雷擊特高壓直流桿塔暫態特性分析

徐 聞 李荷薇 李國毅

（西華大學，成都 610039）

特高壓直流輸電線路承擔著遠距離大容量的送電任務，電力負荷等級高，因此線路的安全運行尤其重要。國內外統計表明，雷擊是造成高壓輸電線路故障的主要原因，在多雷、土壤電阻率高和地形復雜的地區，雷擊輸電線路引起的故障率更高。

±800kV 直流輸電線路主要有極導線水平排列的直線塔、極導線垂直排列的直線塔，以及導線水平排列的耐張塔這三種典型桿塔型式，桿塔高度較高，均在50m 以上，容易遭受雷擊。遭受雷擊時，沿輸電線路傳入換流站的雷電侵入波可能對站內設備造成損壞。此外，特高壓直流輸電線路在遭受雷擊時兩級導線絕緣還具有明顯的不平衡特性。綜上所述，需對特高壓直流輸電線路的防雷保護予以特殊的關注[1]。

本文利用EMTP 暫態仿真軟件建立了桿塔的連續多播阻抗模型，考慮到高桿塔中波阻抗隨高度的變化建立了桿塔的細化分模型。基于改進后的模型分析了雷擊桿塔時的暫態特性，并計算了線路的反擊耐雷水平，以期為特高壓輸電線路防雷設計和安全運行提供參考。

1 桿塔模型及優化

桿塔波阻抗是桿塔設計和輸電線路防雷的一個重要參數，研究表明稈塔的波阻抗變化±10%時，塔的反擊跳閘率相應地變化約±8%[2]。20 世紀40年代以來，國內外學者對桿塔模型進行了大量的研究，桿塔模型主要劃為集中電感模型、單一波阻抗模型和多波阻抗模型三種。雷電流在桿塔內的行進過程實際是一個波過程，隨著電壓等級不斷提高，桿塔高度也在不斷升高，雷電流在塔內的波過程不可忽略。集中電感模型無模擬雷電流的波過程，桿塔高度較高時，用一個波阻抗代替桿塔顯然是不夠準確的。多波阻抗模型既考慮了桿塔參數隨高度的變化情況又考慮了雷電波在桿塔上的運動過程[3]。

目前被廣泛應用多波阻抗模型主要為分層傳輸塔模型和Hara 無損傳輸塔模型。分層傳輸塔模型用無損線路和R-L 并聯電路串模擬鐵塔，但是該模型不能反映桿塔的大小和形狀，因此本文研究內容采用Hara 傳輸塔模型。

1.1 Hara 無損傳輸塔模型

Hara 無損傳輸塔模型基于垂直導體不同高度處的波阻抗不同這一概念而建立，鐵塔分解成主材，斜材，橫擔三部分，分別求出對應段的波阻抗。

桿塔主體部分波阻抗ZTk可表示為

式中，hk（k=1、2、3）為對地高度，rTk｜RTk、rB、RB的尺寸如圖1所示。

圖1 桿塔結構

實際表明波在通過有支架的桿塔系統比無支架的系統需要更多時間，模型中支架部分長度為主支架對應部分長度的1.5 倍，增加支架的多導體系統阻抗減小10%[4]。

斜材部分波阻抗為

橫擔部分波阻抗為

式中，hk（k=1、2、3）為橫擔對地高度，rak（k=1、2、3）取0.25 倍相應橫擔長度。

圖2 Hara 波阻抗模型

1.2 基于無損傳輸塔的細化分模型

傳統Hara 模型以橫擔為界計算桿塔的波阻抗且只用一段無損傳輸線模型模擬該段塔身，并不能反映出波阻抗隨著桿塔高度的變化情況，實際上波阻抗是隨桿塔高度在連續變化的。基于此對懸掛導線橫擔以下塔身部分的波阻抗模型進行細分，每一小段對應一個波阻抗值[5]。

表1 200kA,2.6/50μs 雷電流作用下塔頂電位幅值

仿真結果顯示分段不同時下塔頂電位的走勢基本一致，即分段的不同并不影響雷電流在桿塔內的傳播過程。根據表1，塔頂電位幅值隨分段變多而逐漸降低，塔身分為12 段時頂部電位最低，但是分段為12 段時，桿塔底部靠近地面位置處波阻抗計算值為負，與理論不相符合。綜合考慮本文所研究的桿塔主體分段都取為10 段。

圖3 桿塔高度與波阻抗的關系

2 輸電線路和雷電參數

2.1 桿塔參數

ZV28-1 直線塔極導線水平排列，采用負保護角，水平檔距和垂直檔距分別為460m和650m。J28-1耐張塔極導線水平排列采用負保護角，水平和垂直檔距分別是550m 和600m。

2.2 極導線參數

導線型號為6xLGJ-720/50，分裂間距為45cm，雙極線路極間距為22m，最小導線對地高度18m。避雷線型號為LG120/25，弧垂9.5m。絕緣子是長度為10.88m 的合成絕緣子。

2.3 雷電參數

采用與實際雷電波形最接近的雙指數波，表達式為：i=AIm(e-αt-e-βt)。雷電通道波阻抗300Ω。

3 仿真分析及反擊耐雷水平計算

本文以±800kV 直流輸電線路為背景，取某一段平原地區的線路段，根據實際的輸電線路參數搭建輸電線路模型利用EMTP 仿真分析雷擊桿塔時的暫態特性。桿塔模型采用優化后的波阻抗模型，輸電線路選擇Jmarti 模塊，考慮到雷電波在被擊中桿塔的相鄰桿塔的影響，在被擊桿塔兩側各接入兩檔線路，輸電線路終端用沖擊阻抗模擬，避雷線通過該接地阻抗接地，導線通過此阻抗接入直流電壓[6]。

3.1 雷電流波形對塔頂電位的影響

波頭時間和半波峰時間為2.6/50μs 和0.25/100μs的兩種雷電流作用下塔頂電位幅值情況見表2。由表2可見，隨著雷電流幅值的變大，塔頂電位幅值不斷增大，雷電流從10kA 增大到50kA 的過程中，塔頂電位幅值變化最大。雷電流幅值一定時，波頭時為 0.25μs 的雷電波作用下塔頂電位幅值約位2.6μs 雷電波的3.3 倍。雷擊塔頂電位由入射雷電波和反行雷電波共同決定。本文研究桿塔塔高57m，從塔底產生出反行雷電波再傳遞需要0.38μs，波頭時間太短，最大的反射雷電波來不及傳到塔頂，此種情況塔頂電位最大，絕緣子承受電壓的情況最惡劣。

表2 不同陡度雷電流作用下塔頂電位幅值

3.2 絕緣子串電壓分析

2.6/50μs 的負極性雷直接擊中桿塔，隨著雷電流幅值的增加，正負兩級導線上的電位也在逐漸增大，正極導線上的電位幅值總是比負極高1.6kV 左右，正極導線更容易發生擊穿事故，見表3。

表3 不同幅值雷電流作用下絕緣子電壓幅值

絕緣子未被擊穿以前，輸電線路上的電壓主要由電磁耦合感應產生。絕緣子被擊穿后，輸電線路上的電壓由感應電壓突變為直擊雷電壓。雷擊桿塔時，正極導線絕緣子串兩端的電壓始終高于負極導線絕緣子串的電壓，正負兩級導線的絕緣表現為不平衡絕緣，直流工作電壓的影響不可忽略。

3.3 反擊耐雷水平

本文采用行波法來計算輸電線路的反擊耐雷水平。運行經驗證明，雷擊避雷線后與極導線發生反擊閃絡的情況是極罕見的，可不予考慮，故本文在反擊計算中僅考慮了雷擊桿塔的情況。

雷擊塔頂時，極導線上的電壓Uc有3 個電壓分量：

雷擊桿塔時，極導線上的感應過電壓的磁分量比電分量要小得多，故僅考慮后者。不同土壤電阻率下的反擊耐雷水平見表4。

表4 不同土壤電阻率下的反擊耐雷水平

直流輸電線路遭受雷擊閃絡后，換流閥從整流狀態變換為逆變狀態，從而使閃絡通道熄弧。和交流線路耐雷性能的指標為雷擊跳閘率相似，直流線路耐雷性能的指標為雷擊閃絡率。表5為不同接地電阻，不同雷電日時的反擊閃絡率計算結果。

表5 ±800kV 輸電線路反擊閃絡率

4 結論

多波阻抗模型能夠跟很好的反映雷電波在桿塔內的傳播過程，對于高桿塔的多波阻抗模型，在一定范圍內，桿塔分段越細能更準確描述不同高度處桿塔的不同波阻抗，而且桿塔分段更細時雷擊桿塔的過電壓幅值更低，對于合理選取絕緣水平降低投資成本是很有意義的。

雷電波的陡度以及桿塔的高度共同影響塔頂電位的幅值，波頭時間太短，最大的反射雷電波來不及傳到塔頂，此種情況塔頂電位最大，絕緣子承受電壓的情況最惡劣。

雷擊桿塔時，正極導線絕緣子串兩端的電壓始終高于負極導線絕緣子串的電壓正負兩級導線的絕緣表現為不平衡絕緣，直流工作電壓的影響不可忽略。

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