500KV输变电工程设计中雷电过电压问题

国家电力公司武汉高压研究所武汉 430074 0 前言我国在500 kV输变电工程设计方面做了大量的研究工作，取得了很大的成绩，但也有不足。

本文着重就500 kV输变电工程设计中的雷电过电压方面的问题提出一些看法。

1 500 kV变电所雷电侵入波保护 1.1 雷击点我国规程规定只计算离变电所2 km以外的远区雷击［1］，不考虑2 km以内的近区雷击。

而实际上对变电所内设备造成威胁的主要是近区雷击。

2 km以外的雷击，雷电波在较长距离传送过程中的衰减和波头变缓，在站内设备上形成的侵入波过电压较低，以它为考察的主要对象不合适。

这可能是沿袭中压系统和高压系统作法，认为进线段有避雷线或加强绝缘，不会因反击或绕击而进波。

实际上，进线段和非进线段并无本质差异，完全可能受雷击而形成入侵波。

在美国、西欧和日本以及CIGRE工作组，均以近区雷击作入变电所侵入波的重点考察对象。

我们所进行大量500 kV变电所侵入波的研究，也均是以近区雷击为主要研究对象，同时也考虑远区雷击。

大量研究表明，近区雷击的侵入波过电压一般均高于远区雷击的侵入波过电压。

有人认为雷击#1塔会在变电所形成最严重的侵入波过电压，以此为近区雷击。

这种想法在某些情况下可能是正确的，但在我国，大多数情况下不合适。

大量研究表明，#１塔和变电所的终端门型构架(也称#0塔)距离一般较近，雷击#1塔塔顶时，经地线由#0塔返回的负反射波很快返回#1塔，降低了#1塔顶电位，使侵入波过电压减小。

而#2、#3塔离#0塔较远，受负反射波的影响较小，过电压较高。

所以仅计算雷击#1塔侵入波过电压不全面。

进线段各塔的塔型、高度、绝缘子串放电电压、杆塔接地电阻不同，也造成雷击进线段各塔时的侵入波过电压的差异。

根据经验，一般为雷击#2或#3塔时的过电压较高。

建议我国现有规程对原以考虑2 km 以外的雷击改为主要考虑2 km 以内雷击，或者兼顾近区和远区雷击，以近区雷击为主。

1.2 雷电侵入波计算方法过去受条件限制，主要依靠防雷分析仪来确定侵入波过电压。

模拟在2 km处施加一个幅值等于绝缘子串雷电放电电压U50%的直角波，测量变电所内设备上的过电压,后改用计算机计算。

有人主张沿用防雷分析仪的办法。

该方法的理论基础是侵入波过电压幅值不能大于绝缘子串的放电电压U50%，这个基础可能和只考虑2 km以外的雷击有关。

如考虑近区雷击，雷电流在导线上形成的侵入波过电压幅值完全可能超过绝缘子串的临界放电电压U50%。

一是此过电压波头较陡，放电电压较高；二是耐张塔放电电压高。

所以，这个方法的前提条件不成立。

建议采用国际上通过的方法，由雷击时分流进入导线的雷电流幅值和波形，并考虑其它因素，如工频电压、耦合电压等，直接确定导线上侵入波过电压。

1.3 最大雷电流计算值若用防雷分析仪法，勿需确定雷电流的最大值，如前所述，此方法不合适。

若采用国际通用法，则需确定最大雷电流的计算值。

我国规程尚无此规定，此值太高，造成浪费；太低则不安全。

日本统计的雷电流幅值比较低，P(I0)=0.0475e(-I 0/120)+0.001e(-I0/150),在500 kV系统中，最大雷电流计算取150 kA 。

西欧一些国家取250 kA。

此值的选取要结合国情，根据中国的雷电流幅值分布概率，建议取最大雷电流计算值为210～220 kA。

大于或等于它的概率为3.16‰～4.11‰。

1.4 绝缘裕度用惯用法计算时，在雷电侵入波过电压作用下，变电所内设备绝缘宜留多大裕度?我国规程没有规定。

各单位对此的要求也不甚相同。

建议参考IEC71—2标准［2］，内绝缘裕度取1.15，外绝缘取1.05～1.0。

1.5 变电所的雷电平均无故障时间用惯用法计算最大雷电侵入波过电压时，未考虑变电所不同运行方式的出现概率，也未计及各种雷电流幅值、进线段杆塔绝缘子串闪络和变电所内不同过电压的出现概率。

这是惯用法的缺点。

采用统计法则可以克服此缺点。

但用统计法计算变电所的耐雷指标(或称平均无故障时间)时，我国也无统一规定。

CIGRE工作组认为，当前可接受事故率的典型值为0.1%～0.3%。

设计的故障率应在此范围内。

MTBF应在300～1 000 a之间［3］。

我国500 kV电网结构不很强，运行水平较低，建议MTBF取800～1 000 a，这也是我国一些电力运行部门所希望的。

2 500 kV输电线路雷击跳闸率计算2.1 反击 2.1.1 雷击塔顶时导线上的感应过电压我国规程规定感应过电压Ui由下式计算： Ui=ahc(1-(hg/hc)k0) 式中，hc为导线对地平均高度；hg为避雷线对地平均高度；k0为导线和避雷线间的耦合系数；a为雷电流陡度。

如果hc=50 m,hg=60 m,k0=0.3,a=57.69 kA/μs,则Ui=1 846 kV，感应过电压已占到绝缘子串临界放电电压86%。

再加上杆塔横担电压，无论杆塔接地电阻有多小，绝缘子串肯定要闪络。

此计算电压＞＞实际电压。

上述计算公式是前苏联半个世纪以前的研究成果，落后于时代。

尤其不适合高杆塔(如同杆双回和大跨越线路)和山区线路。

欧美、日本承认有感应过电压，也提出计算公式，计算的Ui比我国规程法计算的要小得多。

他们在防雷计算中不考虑感应过电压，和前苏联、中国的做法相差甚远。

对雷击铁塔时迎面先导的长度l的不同估计，严重影响感应过电压的计算值。

我国规程法的计算公式可能源于l=r/3。

r为击距。

而阿姆斯特朗和怀德里德等人认为，l=r/2。

武高所对感应过电压的研究中采用l=r/2。

美国E.R.Whitehead提出Ui=6HgI(10+I0.8)近似计算公式［4］。

武高所得出一组计算曲线［5］，通过拟合计算，给出近似计算式： Ui=［(1.771+1.754Hc-0.01088H2c+1.935×10-5H3c)×I(0.1706H0.232c)］(1-k0)×1.33 此两式计算的Ui均远小于我国规程计算值，故我们认为： 1)现有规程中的Ui计算式不合适，尤其对于高杆塔，应予以修改，确定一个较合理的 Ui计算方法。

2)在新方法或新计算公式确定之前，建议对导线平均高度Hc≤30 m的杆塔，其Ui计算公式暂时仍采用规程法，对于Hc＞30 m，暂时采用武高所的计算式，但其值若低于按前者计算的Hc=30 m的Ui(30)，则采用。

2.1.2 工作电压的影响 500 kV线路工作电压较高，反击时，在绝缘子串两端电压中已经占有相当大的比例。

在耐雷水平计算中忽视工频电压的影响将造成较大的误差。

美、日、欧诸国均已考虑工作电压的影响，但我国规程却没有，建议予以修改。

至于工作电压以峰值Um计，或是以√3Um/2计，则可以讨论。

日本采用和雷电流相反极性的工频电压峰值［6］。

2.1.3 铁塔的波阻抗我国规程推荐的铁塔波阻抗为150 Ω，杆塔电感为0.5μH/m，相应的波速为300 m/μs。

国内外实测的波阻抗和波速一般＜该值。

不同形状铁塔的波阻抗和波速不相同，日本对一个铁塔的不同部位采用不同的波阻抗。

建议我国在此方面进一步进行试验研究，以确定较精确的铁塔波阻抗和波速。

2.1.4 500 kV绝缘子串的雷电冲击伏秒特性国内外的一些资料认为可用下式确定伏秒特性： U(t)=U50%√1+T/t 式中，U50%为绝缘子串的50%冲击放电电压；U(t)为预放电时间很短(t= 1～2μs)时冲击放电电压；T为常数。

此式误差较大，需先依靠冲击放电电压的试验数据来确定T。

武高所曾做过绝缘子悬垂串的伏秒特性试验，但绝缘子的型式很少，不能复盖目前所用主要类型的绝缘子。

建议对典型绝缘子串进行伏秒特性试验。

2.2 绕击 2.2.1 高杆塔绕击我国规程推荐的绕击率计算式为：对平原线路：lgP=(α√ht/86)-3.9 对山区线路：lgP=(α√ht /86)-3.35 式中，α为避雷线对边导线的保护角。

此式和前苏联的计算公式lgP=(α√ht /75)-3.95相类似［7］。

但前苏联认为：此式仅适用于15°＜α＜40°和 ht＜50 m的条件。

在范围外的用电气几何理论予以确定。

我国规程对绕击率计算式未加条件限制，这对高杆塔更显得不合理。

运行经验表明，高杆塔线路绕击率明显增加。

但这些运行经验来源于较低电压等级、较低塔高和较大保护角的线路，没有证据可以证明它能延伸到较高电压等级，较高塔杆和小保护角的线路。

2.2.2 山区线路绕击对山区线路的绕击率，认为其绕击率约为平地线路的3倍，或相当于保护角增大8°的情况。

山区地形影响绕击率主要是垂直于导线方向的地面倾斜角θ。

θ角过大，地线的屏蔽效果大为减弱，所以有的国家的地线保护角是随着地面倾斜角增大而修正变小。

我国规程笼统地提山区，范围太广。

2.2.3 绕击时导线上的电压我国规程认为：雷绕击地线时导线上的电压U=100I。

它来自U=I/2×Zc/2, Zc=400 Ω。

其中I/2是因雷击于波阻Zc/2近似等于雷电通道波阻(Z0)时的雷电流比雷击零欧时的雷电流减半的缘故，其前提为Z0=Zc/2=200Ω。

这个观念已过时，导线上的绕击电流均为20 kA左右或以下的雷电流。

雷电流通道的波阻抗Z0和雷电流幅值在300～3 000Ω之间，小幅值雷电流其波阻抗Z0＞＞200 Ω。

Whitehead E.R 认为U=IZk/2.2，倒推可知，绕击电流雷电波阻抗取5Zc ，文［8］认为U=IZc/2，即Z0＞＞Zc。

前苏联科学家通过观测和计算得出：I=5～30 kA,Z0为600～900 Ω，从严考虑：Z0=900 Ω，Zc=300 Ω，Z0=3Zc,则U=IZc/2.33。

通过上式计算绕击导线上的电压明显高于规程的计算值。

2.2.4 绕击率计算方法目前，美、欧、日均采用电气几何模型(EGM)来分析和计算绕击率。

它可以将雷电的放电特性和线路的结构尺寸联系起来分析。

EGM 法比规程法先进，准确。

我国规程法没有考虑雷电流大小等诸多因素对屏蔽效果的影响。

为此，建议： 1)采用EGM 来计算绕击率。

对于和EGM计算有关的参数，如雷击角度的分布概率，对大地击距的修正系数等应进行研究和确定。

2)以U=IZc/2.2计算绕击时导线上的雷电过电压U。

3)山区地面倾斜角过大的杆塔，如θ＞25°或30°，其α应减小为α=θ-θ0。

θ0可为25°或30°。

4)明确规定现行规程法计算式的适用范围。

它不适用于高杆塔及地面倾斜角过大的地段和保护角较小的线路。

3 同杆双回线路的防雷设计同杆双回线路可增大单位走廊宽度的输电容量，减小走廊宽度，节省造价。

日本的500 kV线路几乎全是同杆双回线路，在美欧也很普遍，我国也愈来愈多。