雷擊地線檔距中央的反擊性能分析

周志成，馬 勇，陶風波，陳少波，魏 旭

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

雷擊是造成輸電線路故障跳閘的主要原因，雷擊主要分為反擊和繞擊，其中反擊主要是強雷雷擊塔頂及其附近地線引起絕緣子串閃絡造成[1]。近年來，超高壓輸電線路高桿塔、大檔距、交叉跨越、同塔多回、導線換相等情況普遍出現，雷擊地線檔距中央造成反擊跳閘、地線斷線等事故逐漸增多。

1 雷擊分析理論

1.1 絕緣閃絡判據

1.1.1 規程法

規程法是比較絕緣子串兩端出現的過電壓與絕緣子串或空氣間隙50%放電電壓方法作為判據，過電壓超過絕緣的50%放電電壓即判為閃絡[2]。國內外運行經驗表明規程法計算結果導致線路跳閘率明顯偏高[3]，目前線路防雷計算中主要采用相交法和先導法。

1.1.2 相交法

相交法是只要絕緣子串上的過電壓波與伏秒特性曲線相交，即發生閃絡，不相交就不閃絡。伏秒特性滿足：

式（1）中：Us-t為絕緣閃絡電壓，kV；l為絕緣距離，m；t為從雷擊開始到絕緣閃絡所經歷的時間，us。

對于 50%擊穿電壓，t取 10 us，代入式（1），即：

1.1.3 先導法

由于作用在線路絕緣上的雷電過電壓并非都是標準波形，其閃烙不完全滿足伏秒特性規律，故提出利用先導發展模型法作為絕緣閃絡的判斷依據[4]，即當線路絕緣上電壓出現的時間達到一定的流注發展時間Ts值時，先導開始發展，其速度隨施加的瞬時電壓與剩余間隙長度而變，當流注占滿整個間隙長度d時，絕緣閃絡。該方法理論上比較符合放電物理過程，但先導法的有關參數通過長空氣間隙放電試驗得出，其分散性會影響計算準確性[4]。由長空氣間隙放電研究得知，間隙擊穿時間Tb由流注起始時間Tp、流注發展時間 Ts、游離波傳播時間Ti、先導發展時間TL、氣體加熱時間Tg組成，近似取：

據實驗數據得出Ts與先導發展速度v1的經驗公式[3]：

式（3，4）中：E 為閃絡前最大平均場強，kV/m；E50為50%放電電壓下的平均場強，kV/m；E0為先導發展的閾值場強，kV/m；A，B為由間隙類型及電壓極性決定的實驗常數，分別取 1.25 和 0.95[5，6]；v1為先導發展速度，V/m；d為間隙長度，m；V 為瞬時電壓，kV；x為剩余間隙長度，m；k1和k2為與絕緣性質、電壓極性等有關，分別取170和1.5×10-3[6]。

1.2 雷擊計算模型

以220kV典型線路模型為例，受擊線路左右兩邊桿塔分別為ZTS-32.7、全高44.7 m，和FTSS3-27（雙回路）、全高44.5 m，全線架設2根地線。如圖1所示，因雷電流作用時間較短，為避免雷電流波折反射對雷擊點的影響，雷擊檔距兩側各增加2個檔距，并在線路終端增加10 km長線路[7]。架空輸電線路采用頻率相關模型 （Frequency Dependent（Phase）），相關參數如表1所示。輸電線路桿塔采用傳輸線波阻抗（多波阻抗）模型[8-12]，接地電阻為2 Ω。雷電通道采用一個受控的雷電流源與雷電通道波阻抗并聯等效，雷電通道波阻抗取400 Ω[4]。

圖1 仿真模型示意圖

表1 線路相關參數

2 仿真分析

分別從雷電流幅值I、雷擊點位置s（s為雷擊點與指定一側桿塔間的距離）和檔距L 3個因素考慮對線路反擊耐雷水平的影響[13]。

2.1 檔距中央的反擊耐雷水平分析

當線路檔距為420 m和200 m時，分別模擬雷電流幅值大小為 75 kA，100 kA，125 kA，150 kA 和200 kA，采用先導法計算雷擊中檔距中央地線的反擊耐雷水平，如圖2所示。其橫坐標為雷電流幅值I，縱坐標為雷擊點地線與B相導線之間的電壓U，虛線以上幾種情況空氣絕緣發生閃絡。由圖2可知，雷電流越大，地線與導線間電壓差越大，當雷擊點電壓大于間隙擊穿電壓時，就會發生空氣絕緣閃絡。

2.2 雷擊點對反擊耐雷水平的影響

檔距為420 m和200 m時，雷擊檔距中央地線和導線間的電壓U與雷擊點s的關系如圖3所示。虛線以上幾種情況空氣絕緣發生閃絡。

圖2 雷擊檔距中央地線和導線間電壓與雷電流大小關系

從圖3中可以看出，相同雷電流下，雷擊點越靠近桿塔（即s越小），地線與導線間的電壓U越小，當雷擊點位于檔距正中間附近時變化時，電壓U變化不大。同樣條件下，雷擊地線檔距正中央，地線與導線的電壓差最大，雷擊點電位較高。因為雷擊檔距中央時，雷電波分別沿線路向兩邊的桿塔傳播，此時傳播至桿塔的距離最長，桿塔反射來的負雷電波所需時間較大，雷擊點易形成高電壓。而雷擊點位于桿塔附近時，桿塔快速反射回來的負雷電波會削弱雷擊點電壓。

圖3 雷擊檔距中央地線和導線間的電壓與雷擊點的關系

2.3 檔距大小對反擊耐雷水平的影響

雷擊點位于檔距1/2和1/3處時，線路檔距耐雷水平的關系如圖4所示。

由圖4可知，相交法比先導法得到的耐雷水平大，但規律相同，即隨著檔距增大，耐雷水平逐漸減小，當檔距＞350 m時，耐雷水平減小速度變慢。雷擊地線檔距中央時，雷電波沿地線向兩邊傳播，經兩側桿塔反射的時間隨檔距大小而不同。檔距較小時，雷電波傳播至兩邊桿塔，產生負反射波沿地線快速傳播回來，降低雷擊點過電壓，避免絕緣閃絡，提高了耐雷水平；檔距增大時，產生的負反射波傳播至雷擊點的時間加長，雷擊點易形成高的過電壓，地線與導線間的電壓超出絕緣水平時發生閃絡，故重雷害區域，線路檔距不宜過大，必要時應采取其他措施提高線路耐雷水平[13，14]。

3 雷擊地線反擊實例分析

某220kV線路7號與8號塔間地線雷擊斷線，斷線點位置距離7號塔約180 m，在導線180 m處發現有電弧燒傷痕跡。7號塔型為ZTS-32.7、全高44.7 m，8號塔型為 FTSS3-27（雙回路）、全高 44.5 m，檔距420 m。地線為GJ-50鍍鋅鋼絞線（7根單線直徑3.0 mm）。地線為2根水平排列，7號、8號塔附近地形平坦，導線交叉換相。

據雷電定位系統查詢，該線路落雷雷電流幅值為103.3 kA。利用ATP及PSCAD建立模型仿真，分別用相交法和先導法計算地線與導線之間的閃絡判據，如圖5、圖6所示。圖5中地線和導線間的電壓波形與伏秒特性曲線剛好相交，圖6中12 us左右時，先導發展速度為0，地線和導線上的電壓相等，即發生絕緣閃絡。2種方法都計算得出該雷擊造成了導地線發生閃絡，相交法以標準雷電波計算，未考慮雜散參數影響，對避雷器伏秒特性需準確掌握；先導法模擬了雷電先導發展的物理過程，但相關時間參數由經驗得出，計算值偏保守。

圖5 相交法判斷地線與導線是否發生閃絡

圖6 先導法判斷地線與導線是否發生閃絡

計算結果表明該地線與B相導線之間的最大耐受雷電流約為97.3 kA，故線路在雷電流為103.3 kA、雷擊檔距中間180 m處時，地線與導線間會發生空氣絕緣閃絡，其主要原因：（1）7號與8號桿塔較高（約45 m），檔距也較大（達 420 m），雷擊點易形成高電位；（2）雷擊點距離7號塔180 m處，位于檔距中央附近，雷擊點電壓相對較高；（3）該檔距進行導線三相的交叉換相，略縮小了B相與地線的間距；（4）雷電流幅值高達103.3 kA，超過雷擊檔距中央的耐雷水平[15]。

4 結束語

（1）雷擊地線檔距中間時，檔距正中央附近的耐雷水平最低，當雷電流較大時易發生絕緣閃絡。雷擊點靠近桿塔時，桿塔處快速反射回來的負雷電波可削弱雷擊點的電壓，故校核線路雷擊地線檔距中央的耐雷水平時應以檔距中心位置為準。

（2）檔距增大，線路耐雷水平逐漸降低。檔距較小時，雷電波傳播至兩邊桿塔，產生負反射波沿地線快速傳播回來，降低雷擊點過電壓，避免絕緣閃絡，故可通過適當減小檔距來提高線路耐雷水平。

（3）增大檔距中的導地線間距可增大線路的耐雷水平，可改善桿塔塔頭結構來提高導地線閃絡電壓，但成本較高。

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