平原、延绵起伏的丘陵地区，或跨越错综复杂的大山和湖泊等，各种复杂情况均用一个固定的倾角模型进行计算，显然是不全面的。

    第二种方法，是美国的E.R.Whitehead在《雷电》[5]一书中提到的，将地形分成三类：平原、丘陵和山岳。对于这三类地形，在确定导线高度的参数时采用不同的原则，如：平原的导线高度取导线平均对地高度，即考虑了导线弧垂；丘陵的导线高度取导线悬挂高度；山区的导线高度取 2 倍的导线悬挂高度。 

    这种方法对于平原、地形相似的延绵起伏的丘陵地区和群山，简单可行，较为合理。但对于山地，由于杆塔假设的位置和线路走势的不同而导线各异，简单的采用导线高度取 2 倍的导线悬挂高度是有一定局限性的。对于地形特殊的高山和大跨越等，仍需做特别研究。 

(4)  雷击入射角度 

    以往在进行常规输电线路雷电绕击计算中，雷电先导是按垂直大地考虑的。从日本特高压交流输电线路运行中拍摄到的雷击照片得知，由于日本的特高压输电线路为同塔双回，杆塔高度较高，在88～148m之间，因此，有雷电先导侧向击中导线的情况发生[6]。 

由于特高压直流线路杆塔高度较高，从严格的角度出发，在绕击计算中建议考虑雷电先导和垂直大地平面成一定入射角( Ψ) 的情况，入射角概率密度(g(Ψ)) 可采用日本研究成果，如式(4-4)所示

                    (4-4)

3.3   反击计算方法 

    对于高压直流输电线路的雷电反击计算，与交流输电线路相同，目前国内外普遍采用行波法。只是在感应电压、绝缘闪络模型上存在一些差别。 运行经验证明，雷击避雷线的档距中间且与导线发生闪络引起闪络的情况是极罕见的，可不予考虑。故在反击计算中仅考虑了雷击杆塔的情况。 雷击塔顶时，导线上的电压uc有如下3 个电压

分量：

                        (4-5)

式中：   

—  雷击塔顶在导线上形成的感应过电压分量；  —  雷击点(塔顶、避雷线)的电压；—  极线上工作电压；—  避雷线与导线间的几何耦合系数；—  避雷线与导线间考虑避雷线上冲击电晕影响后的耦合系数。

4   特高压直流线路的防雷防护措施 

    与交流输电线路相同，特高压直流线路的防雷防护措施主要从两方面考虑。 

    一是减少发生雷击线路的绕击闪络率，主要而有效的措施是减小避雷线保护角。由于特高压直流线路只有两极导线，若避雷线采用负保护角，不会因两根避雷线的距离拉大而产生中相绕击问题，这一点与单回交流线路不同。所以，在不特别加大线路工程造价的情况下，建议特高压直流线路雷线尽可能采用小的保护角，或通过计算确定不同地形条件下避雷线的保护角。 

    二是减少发生雷击线路的反击闪络率，主要措施是增加线路绝缘和减小杆塔接地电阻。对于特高压直流线路，因耐污和电磁环境的要求，线路绝缘子较长，且导线极间距较大，使单回线路绝缘水平较高。但对于同塔双回的特高压直流线路，由于上导线对下横担的距离不受其它因素控制，为降低杆塔造价，往往设计的较小，此处是雷击闪络的薄弱点，应给与重视。 

从我国±500kV 运行经验可知，发生雷击闪络故障主要以绕击为主，所以，特高压直流线路的防雷措施重点应放在防线路绕击方面。

5  结论 

(1)  特高压直流线路的防雷保护应给与关注。 

(2)  从运行统计数据看，我国±500kV 直流线路的雷击闪络率高于交流500kV 线路雷击跳闸率的平均值。另外，正极性导线容易发生雷击闪络。 

(3)  特高压直流线路雷电性能的计算方法，应结合特高压直流线路的特点进行特殊考虑。

6  参考文献  

[1]   中国电力科学研究院.±800kV 级直流输电工程过电压及绝缘配合的研究[R]. 2007. 

[2]   朱艺颖等. 特高压直流输电控制保护特性对内过电压的影响[J].电网技术，2008，32(8)：6-9. 

[3]   中国南方电网超高压输电公司广州局．南方电网交直流超高压输电线路防雷策略研究[R]．广州, 2007 ． 

[4]  IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines[S]．IEEE Std 1243-1997, June 1997 ． 

[5]   R.H.Golde[英]．雷电( 下)[M] ．李文恩，李福寿译．北京：水利电力出版社，1983． 

[6]   Jun Takami, Shigemitsu Okabe. “Characteristics of direct lightning 

strokes to phase conductors of UHV transmission lines”. IEEE TPG, 

2007, 22(1):537~546.