0 引言

中国经济社会的快速发展和能源结构的优化升级，使柔性直流输电技术和工程得到持续推进[1]。目前已建成的上海南汇±30 kV、广东南澳±160 kV、浙江舟山±200 kV、福建厦门±320 kV等柔性直流输电工程均采用了电缆线路；而作为目前世界上电压等级最高的柔性直流输电工程[2-4]，张北±500 kV柔性直流电网试验示范工程则首次采用了架空输电线路。此线路在北京换流站出口附近（23 km）采用双回导线与金属回线同塔布置方案，部分解决了北京站出线走廊紧缺问题。随着电力能源供求的急剧增长与多端柔性直流电网工程的不断推进，在环境保护要求高、土地资源紧张、输电走廊稀缺的区域，柔直线路需采用同塔三回甚至同塔多回布置，才能有效解决制约该地区电网发展的通道瓶颈问题[5]。

±500 kV同塔三回柔性直流输电线路合理的防雷设计是直流输电工程建设的基础，是系统安全运行的前提和保障。电网故障统计资料显示，超高压交流输电线路40%～70%的跳闸次数由雷击导致；运行经验则表明，雷击±500 kV直流输电线路引发的故障也比较突出[6-8]，仅2008年国网公司±500 kV直流线路就出现10次雷击闪络。

目前分析雷电反击和绕击通常采用行波法和电气几何模型法[9-12]，针对共塔线路的防雷，也有大量的研究。文献[13]研究了复合材料杆塔的防雷问题，通过理论计算，获得了110 kV双回线路格构式复合材料杆塔的雷电性能；文献[14]研究了杆塔接地电阻对同塔多回线路防雷性能的影响；针对输电走廊紧张地区，文献[15-16]研究了1000 kV/500 kV同塔混压四回输电线路耐雷性能。

对于直流架空线路共塔的情况，文献[17]指出，±800 kV与±500 kV同塔双回布置时，500 kV线路是同塔混压双回线路的反击薄弱环节所在，需进行重点防护；文献[18]通过对±500 kV三沪Ⅱ回直流输电线路的耐雷水平进行仿真分析得出，当双正极在最上方布置时雷击跳闸率最低；文献[19]研究了3种不同塔型的±800 kV与±500 kV同塔双回直流输电线路的反击、绕击耐雷性能及其影响因素，并通过对比得到最佳布置方案；文献[20]通过雷电绕击模拟实验指出，正极性直流工作电压增强了迎面流注的起始能力是造成绕击空间增大的主要原因；文献[21-24]指出，工作电压和导线极性对雷电先导的诱雷作用导致单回路和双回路上层正极性线路反、绕击闪络率均高于负极性线路。以上文献大多研究了同塔双回的同压或者混压直流线路的防雷问题，对于输电走廊紧张、土地资源匮乏地区的同塔三回直流线路、特别是多端柔性直流线路的防雷保护未见报道。

本文以张北±500 kV柔性直流电网试验示范工程（单回）为基础，研究了±500 kV同塔三回柔性直流输电线路的防雷保护，采用行波法和电气几何模型法分析了同塔三回直流输电线路的反击耐雷性能和绕击耐雷性能，计算了线路的反击和绕击跳闸率，研究了6种典型极导线布置方式下，避雷线保护角、地形地貌及接地电阻对线路耐雷性能的影响规律，并以0.1次/（100 km·a）作为雷击跳闸率参考控制值，提出了±500 kV同塔三回柔性直流输电线路的防雷保护方案，为后续同塔三回柔性直流线路的设计和建设奠定了基础。

1 雷击跳闸率参考值确定

1.1 沿线雷暴强度分析

地面上不同地区雷电活动的频繁程度通常是以年平均雷暴日和地闪密度来衡量的。地闪密度Ng和年雷暴日Td的关系可由式（1）确定。

基于地闪密度Ng值，将雷电活动频度从弱到强分为A、B、C、D共4个等级，具体包括A、B1、B2、C1、C2、D1、D2共7个层级。

据统计，张家口及北京地区的年雷暴日分布分别如图1和图2所示，张北±500 kV柔性直流电网试验示范工程线路共分9个标段，沿线地区年平均雷暴日为32～50 d/a，基本处于B2和C1级雷区。

图1 张家口地区年雷暴日分布图
Fig.1 Average annual number of thunderstorm days distribution map in Zhangjiakou

图2 北京地区1995—2005年年平均雷暴日
Fig.2 Average annual number of thunderstorm days in Beijing from 1995 to 2005

1.2 沿线电网雷击跳闸情况

冀北电网和北京电网220～500 kV输电线路在2005—2012年的雷击跳闸率（运行值）如表1—表3所示（此期间北京电网500 kV线路雷击跳闸率为0，未单独列出），2005—2012年国家电网公司±500 kV直流输电线路雷击跳闸情况如表4所示。

表1 冀北电网220 kV同塔双（多）回路线路2005—2012年雷击跳闸率
Table 1 Lightning trip-out rate of Jibei 220 kV power grid from 2005 to 2012 
单位：次/（100 km·a）

表2 冀北电网500 kV同塔双（多）回路线路2005—2012年雷击跳闸率
Table 2 Lightning trip-out rate of Jibei 500 kV power grid from 2005 to 2012 
单位：次/（100 km·a）

表3 北京电网220 kV同塔双（多）回路线路2005—2012年雷击跳闸率
Table 3 Lightning trip-out rate of Beijing 220 kV power grid from 2005 to 2012 
单位：次/（100 km·a）

续表

表4 国网公司±500 kV直流输电线路2005—2012年雷击跳闸率
Table 4 Lightning trip-out rate of ±500 kV HVDC transmission line of SGCC from 2005 to 2012 
单位：次/（100 km·a）

可以看出，冀北电网220 kV同塔双（多）回路线路的跳闸率为0.16次/（100 km·a），而500 kV同塔双（多）回线路的雷击跳闸率达0.95次/（100 km·a）；北京电网220 kV同塔双（多）回路雷击跳闸率为0.47次/（100 km·a），而该地区500 kV线路在2005—2012年期间未发生雷击跳闸事故；2005—2012年国网公司±500 kV直流输电线路的雷击跳闸率平均值为0.184次/（100 km·a），略高于标准的控制参考值0.15次/（100 km·a）。

基于同塔三回输电线路的±500 kV多端柔性直流电网尚无实际工程，缺乏运行经验，雷击跳闸率控制参考值无从借鉴。考虑到目前直流断路器成本极高，在线路遭受雷击时不宜频繁动作，因此偏严考虑，本分析雷击跳闸率控制参考值取为0.1次/（100 km·a）。

2 计算条件

2.1 线路参数

±500 kV同塔三回柔性直流输电线路工程拟采用的极导线、地线参数如表5所示，采用的鼓型塔如图3所示，典型极导线布置方式如表6所示。

表5 极导线和地线参数
Table 5 Parameters of pole conductor bundles and ground wires

图3 典型杆塔图
Fig.3 Parameters of typical tower

表6 导线布置方式
Table 6 Arrangement schemes of pole conductor bundles

2.2 地形地貌

张北±500 kV柔性直流电网试验示范工程沿线地形比例和土壤电阻率比例分别见表7和表8。

表7 线路地形比例
Table 7 Terrain ratio of the line

表8 线路土壤电阻率比例
Table 8 Soil resistivity ratio of the line

3 线路耐雷性能分析

±500 kV柔性直流线路采用同塔三回布置，同单回和双回相比，能显著增加走廊单位面积输送功率，但塔身高导致了引雷面积增大，使其更容易遭受雷击；同时雷电波的传播需要更长的时间，更容易抬升横担和塔顶电位形成反击；另外，同塔三回柔性直流线路的极导线布置方式对绕击和反击耐雷性能均有影响。

3.1 绕击耐雷性能

针对表6中的6种极导线布置方式，以图3所示典型杆塔进行绕击计算。采用改进的电气几何模型法，分析±500 kV同塔三回柔性直流输电线路的绕击跳闸率及其影响因素，分析过程中考虑了直流工作电压、绝缘子串直流建弧率、绝缘子串50%直流闪络电压和极导线布置方式对耐雷性能的影响。

不同部位选取了不同的击距，其中，雷电对避雷线和大地的击距分别采用公式（2）和（3）进行计算。

考虑500 kV直流导线工作电压对雷电先导的影响，雷电对导线的击距按公式（4）进行计算。

式中：rb为雷电对避雷线的击距，m；rg为雷电对大地的击距，m；rc为雷电对其上有工作电压的导线的击距，m；I为雷电流，kA；h为导线平均高度，m；Udc为极导线上的工作电压，kV。

±500 kV柔性直流输电线路采用同塔三回架设时，上、中、下共3层导线，结构上与交流同塔双回相类似。由式（4）可以看出，此时雷电先导对导线的击距明显受直流工作电压的影响。

康德逊等人的实验结果表明，无论在干燥或淋雨条件下，异极性直流电压的存在使50%冲击闪络电压的数值略小于该直流电压。本文在判断绝缘子串是否闪络时，闪络电压按式（5）取值，单位为kV。

表9和图4为不同雷暴强度下的绕击情况，计算时杆塔高度取75.4 m，保护角取-10°，地形设定为平原地区。可以看出，E、F布置方式下的绕击跳闸率低于其他4种方式，其中F布置方式的绕击跳闸率最低。

表9 不同雷暴强度下的绕击跳闸率
Table 9 Shielding failure trip-out rate under different thunderstorm day

图4 不同雷暴强度下的绕击跳闸率
Fig.4 Shielding failure trip-out rate under different thunderstorm days

当雷暴日取平均值40 d/a，保护角取-10°，地形为平原地区时，不同杆塔高度下的绕击跳闸率如图5所示。可以看出，随着杆塔高度的增加，6种布置方式导线的绕击跳闸率均增大；同一高度下，E、F布置方式的跳闸率低于其他4种方式。

图5 不同杆塔高度时的绕击跳闸率
Fig.5 Influence of tower heights on the shielding failure trip-out rate

当杆塔高度为75.4 m，保护角取-10°，雷暴日取40 d/a时，不同地形下的绕击跳闸率如图6所示。可以看出，A、B、C、D四种布置方式下，绕击跳闸率基本相同，且随地形变化不大；在平原地区E、F布置方式的跳闸率较小，而在其他3种地形，E、F布置方式的跳闸率较大。

图6 不同地形时的绕击跳闸率
Fig.6 Shielding failure trip-out rate in different terrain

在平原地区，当杆塔高度为75.4 m，雷暴日为40 d/a时，绕击跳闸率随保护角的变化趋势如图7所示。可以看出，在负保护角情况下，A、B、C、D 4种布置方式的跳闸率基本相等，且受保护角影响较小；E、F布置方式的跳闸率减小较快，当保护角小于-10°时，E、F布置方式绕击耐雷性能优势明显。而在高山大岭地区，6种布置方式下的跳闸率均随保护角的减小而减小，A、B、C、D 4种布置方式的跳闸率仍然基本相等，而E、F布置方式的跳闸率比上述4种略高（图8）。

图7 平原地区不同保护角时的绕击跳闸率
Fig.7 Shielding failure trip-out rate under different protection angle in plain area

图8 高山地区不同保护角时的绕击跳闸率
Fig.8 Shielding failure trip-out rate under different protection angle in mountain area

3.2 反击耐雷性能

运行经验表明，雷击避雷线档距中央引起的反击闪络极其罕见，可不予考虑，故本文在计算反击跳闸率时仅考虑了雷击杆塔情况。

当杆塔高度为75.4 m，雷暴日为40 d/a时，不同接地电阻时的反击跳闸率如图9所示。可以看出，随着接地电阻增大，反击跳闸率明显增大；在相同的接地电阻下，6种排列方式的反击跳闸率基本相同，且发生闪络的极数也相同，图10为接地电阻取5 Ω时发生三极闪络的电压波形。

当接地电阻为5 Ω，雷暴日为40 d/a时，反击耐雷水平和反击跳闸率随杆塔高度的变化趋势如图11、图12所示。可以看出，随着杆塔高度增加，反击跳闸率增大，6种布置方式的反击跳闸率相等；当杆塔高度在55.4～75.4 m之间变化时，各布置方式的反击耐雷水平基本保持不变，当杆塔高度进一步增加时，反击耐雷水平均明显降低。

图9 不同接地电阻时的反击跳闸率
Fig.9 Influence of grounding resistance on the back strike-out rate

图10 三极闪络时的电压
Fig.10 Voltage waveform when three-pole overhead transmission lines in flashover

图11 不同杆塔高度时的反击耐雷水平
Fig.11 Back stroking lightning withstand level under different tower heights

图12 不同杆塔高度时的反击跳闸率
Fig.12 Back strike-out rate of the typical tower under different tower heights

3.3 分析讨论

研究成果和运行经验表明，和反击相比，绕击是±500 kV直流输电线路防雷设计中应考虑的主要因素。由前述绕击耐雷性能分析可知，当雷暴强度和杆塔高度变化时，6种极导线布置方式下的绕击跳闸率变化趋势相同，此时极导线按E、F布置比较有利。但雷暴强度由自然环境决定，不可人为选择，如果仅从防雷角度分析，杆塔越低线路耐雷性能越好，但具体高度还需要结合电磁环境等其他因素综合确定。

影响绕击耐雷性能的较独立的因素为避雷线保护角，影响反击耐雷水平的较独立的因素则为接地电阻。若极导线采用E布置方式，且杆塔高度取为75.4 m，当保护角α≤-14°时，无论是在高山大岭还是在平原沼泽地区，绕击跳闸率均能保持在较小的水平，此时合理地设置接地电阻值，限制相应的反击跳闸率，则线路总雷击跳闸率可控制在0.1次/（100 km·a）以下。

4 结论

本文以张北±500 kV柔性直流电网试验示范工程（单回）为基础，研究了同塔三回±500 kV多端柔性直流输电线路的耐雷性能，首先通过分析提出了±500 kV同塔三回直流输电线路雷击跳闸率控制参考值[0.1次/（100 km·a）]，然后分别基于电气几何模型和行波法计算了同塔三回直流输电线路的绕击和反击跳闸率，分析了极导线布置方式、避雷线保护角、地形地貌、接地电阻等因素对线路耐雷性能的影响，最后推荐了±500 kV同塔三回直流输电线路防雷保护方案，为后续同塔三回柔性直流线路的设计和建设奠定了基础。

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Lightning Protection of ±500 kV Three-circuit Multiterminal VSC-HVDC Overhead Transmission Lines on the Same Tower

LIU Shili1*, GAO Di1, LI Benliang2, JU Yong3, LU Jun2
(1.School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China;2.State Power Economic Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China;3.China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)

Abstract: Three-circuit VSC-HVDC overhead transmission lines on the same tower are beneficial for saving transmission line corridors.However, the lightning protection design for three-circuit transmission lines is more complicated than that for single-circuit or double-circuit transmission lines.The striking flashover rate should be strictly controlled, particularly in DC gird structures.Based on the Zhangbei DC grid project, the lightning withstand performance of back striking and shielding failure are analyzed by adopting the wave-progress analysis model and electrical geometric model, respectively.In addition, the effect of polar line arrangement, grounding resistance, tower height, and other factors on the lightning withstand performance are analyzed.The calculation results show that the striking flashover rate of this project will satisfy the requirement of the reference value, no more than 0.1 times/(100 km·a), when the shielding angle used in the transmission line is not more than -14° and the pole transmission lines are arranged in the E style proposed by the authors.The results of this work can provide a basis for the lightning protection design for ±500 kV threecircuit overhead transmission lines on the same tower.

Keywords: VSC-HVDC; three-circuit lines on the same tower; lightning protection; transmission line

作者简介：

刘士利

刘士利（1981），男，博士，副教授，主要研究方向为高电压与绝缘技术、电磁场理论及应用。通信作者，E-mail:shililiu@139.com。

高笛（1994），女，硕士研究生，主要研究方向为高电压与绝缘技术，E-mail:1213369163@qq.com。

（责任编辑 李锡）