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±1100 kV特高压直流电源输电线路防雷保护

该文依托正在建设的准东—华东±1100 kV特高压直流电源示范工程,通过统计该工程沿线所经6省区运行线路的雷击跳闸率,确定了该线路的雷击闪络率参考值;根据该工程沿线的年平均雷暴日、地形及采用的典型杆塔,计算了该线路在不同地线保护角下的雷击闪络率;通过与±800kV特高压直流电源输电线路耐雷性能的比较, 论证了所用计算方法的合理性。

研究结果表明,全线地线保护角采用10°设计时,该工程的雷击闪络率可满足雷击闪络率参考值要求,且全线的雷击闪络次数可控制在3次/a。研究结果已应用于准东—华东±1100 kV特高压直流电源输电线路的防雷保护设计,并将指导±1100kV特高压直流电源输电线路防雷保护标准的制定。

我国已成功投运多回±800kV特高压直流电源输电工程,为满足未来大容量、更远距离的输电需求[1-4],国家电网公司提出了研究更高电压等级的直流输电技术,即±1100kV直流输电技术,并在准东—华东特高压直流电源输电工程中实施[5,6]。

±1100 kV直流输电线路的科学设计是直流输电工程建设的基础,对其安全运行至关重要。电网故障统计表明,超高压交流输电线路中雷击引起的跳闸占40%~70%。运行经验表明,±500 kV直流输电线路雷击直流输电线路造成故障也较突出,仅2008年国家电网公司±500 kV直流线路的雷击闪络就有10次。

对于±1100 kV特高压直流电源输电线路,随着杆塔的增高,引雷面积也相应地增大,合理的线路防雷保护是对±1100 kV特高压直流电源输电线路安全运行的重要保障。

已建成的±800 kV复奉线、±800 kV锦苏线、±800 kV系统哈郑线及±800 kV灵绍线均进行了防雷专项计算,并取得了一定的经验。但±1100 kV和±800 kV系统直流工作电压不同,且输电线路沿线不同的地形条件、导线参数、杆塔设计等都会对直流输电线路的雷电性能造成影响,因此有必要对±1100 kV特高压直流电源线路的雷电性能进行有针对性的研究。

目前,国内外用于输电线路绕击耐雷性能的计算方法主要采用电气几何模型(Electrical Geometry Model, EGM)法[7,8]和先导发展模型(Leader Progression Model, LPM)法。EGM法与实际运行经验比较符合,且比较简单,在输电线路防雷设计和雷击屏蔽性能计算上得到了成功应用。

目前日本、美国、欧洲等均采用该方法,在我国也得到了普遍认可。先导发展模型法[9-11]由于考虑了其物理过程的诸多因素,其物理意义更清晰,但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观点,许多计算参数也不尽相同,不同的判据和计算参数下的计算结果差别较大,因此本文研究采用EGM法对特高压直流电源线路进行绕击耐雷性能的评估。

输电线路雷电反击计算采用行波法,运行经验证明,雷击档距中间地线且与极导线发生反击闪络的情况是极罕见的,可不予考虑,故本文在反击计算中仅考虑了雷击杆塔的情况。

准东—华东±1100 kV特高压直流电源输电线路途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南和安徽6省区,线路长度约3 300 km。对于±1100 kV特高压直流电源输电线路雷击跳闸率的参考值,国内外还没有相关标准,因此本文根据统计的2005~2015年该工程沿线所经的6省区500 kV和750 kV输电线路的雷击跳闸率,确定了该线路的雷击闪络率参考值。

准东—华东输电通道地线复杂,年平均雷暴日及土壤电阻率在全线中占比不一致,因此本文根据准东—华东±1100 kV特高压直流电源输电线路的实际地形和气象分布情况及线路典型杆塔,计算了杆塔的绕击闪络率、反击闪络率和全线的雷击闪络率。

为论证所用方法的合理性,计算了同样环境下±1100 kV和±800 kV特高压直流电源线路的雷击闪络率,将±800 kV特高压直流电源线路雷击闪络率的实际运行结果与计算结果进行了比较。研究结果已用于准东—华东±1100 kV特高压直流电源输电线路的防雷设计,并将指导特高压直流电源输电线路防雷标准的制定。
±1100 kV特高压直流电源输电线路防雷保护
图1  典型杆塔单线图

结论
1)2005~2015年,准东—华东±1100 kV特高压直流电源输电线路沿线所经的新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽6省区500 kV和750 kV输电线路的雷击跳闸率为0.00~0.18次/(100 km•a),考虑特高压直流电源工程的重要性,本工程雷击闪络率允许值可取500 kV线路运行值的70%,约为0.13次/(100 km•a),参考特高压交流示范工程,偏严考虑,本工程雷击闪络率参考值取0.1次/(100 km•a)。

2)当准东—华东±1100 kV输电线路全线保护角为10°时,全线加权平均雷击闪络率为0.088次/(100 km•a),满足不超过0.1次/(100 km•a)的要求,准东—华东±1100 kV全线的雷击闪络次数可控制在3次/a。

3)同样环境条件、地线对导线保护角全线均采用-10°时,相对于±800 kV线路防雷设计,±1100 kV线路设计的绕击耐雷性能略低,反击耐雷水平较高。

4)对于锦苏线和溪浙线,预测的绕击次数都是全线少于5次/年,与实际运行经验比较,留有一定的裕度。已有计算结果表明当时的防雷设计安全可靠,验证了本文的绕击计算方法科学合理。

5)GB50790—2013[12]规定±800 kV线路杆塔上地线对导线宜采用负保护角,在山区不宜大于10°,但是对于特高压直流电源输电线路雷击闪络率和闪络次数没有约定,后续建议制定特高压直流电源线路的防雷设计标准。

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