计及风速影响的500kV同杆双回线路
绕击耐雷性能计算模型研究
陈国庆，孙才新，张志劲，司马文霞，廖瑞金
（重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆400044）
摘要：目前雷击仍然是危及输电线路安全可靠运行的主要原因，而现有评估输电线路绕击跳闸率的模型还不能与线路实际运行经验一致，该文在分析500kV同杆双回输电线路绕击耐雷性能时，以三峡电站的出线为例，充分考虑了风速的影响，对击距模型进行了改进，同时还较详细分析了地面倾角、杆塔高度等对绕击跳闸率的影响。通过编程仿真计算结果表明，随着风速的增加，输电线路保护角和绕击跳闸率都将增加，建议今后在评估输电线路绕击耐雷性能时，对风速影响因素应加以考虑。
关键词：同杆双回输电线路；绕击；超高压；耐雷性能
1引言
为了减少500kV输电线路走廊占地，提高线路走廊单位面积的传输容量，采用同杆架设双回输电线路已成为500kV主干网架发展的必然趋势。目前在日本、美国、西欧等^[1]超高压电网中，同杆双回输电线路的使用越来越普遍，例如日本不仅在500kV线路中绝大多数是同杆双回线路，新建的1100kV线路也是采用同杆双回线路；澳大利亚在110kV等级中有64的输电线路采用同杆双回路输电；美国在220kV等级中有47的输电线路采用同杆双回路输电，在345kV等级中有52的输电线路采用同杆双回路输电；英国在275kV等级中有99的输电线路采用同杆双回路输电，在400kV等级中全部采用同杆双回路输电。我国三峡电站输出工程也将部分采用500kV同杆双回线路输电。
从俄罗斯及我国数十年的雷击跳闸故障的资料表明^[2-3]：500kV线路跳闸主要不是雷击杆塔时引起的反击而是绕击导线所致。三峡电网是我国未来电网的核心，其500kV主干输电线路若遭受雷害事故，将会造成巨大的经济损失。三峡电站送出工程途经地区有着复杂的地形、地貌，输电线路途经地形高差大、塔型繁多，气候条件也很复杂，雷电活动频繁。因此，研究500kV输电线路的耐雷性能，对保证三峡电站送出工程500kV输电线路安全运行，具有重要的科学意义和工程应用价值。
目前评估输电线路绕击耐雷性能方法较多，如规程法^[4]，它认为绕击率与雷电流大小无关，对地面倾角的影响只以平原和山区来分，是一种简单的计算方法；电气几何模型（EGM）^[5]，它引入了绕击率与雷电流幅值有关的观点，考虑了导线高度、地形等因素的影响，其结果与二三十年的运行经验基本符合；Dellera和Eriksson基于临界电晕半径概念发展了上行先导起始判据，建立了先导传播模型（LPM）^[6-7]；Rizk对上行先导起始判据进行了修正，提出适合于复杂间隙结构的先导起始判据，建立了新的LPM^[8]；王晓瑜教授等考虑了雷电绕击分散性，提出了输电线路的雷电绕击模型^[9]。后三种模型是建立在实验室模拟试验的基础上，实际应用尚待进一步研究。但目前无论是用规程法还是击距法都无法很好地解释超高压与特高压输电线路跳闸率以绕击为主的事实。笔者认为，由于在现实生活中，雷击时常常伴随着刮风和下雨，这势必将导致导线和绝缘子串的摇摆，增大导线对地高度和保护角，使得导线引雷几率增大，从而引起线路绕击率的增加，因此笔者充分考虑实际线路的气象条件（风速），对击距法进行改进，使其更能反映实际的情况。
2考虑风速后的击距法计算模型
在一定风速v下所引起的悬垂绝缘子串和导线风偏角情况如图1所示。悬垂绝缘子串风偏角φ可按式(1)计算^[10]

式中L_s、L_c分别为水平和垂直档距，m；g₁、g₄分别为导线自重比载和其风荷比载，kg/(m·mm²)；m_j、m_p分别为绝缘子串质量和其风荷载，kg；A为导线截面积，mm²。
计入导线分裂间距的影响，则

式中l为绝缘子串长度；d为导线分裂间距。
导线风偏角x可按下式计算
ξ=arctan(g4/g1)
则考虑风速后的击距法计算模型如图2所示。
各变量可由以下公式计算获得

3计算同杆双回线路绕击性能程序
利用改进的击距法计算500kV同杆双回输电线路绕击跳闸率，在编制程序时应确定以下参数：
（1）击距
对于击距，E.R.Whitehead认为可以忽略雷击目的物体形状和邻近效应等其他因素对击距的影响，即令先导对杆塔、对避雷线、对导线的击距均等于R_s。则击距R_s与雷电流幅值I的关系可以采用E.R.Whitehead的公式表示，即
R_s=6.72I^0.8
（2）临界击距R_sc
输电线路具有一定的耐雷水平，只有超过线路耐雷水平的绕击时才能导致线路绝缘闪络，因此在分析500kV同杆双回输电线路绕击跳闸率时，可以取绕击耐雷水平I₂所确定的击距为临界击距R_sc，即

（3）最大击距R_sm
随着雷电流的增加，雷击导线的区域减小，当雷电流大到一定程度I_m时，或击中避雷线，或击中大地，不再发生绕击，则I_m称为最大绕击电流，相应的击距R_sm称为最大击距。R_sm与杆塔的塔头尺寸、地形地貌有很大的关系，通用的计算公式为^[11]

其中h_s、h_c为避雷线和导线平均高度；a为避雷线平均保护角；θ为杆塔处的地面倾角；β为击距系数且β≤1。
（4）风速的概率分布函数
为了使分析500kV同杆双回输电线路时，其结果更能符合运行实际，本文还考虑了风速的影响。拟合风速分布的模型很多，其中韦布尔双参数分布被普遍认为适于对风速作统计描述，风速v的韦布尔分布概率密度函数为^[12]

式中k为形状参数，是一个无因次量；C为尺度参数，其量纲与速度相同。
可根据T时间内观测到的10min最大风速值和平均风速值，通过下式^[12]近似地估计韦布尔分布参数，即

通过上述分析后，得到计算500kV同杆双回输电线路绕击跳闸率的程序框图如图3所示。[1][2]下一页