周 瑜，陈 路，彭 洁，何艳娇，马志青，马 奇，刘敬之

（1.国网青海省电力公司电力科学研究院,西宁810008；2.国网电科院武汉南瑞有限责任公司,武汉430000 3.国网青海省电力公司,西宁810008）

±400 kV柴拉直流线路雷害风险评估及治理策略研究

周 瑜1，陈 路2，彭 洁1，何艳娇3，马志青1，马 奇1，刘敬之1

（1.国网青海省电力公司电力科学研究院,西宁810008；2.国网电科院武汉南瑞有限责任公司,武汉430000 3.国网青海省电力公司,西宁810008）

基于线路自身参数、海量雷电监测数据及高精度地形地貌参数，综合改进后的电气几何模型及ATP/EMTP方法，完成±400 kV直流输电线路绕、反击跳闸率计算，结合跳闸率指标实现线路雷害风险评估。利用线路坐标、合理划分网格，获取各基杆塔实际地闪密度值；以杆塔为单位挖掘度地形地貌信息，计算获得针对导线侧的地面倾角值；利用改进后的电气几何模型方法，基于线路自身参数搭建ATP/EMTP仿真模型，计算线路最小绕击耐雷水平及反击耐雷水平；结合雷电流入射角及导线侧地面倾角值，获得极I、极II最大绕击耐雷水平；以杆塔实际地闪密度值及绕、反击耐雷水平为基础，计算青海±400 kV柴拉直流输电线路杆塔绕击(极I、极II)、反击雷击跳闸率，并结合实际跳闸率指标，实现线路逐基杆塔的雷害风险评估，并根据线路特性提出针对性的治理策略，实现柴拉直流防雷有效治理。

电气几何模型；ATP/EMTP；跳闸率；雷害风险评估

0 引言

据统计，雷击是引起输电线路跳闸最主要的环境因素，在我国由雷击引起的高压输电线路闪络跳闸次数占线路总跳闸次数的60%～70%[1-2]，高海拔地区、直流输电线路雷害事故也是有发生[3-4]。±400 kV柴拉线是连接青海与西藏的首条高压直流输电线路，相比于交流输电线路，其造价低、损耗小、功率调节方式灵活，满足了远距离、大容量电能的传输需求。但同时由于沿线走廊地形复杂多样，包括了高海拔、严寒区域、山区等，大档距（档距超过500 m）和大转角杆塔普遍存在，自然环境恶劣和部分杆塔防雷性能相对薄弱使得线路遭受雷击的概率大幅增加。当发生雷击跳闸事故将造成严重的经济损失，后期停电检修几率也很小，因此对其展开雷害风险等级评估及雷害治理策略研究是有必要的。

当前，柴拉线为国内唯一一条±400 kV直流输电线路，因投运时间较短，对其耐雷性能分析及雷害风险评估的相关研究较少；直流线路两条极线分别带有正/负极性的工作电压，而自然雷电地闪中负极性雷占90%左右，“极性效应”致使极I（正极）更容易遭受雷击。传统雷击跳闸率计算方法对上述因素考虑较少，难以直接适用于±400 kV直流线路。

针对以上问题，笔者使用绕击计算模型为改进后的电气几何模型，相比于传统模型，其将雷电入射角概率密度分布函数及左/右地面倾角引入，解决了负保护角传统绕击计算方法准确性较低的问题；考虑了直流输电线路雷电极性效应，提出了正/负极性雷电对两极导线绕击跳闸率的影响系数；选择了ATP/EMTP软件实现反击耐雷水平的精细化计算；基于评估结果，找出了线路雷击高风险杆塔并生成了具有针对性的防雷治理策略，提升了线路雷击防护水平[5-8]。

1 参数统计分析

1.1 杆塔基础参数

杆塔基础参数包括坐标、结构、绝缘配置及已安装的防雷措施。其中，坐标用于确定杆塔位置，进而获得杆塔周边雷电参数及地理信息数据。杆塔结构包括相序、档距、接地电阻及导线、避雷线悬挂点位置。绝缘配置为绝缘子串长度。已安装的防雷措施包括针对杆塔或导线的相关措施，比如各种形式避雷针、避雷器、耦合地线等。

在档距分布上，笔者定义1.5倍评估杆塔的平均档距为大档距标准，其值为654 m，全线大档距杆塔共22基，占1.58%；

在接地电阻上，小于5 Ω杆塔共999基杆塔，占71.61%；5～10 Ω杆塔共391基，占28.03%；大于10 Ω杆塔共5基，占0.36%；

在杆塔性质上，耐张塔216基，占15.48%；直线塔1179基，占84.52%。

1.2 雷电特征参数

随着雷电定位系统的应用及对其积累的雷电数据的统计分析，由雷电定位系统测得的地闪密度数据也开始用于防雷计算中[9-10]。

±400 kV柴拉线（青海段）走廊雷电活动分布特征分析和典型雷电参数的获取，以青海电网的雷电定位系统监测数据为基础，统计法提取出沿线地闪次数、地闪密度等雷电基础参数。线路走廊沿线雷电分布分析方法采用“线路走廊网格法”：即根据线路结构特征，对沿线走廊径向进行合理的等距划分，将线路走廊划分成一系列统计网格（区段）。柴拉线（青海段）走廊地闪密度分布情况如图2所示。

图2 柴拉线（青海段）走廊地闪密度分布情况Fig.2 Distribution of lightning flashover density along±400 kV Caidam-Lhasa DC transmission line

分析表明：柴拉线（青海段）平均地闪密度为0.15次/年·平方公里，线路前半段的地闪密度相对后半段偏低。雷电流幅值累积概率分布为

1.3 地理信息特征参数

挖掘分析高精度地形地貌数据，获得各点海拔、高程差、坡度等内部表征信息。以杆塔为中心点，将垂直于线路中心线方向的100 m直线等比划分8段（8个外点与1个中心点），通过线路走向及等分距离计算获取各等分点坐标，并调取之对应的内部表征信息，计算出8个外点与中心点的纵向高程差及横向水平距离，分别计算出8个外点相对于中心点的地面倾角值，取左、右4个点的算术平均值作为左、右地面倾角等效计算值。

式中，∂L、∂R分别为左、右侧等效地面倾角；∂j（j=1，2...，8）为等分点j相对中心点的地面倾角。

基于线路基础参数中杆塔坐标信息，逐级扫描地形地貌获取地理信息特征参数，并计算获取地面倾角等效值，见图3。

图3 线路地形特征参数计算结果Fig.3 Calculated results of terrain parameters for±400 kV Caidam-Lhasa DC transmission line

2 线路雷击闪络风险评估

利用柴拉线2005-2014年的雷电参数统计结果、线路走廊的地形地貌特征参数、杆塔的结构特征及线路历年来的雷击跳闸特征，对柴拉线全线进行防雷计算分析，确定目前线路主要的风险来源，从而为制定防雷改造方案提供依据，最终确定防雷改造方案的制定原则和主要改造对象。

对输电线路耐雷性能的分析主要包括反击耐雷性能分析和绕击耐雷性能分析。计算方法[11-13]包括规程法、蒙特卡洛法、电气几何模型（EGM）等多种模型。笔者绕击跳闸率的计算采用改进后的电气几何模型；反击跳闸率通过ATP/EMTP计算得到，该模型可模拟雷击中的各种随机因素，考虑因素全面，计算结果比较符合实际情况[14-16]。

杆塔雷击跳闸率为绕击跳闸率与反击跳闸率之和：

式中，SOR_R为绕击跳闸率；SOR_F为反击跳闸率。

2.1 电气几何模型

电气几何模型（electric geometry model，EGM）是将雷电放电特性等电气量与线路的结构尺寸联系起来而建立的一种电气几何分析模型。

为了进一步研究负保护角时仍然发生雷击跳闸的机理，引入了雷电入射角概率分布函数：

函数中，雷电入射方位在垂直中线右侧，入射角为正，反之为负；先导入射角满足-π/2≤ψ≤π/2区间。

改进的电气几何模型见图4，该模型在避雷线、导线及大地击距计算方法方面并无修改，单相导线绕击跳闸率计算公式如下：

式中，Ng为杆塔地闪密度值；Irmin为绕击耐雷水平，其与杆塔最小放电距离L有关；Irmax为最大绕击电流；Dc为某一带先导入射角的雷电流对应的暴露距离；g（ψ）为先导入射角概率密度分布函数；P’（I）为雷电流概率分布函数；η为建弧率；a为权重系数。

图4 改进的电气几何模型示意图Fig 4 Sketch of improved EGM model.

2.2 ATP/EMTP电磁暂态仿真模型

基于ATP/EMTP的线路防雷性能仿真，不仅可以仿真获得雷电绕击导线后绝缘子串上过电压分布情况，并结合绝缘子串闪络判据实现Irmin的准确计算，而且可以模拟雷电击中杆塔顶部或避雷线后实现反击耐雷水平If的准确计算。

2.2.1 雷电流模型

雷电流波形包括双指数函数波形、斜角波形与半余弦波形。参考相关标准及雷电流样本统计结果，仿真时一般选择2.6/50 μs的斜角波作为仿真雷电流波形。在ATP/EMTP中采用SOURCE的Slope-Ramp电流源元件，雷道波阻抗取250 Ω。

2.2.2 线路模型

ATP/EMTP中线路模型包括Bergeron、PI、Jmar⁃ti、Semlyen和Noda模型，其中Bergeron模型和Jmarti模型可将每相表示为耦合的多导线不换位的分布参数，其为计算雷击杆塔或导线过电压时线路仿真建模的主要方法。其中，Jmarti模型的导线分布参数与雷电流频率及波阻抗不均匀分布特性相关。Bergeron模型则为固定频率下的线路参数计算及分布。笔者采用Jmarti模型对线路结构参数进行建模，为Lines/Cables的LCC电流源元件。

2.2.3 杆塔模型

通常输电线路杆塔的模型有三种：集中电感模型、单一波阻抗模型、多波阻抗模型。对需要精确仿真各相导线闪络情况的杆塔建议采用多波阻抗模型。一基杆塔的波阻抗包括主体分段波阻抗、支架波阻抗、横担波阻抗，每部分波阻抗可通过尺寸和几何形状计算获得。在ATP/EMTP中采用LINE⁃ZT_1元件。

2.2.4 接地电阻模型

接地电阻计算公式如下：

式中，R0为在小电流低频率下的接地电阻，R为接地电阻，I是通过接地电阻的雷电流，E是土壤电离梯度（大约300 kV/m），是土壤电阻率。在ATP/EMTP中利用一个TACS控制电阻，在其输入端输入公式（6）。

2.2.5 绝缘子串闪络模型

雷击杆塔顶部或者避雷线，作用在绝缘子串上的电压大于或等于线路绝缘子串的50%的冲击闪络电压时绝缘子串发生闪络，产生反击。因此需要判据来判断绝缘子串是否闪络，从而建立相关的绝缘子串闪络模型。目前研究的判据有：定义法判据、相交法判据和先导发展模型法判据。

定义法被广泛采用，但常常被忽略的是采用它的前提，即只有作用在绝缘子串上的波形为标准波时，它才有坚实的理论与实验依据。相交法判据很好地解决了非标准波下绝缘子串闪络的判据问题，它采用绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线相交，即发生闪络，不相交就不闪络，是一种人为的处理方法。先导发展模型法判据考虑了电力系统遭到雷击时真正加到绝缘子上的千差万别的过电压波形，从理论上比较符合放电的物理过程，利用了过电压波的全部信息，能够分析任意波形下绝缘子串的闪络情况。误差，甚至会导致出现不合理的结果。

笔者选择先导发展模型法判据模拟绝缘子串的闪络过程，在TACS中创建Model文件作为闪络判据。

2.2.6 耐雷水平计算

通过以上方法搭建线路各部分仿真模型，模拟雷电流击中杆塔顶部和导线情况下，致使线路发生反击和绕击跳闸的最小雷电流，即为杆塔的反击耐雷水平If和最小绕击耐雷水平Irmin。

由于规程法未考虑导线上的工频电压，所以雷电绕击极I、极II并无区别，其最小绕击耐雷水平Irmin可通过下式求得：

其中，U50%是指绝缘子串的50%冲击放电电压。

雷击有避雷线的杆塔顶部时。其反击耐雷水平If为：

式中：ht为杆塔高度，m；hd为横担对地高度，m；hg为避雷线对地平均高度，m；hc为导线平均高度，m；β为杆塔分流系数；k为导线和避雷线间的耦合系数；k0为导线和避雷线间的几何耦合系数；Ri为杆塔冲击接地电阻，Ω。

反击跳闸率计算公式为

式中：g为击杆率；If为反击耐雷水平。

2.3 雷击闪络风险评估标准

基于雷击跳闸率计算结果，以《110（66）kV～500 kV架空输电线路管理规范》风险评估标准为依据，对线路逐基杆塔进行雷害风险评估。风险评估等级划分采取如下分级指标：

表1 雷击风险评估标准Table 1 Assessment criteria of lighting risk

“规范”中各电压等级线路的雷击跳闸率（归算到40个雷暴日，2.78次/（km2·a）），应达到如下指标：

±400 kV：0.15次/百公里·年

根据柴拉线（青海段）走廊地闪密度平均值0.15次/（km2·a），对线路的雷击跳闸率指标值进行换算，结果为0.007次/百公里·年。柴拉线雷击闪络风险等级划分指标见表2。

表2 ±400kV柴拉线（青海段）雷击闪络风险评估等级划分指标Table 2 Assessment level of lighting risk for±400kV Caidam-Lhasa DC transmission line

对各基杆塔的雷击闪络风险划分为A、B、C、D的目的是将各杆塔绕击、反击防雷性能的相对强弱更为直观的表示出来。

2.4 雷击闪络风险评估结果

沿线各基杆塔的雷击跳闸率评估结果分布情况见图5所示，从最后的评估结果可以看到，在综合考虑线路结构特征、地形地貌特征、杆塔绝缘配置、线路走廊雷电活动特征等因素的条件下，确定线路整体雷击风险处于A、B、C、D等级的杆塔数量分布为773、497、108、17基，分别占比55.41%、35.63%、7.74%、1.22%。因此，线路整体防雷效果较好的杆塔占总数的91.04%，相对防雷性能偏低的杆塔有共计125基，占到总数的8.96%，因此柴拉线（青海段）的整体防雷性能比较理想，与线路的实际运行情况基本相一致。

图5 柴拉线（青海段）不同雷击风险等级的杆塔数量分布Fig.5 Tower distribution of difference lighting risk for±400kV Caidam-Lhasa DC transmission line

3 治理策略研究

根据±400 kV柴拉线历年来的运行经验、线路结构特征以及各种防雷措施的优缺点和适用范围，在对柴拉线进行防雷改造时，建议主要采用可控放电避雷针和接地降阻装置两种措施进行防雷改造。

3.1 可控放电避雷针

可控放电避雷针在接地电阻有保障的情况下，其防绕击效果比较可观，其经济造价较低，安装方便，但可控针的保护范围有限，因此比较适合于小档距、低接地电阻的杆塔。

3.2 降阻接地装置

对柴拉线全线接地电阻进行实测，对接地电阻较高的杆塔进行降阻改造。特别安装可控针的杆塔，必须同时采用适当的降阻措施。

结合线路已有雷击跳闸故障及雷击风险评估结果，确定需进行防雷改造杆塔的范围及改造原则，制定治理策略如下：

1）发生过雷击故障的杆塔；

2）雷击风险等级为D的杆塔；

3）雷击风险等级为C的杆塔。

根据雷击风险等级，制定全线改造方案，雷击风险等级为D、C的杆塔全部采取塔底降阻改造，共计125基杆塔；风险等级为C的杆塔塔头两侧安装避雷针，共计108基杆塔，216支避雷针。

4 结论

1）结合±400 kV实际情况，提出考虑“极性效应”及雷电入射角的电气几何模型；

2）考虑线路反击可能性的存在，建议以ATP仿真模型进行反击耐雷水平计算，以提高反击跳闸率计算结果准确度；

3）对柴拉直流输电线路（青海段）进行防雷评估，确定线路整体雷击风险处于A、B、C、D等级的杆塔数量分布为 773、497、108、17基，分别占比55.41%、35.63%、7.74%、1.22%，因此，线路整体防雷效果较好的杆塔占总数的91.04%，相对防雷性能偏低的杆塔有共计125基，占到总数的8.96%；

4）建议以安装可控避雷针和接地装置降阻为主要防雷措施，同时，结合评估结果制定了全线的改造方案，其中，安装避雷针216只，降低接电阻17基。

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Reaserch of Lighting Risk Assessment and Protection Measures for±400 kV Caidam-Lhasa DC Transmission Line

ZHOU Yu1，CHEN Lu2，PENG Jie1，HE Yanjiao3，MA Zhiqing1，MA Qi1，LIU jingzhi1
（1.Electric Power Research Institute，State Grid Qinghai Electrical Power Company，Xining 810008，China；2.Wuhan Nanrui Electric Co.,Ltd.,State Grid Electric Power Research Institute,Wuhan 430000,China；3.State Grid Qinghai Electrical Power Company,Xining 810008，China）

The paper carries out the computation of the shielding failure and the back trip-out rate of±400kV DC transmission line based on its parameters,massive lightning data from detection,highprecision topography,improved EGM and ATP/EMTP synthesis method.Combined with the index of tripout rate,it achieves the lightning damage risk assessment.It obtains actually flashover density values of each tower using line coordinates and reasonable mesh.The ground tilt value for the wire side is calculat⁃ed by excavating the terrain information of the unit of the tower.The minimum lightning withstand level of shielding failure trip-out and back trip-out is also calculated by using the improved EGM and ATP/EM⁃TP synthesis method.The maximum lightning withstand level of pole I and pole II is obtained combining with the incidence angle of the lightning current and ground tilt value of wire side.The shielding failure(pole I,pole II)and the back trip-out rate of Qinghai±400kV Caidam-Lhasa DC transmission line are calculated based on the actually flashover density of the tower and lighting level,then the lighting risk as⁃sessment tower to tower is realized and the specific lightning protection measures are proposed according to the line characteristics.

EGM；ATP/EMTP；trip-out rate；lighting risk assessment

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.017

2016-06-17

周瑜（1982—），男，高级工程师，从事状态监测、配网技术及电力试验工作。