輸電線路耐雷特性的仿真研究

摘要：主要研究了輸電線路的繞擊耐雷特性和反擊耐雷特性。繞擊耐雷分析方面，建立雷電先導傳播軌跡，對比不同條件下的雷電先導傳播軌跡，總結分析了影響輸電線路繞擊的重要因素。反擊耐雷分析方面，主要針對雷電波過程中的電磁暫態結果進行研究。

關鍵詞：耐雷特性；繞擊；反擊；桿塔；仿真

作者簡介：徐淼（1980-），男，遼寧大連人，國網遼寧電力大連供電公司辦公室副主任，工程師。（遼寧 大連 116001）

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0234-02

隨著社會的飛速發展，人們對于電力行業的要求也越來越高，要求電力行業不僅要滿足各行各業充足的電力需求，還要提高供電質量，保證供電可靠性。耐雷水平是衡量供電安全性的重要指標，與電力系統的安全可靠息息相關，因此輸電線路耐雷特性的仿真研究具有重要意義。

本文重點討論了電力系統的高壓輸電線路中最常見的兩種雷擊故障：雷擊繞擊故障和雷擊反擊故障。

在雷電繞擊特性研究方面主要通過選擇較為適合的研究方法，利用已有現場數據，對典型雷擊事件進行了模擬，建立仿真模型，得到雷電先導的傳播軌跡，進而分析輸電線路繞擊特性。并通過改變參數進行仿真，分析各個參數對雷電先導的傳播軌跡及輸電桿塔閃絡特性的影響。有助于今后模擬雷擊暫態過程和更加深入地研究電氣絕緣的閃絡機理。

在雷電反擊耐雷特性方面通過選用電磁暫態程序（EMTP），采用分布參數模型，利用已有現場數據，將輸電線路（尤其輸電桿塔）進行模擬，以便接下來利用軟件仿真分析。通過改變具體參數，分析不同參數對輸電桿塔閃絡特性的影響，以便提出對實際防雷設計工作有益的建議，力求減少雷電危害。

一、輸電線路繞擊耐雷特性仿真分析

模擬電荷法是一種求解靜電場問題的有效方法。基本原理：為了模擬電極表面的電荷分布，設置介質分界面上的束縛電荷、模擬電極內部以及不同介質區中的虛設電荷。在各個領域的應用中，使用最多的有點電荷、線電荷和環電荷、橢圓柱電荷、橢球電荷及雙曲面電荷等。

根據唯一性定理，并且結合拉普拉斯方程及泊松方程，用虛設的模擬電荷代替介質表面和電極表面的連續分布電荷。如果模擬電荷在邊界上產生的電位滿足給定的邊界條件，那么可以用這些虛設的模擬電荷來計算整個場域的電場。

當模擬電荷的位置、類型確定后，場中任意點的電位和場強便由這些集中電荷產生的場量迭加得到，場中任意一點的電位為：

， i=1，2，3，……n

式中：Qj表示虛設的第j個模擬電荷，Pij表示待求點P對應的電位系數，n為虛設的模擬電荷數目。

電場強度可以表示為：

仿真結果分析：

第一，同一雷電強度的下行先導，當其距離線路水平側向距離由近至遠變化時，下行先導一級定位位置逐漸降低。

第二，當側向水平距離很近時，雷擊擊中地線；隨著側向水平距離的增加，雷電擊中導線的概率將增加；而當側向水平距離繼續增大時，雷電擊中導線的概率反而減小；側向距離大到一定程度時，雷電將擊中大地。

第三，當雷電流較大時，隨著側向距離的增大，雷電將從擊中地線直接過渡到擊中大地，沒有擊中導線的現象發生。

第四，對于相同的側向距離，較大的雷電流傾向于擊中避雷線，較小的雷電流傾向于擊中大地。

由此，我們可以解讀出：

導線相對地線產生迎面上行先導困難，這是由于導線在地線下方，受到地線及其先行發展起來的上行先導的屏蔽作用的緣故。但地線對導線屏蔽作用是有一定限度的，隨著側向距離的增大，屏蔽作用逐漸減弱，致使存在一定的繞擊概率。

大地對導線也有屏蔽作用，雷電先導距離導線越遠，大地的屏蔽作用越明顯，最終雷電將全部擊中大地，保護導線免受雷擊。

二、輸電線路反擊耐雷特性仿真分析

1.針對不同桿塔高度的雷擊閃絡特性仿真

根據不同桿塔高度的仿真所得出的上、中、下相絕緣子兩端電壓及組合波形，可以看出在桿塔高度增加的情況下，電壓沖擊波到達三相絕緣子的時間均有一定的延遲，并且由開始的三相絕緣子均擊穿，逐步發展為上、中相擊穿而下相不擊穿，之后只有一相擊穿，最后在桿塔高度增加到一定程度后三相均不擊穿。根據桿塔的耐雷水平的定義，可知，桿塔的耐雷水平隨其高度的增加而提高。故在設計桿塔時應在同時考慮其他因素的情況下合理增加桿塔的高度。

2.針對不同數量絕緣子的雷擊閃絡特性仿真

觀察3組采用不同絕緣子的片數的絕緣子串的仿真所得出的上、中、下相絕緣子兩端電壓及組合波形，可以看出絕緣子的片數對于其閃絡電壓起著決定性的作用，絕緣子數目越多則其閃絡電壓越大，桿塔的耐雷性能越強。當然，研究中的仿真過程因軟件中的元件的采用問題，實際記入了三相間的相互感應及影響，使其出現了負極性電壓擊穿的情況。故在設計線路時應在同時考慮其他因素的情況下合理增加絕緣子串中的絕緣子片數。

3.針對不同幅值雷電流的雷擊閃絡特性仿真

觀察5組采用不同幅值的雷電沖擊條件下的仿真所得出的上、中、下相絕緣子兩端電壓及組合波形，可以看出在其他條件不變的情況下，雷電幅值增高意味著絕緣子被擊穿的可能性越大。在設計線路考慮耐雷性能時，其前提條件（雷電流等）必須留有足夠的裕量，并充分考慮線路所在地的落雷密度等實際情況，才能在要求的情況下保證線路的安全性和可靠性。

4.針對不同工作電壓的雷擊特性仿真

通過4組仿真波形可以看出在其他條件相同的情況下，隨著工作電壓的升高（逐步升到特高壓輸電線路的水平）其耐雷能力驟降。故在電力系統的電壓等級升高的同時必須要重新評估線路的耐雷水平，若要在正常安全水平下運行必須大幅度改變線路參數。

三、防雷措施

衡量線路防雷性能優劣的重要指標一般有兩個。一個指標就是線路雷擊跳閘率，它是指每百公里線路每年由雷擊引起的線路跳閘次數。另一個指標是線路的耐雷水平，指雷擊線路時能引起線路絕緣子閃絡的最大雷電流幅值。

線路的耐雷水平越高，雷擊跳閘率就會越低，說明線路的防雷性能越好。因此，如何提高線路的耐雷水平，減低雷擊跳閘率是電力工業中非常重要的工作。輸電線路防雷目的是提高線路的防雷性能，降低線路的雷擊跳閘率。目前高壓線路防雷設計主要考慮的因素是反擊，實際上山區線路雷擊跳閘也有可能是繞擊引起的。

為了實現線路防雷基本任務，減少雷擊事故的發生隱患，以保證供電的可靠、經濟運行，一般設有四道防線：

第一道防線是保護導線不受或少受雷直擊。建議采用避雷線，特殊場合中可用獨立避雷設備，如避雷針、消雷器，或改用電纜線作為傳輸線路等手段以降低雷擊概率。

第二道防線是雷擊塔頂或避雷線時不使或少使絕緣發生閃絡。此點是本文主要研究的方向，為此，建議適當采取增大輸電桿塔高度、增加每串絕緣子片數等改善措施，特殊情況下可以加耦合地線或適當加強絕緣，或在個別桿塔上用避雷器。

第三道防線是當絕緣發生沖擊閃絡時，盡量減小由沖擊閃絡轉變為穩定電力電弧的概率，從而減少雷擊跳閘率次數。為此建議減少絕緣上的工頻電場強度，或電網中性點采用不直接接地的方式。

第四道防線是即使跳閘也不中斷電力的供應。為此，可采用自動重合閘裝置或用雙回路以及環網供電，這是現今已很普遍的做法。

當然，并不是所以線路都要具備以上四道防線，也并不是單一改變某項參數即可，而是要綜合考慮、因地制宜、合理采用，把雷害引起的停電事故次數減少到可以接受的程度。

參考文獻：

[1]侯牧武，曾嶸，何金良.感應過電壓對輸電線路耐雷水平的影響[J].電網技術，2004，（12）：46-49.

[2]孫萍.有關輸電線路防雷計算中幾個參數取值的建議[J].電網技術，1998，22（8）：75-78.

[3]李海峰，王鋼，趙建倉.輸電線路感應雷擊暫態特征分析及其識別方法[J].中國電機工程學報，2004，24（3）：114-119.

[4]陳國慶，孫才新，張志勁，等.計及風速影響的5OOkV同桿雙回線路繞擊耐雷性能計算模型研究[J].中國電機工程學報，2003，23（5）：108-115.

[5]陳國慶，張志勁.輸電線路耐雷性能計算方法的研究現狀分析[J].重慶大學學報，2003，26（5）：137-142.

[6]A.J Eriksson.An improved electrical geometric model for transmission line shielding analysis[J].IEEE TPWRD，1990，5（4）：2009-2022.

[7]Rizk F A M.Modeling of transmission line exposure to direct lightning strokes[J].IEEE Trans on Power Delivery，1990，5（4）：1983-1997.

[8]Dellera L，Garbagnati E.Lightning stroke simulation by means of the leader progression model.part I：description of the model and evaluation of exposure of free-standing strctures[J].IEEE Trans on Power Delivery，1990，5（4）：2009-2017.

[9]錢冠軍，王曉瑜，汪雁，等.輸電線路雷擊仿真模型[J].中國電機工程學報，1999，19（8）：39-44.

[10]錢冠軍，王曉瑜，汪雁.雷電屏蔽模擬理論與試驗技術的研究[J].高電壓技術，1998，24（2）：26-31.

[11]解廣潤.電力系統過電壓[M].北京：水利電力出版社，1985.

[12]Gordon W Brown.Senior Member，Lightning Performance-I Shielding Failure Simplified[J].IEEE Trans.on PAS，1978，（1）：33-38.

[13]IEEE Working Group on Estimating Lightning Performance of Transmission Lines.Estimating lightning Performance of Transmission Lines II-Updates to Analytical Models[J].IEEE Trans PWRD，1993，8（3）：1254 1267.

[14]王洪澤.從#23塔遭雷擊談最大擊距問題[J].高電壓技術，

2001，（4）：70-71.

[15]IEEE Working Group on Estimating Lightning Performance of Transmission Lines.Design Guide for Improving the lightning Performance of Transmission Lines[J].IEEE Standards PAR 1243，1992，（1）：919-932.