±800 kV錫泰線黃河大跨越區段耐雷性能分析

李永明，逯文佳，高彬桓，杜 遠

（1.國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250018；2.華北電力大學（北京）電氣與電子工程學院，北京 102206）

0 引言

±800 kV錫泰線黃河大跨越處于微氣象、微地形區段，受惡劣天氣條件影響較大，具有一定的特殊性和代表性。跨越段的桿塔高度高、檔距長，落雷概率大且雷擊事故不易修復，因此發生雷擊故障的概率高于一般區段［1-3］。除此之外，從防雷保護的角度來看，一是黃河大跨越段受微氣象條件的影響，比一般段桿塔更易落雷，二是雷直擊跨越桿塔時由于桿塔波阻抗大且桿塔較高增加了絕緣閃絡概率，三是發生雷電繞擊導線的可能性增加，因此，黃河大跨越區段比一般段更容易發生雷擊故障［4-6］。綜上所述，準確地模擬出雷擊桿塔或導線的電磁暫態過程，分析、研究現階段的桿塔耐雷水平，并根據結果對線路防雷能力進行評價，提出防雷建議，對于提高±800 kV錫泰線整體健康水平，避免因雷擊故障導致的大面積停電事故具有極為重要的意義［7-9］。

針對±800 kV錫泰線黃河大跨越區段，基于電磁暫態仿真程序ATP-EMTP 研究計算了不同接地電阻、不同呼高、不同的避雷器加裝方案等情況下跨越段的耐雷性能；并結合超、特高壓交直流輸電線路的實際運維經驗，提出了進一步改善其耐雷水平的可行性措施。

1 ±800 kV錫泰線黃河大跨越區段線路概況

±800 kV錫泰線起于內蒙古錫盟換流站，止于江蘇泰州換流站，是山東地區首條包含黃河大跨越特殊區段的特高壓直流過境輸電線路工程。黃河大跨越區段長3.734 km，新建鐵塔5 基，采用耐—直—直—直—耐跨越方式跨越黃河。跨越段的平斷面如圖1所示，塔型如圖2所示。

圖1 ±800 kV錫泰線大跨越平斷面

2 基于EMTP的雷擊暫態過程仿真分析

2.1 雷電流模型

由于自然界中負極性雷的出現概率遠大于正極性雷，因此分析中以負極性雷為例。雷電流波形采用GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》中推薦的2.6/50 μs。ATPEMTP 中選用Heidler type 19 型原件與雷電通道波阻抗Z并聯的方式，雷電流I＜100 kA 時，Z取800 Ω；I≥100 kA時，Z取300 Ω［10］。

2.2 改進的桿塔多波阻抗模型

大跨越區段直線塔結構及幾何尺寸如圖2 所示，可見，跨越塔的橫擔以下部分非常長，是跨越塔的主體，為了減小計算誤差，計算模型采用改進的多波阻抗模型［11-12］，將橫擔下的塔身分成7 段，模型如圖3所示。分別計算各段波阻抗并用無損線路模型來模擬。第k段主架部分波阻抗ZTk和第k段支架部分波阻抗ZLk的計算公式為：

圖2 大跨越處直線塔塔型結構

圖3 改進的多波阻抗桿塔模型

式中：rek為桿塔第k段的等效半徑；hk為第k段離地面的高度。

橫擔部分波阻抗被分為3 段，第m段波阻抗ZAm計算公式為

式中：hm為第m段橫擔的對地高度；rAm指第m段橫擔的等效半徑，取單個塔臂長度的1/4。

模型參數取值如表1所示。

2.3 線路模型

考慮到雷電流波形中包含大量高次諧波，仿真中線路模型采用頻率相關模型中JMARTI線路模型。詳細線路參數［13-15］如表2所示。

2.4 接地電阻模型

接地電阻在ATP-EMTP 中可通過TACARes 模塊來仿真計算。

接地電極中流過大電流時，其接地電阻值小于流過通常電流時的值。為了計算更加精確，計算模型采用CIGRE推薦的公式，即

式中：R0為工頻電阻；I為流過塔腳電阻的雷電流；Ig為對應土壤電離梯度E0的臨界電流，可用式（5）計算。

式中：ρ為土壤電阻率，仿真中取100 Ω·m；E0為土壤電離電場強度，取400 kV/m［16］。

2.5 絕緣子閃絡模型

采用更切合實際情況的相交法作為絕緣子閃絡判據，即絕緣子串上過電壓曲線與其秒伏特性曲線相交時為閃絡。用ATP-EMTP 中的Flash Model 作為絕緣子串閃絡模型，通過對Model模塊的編程進行模擬，±800 kV 輸電線路絕緣子串的秒伏特性表達式為［17］

式中：Us-t為絕緣子閃絡電壓；t為過電壓作用時間；L為絕緣子串長度，根據±800 kV 錫泰線黃河大跨越段絕緣子安裝情況，直線塔L取19.92 m，耐張塔L取8.145 m。

2.6 避雷器模型

避雷器模型參數采用文獻［18-19］中的計算值，避雷器串聯間隙設定為1.8 m，直流參考電壓960 kV，工頻參考電壓679 kV，標稱放電電流下殘壓1 900 kV。ATP-EMTP中用非線性電阻元件來模擬。

3 仿真結果分析

由于仿真中雷電流為負極性，發生反擊時正極線絕緣子串兩端所受過電壓值更高，因此以正極線的反擊耐雷水平作為±800 kV 輸電線路的反擊耐雷水平。而發生繞擊時，由于正極線對負極性雷的吸引作用導致正極線遭受雷擊的概率遠大于負極線，因此，在研究避雷器加裝方案時，只計算加裝在正極線的情況。

3.1 反擊耐雷性能仿真分析

桿塔的接地電阻會影響塔頂及橫擔處的電位從而影響桿塔的耐雷水平。將接地電阻變化范圍設為1～30 Ω，分別得出耐張塔1（呼高68 m）、直線塔2（呼高142 m）、直線塔3（呼高90 m）、耐張塔2（呼高48 m）的反擊耐雷水平，如圖4所示。

圖4 不同接地電阻下的反擊耐雷水平

由圖4 可知，降低接地電阻可以有效提高反擊耐雷水平，接地電阻值在1 Ω 時，仿真的跨越段桿塔耐雷水平均達到300 kA 以上。此外，由于耐張塔1和耐張塔2、直線塔2 和直線塔3 的絕緣子配置情況相同，可以看出桿塔呼高對反擊耐雷水平影響也很明顯。

為了研究安裝線路避雷器對反擊耐雷性能的影響，對不同避雷器加裝方案下的反擊耐雷水平進行仿真。方案Ⅰ是在直線塔2 處加裝一組避雷器，方案Ⅱ是在直線塔1 和直線塔3 處分別加裝一組避雷器，方案Ⅲ是在直線塔1、直線塔2、直線塔3 處各加裝一組避雷器。加裝前后反擊耐雷水平如表3 所示。對比3 組方案可以看出加裝避雷器后本基桿塔反擊性能提升明顯，但其通流能力有限，因而相鄰桿塔耐雷水平提升有限。其中方案Ⅲ對于提高耐雷水平最為明顯，基本能夠實現跨越段的反擊雷保護。

表3 加裝避雷器前后桿塔反擊耐雷水平比較 單位：kV

實際運行經驗表明，300 kA 以上的雷電流發生概率較低，加之目前有條件的桿塔接地電阻值基本控制在1 Ω 左右，錫泰線黃河大跨越區段桿塔接地電阻實測值如表4 所示。因此在線路運行工況良好的情況下，跨越段的反擊耐雷水平較高，發生反擊事故的概率極低。

表4 錫泰線黃河大跨越區段桿塔接地電阻值頭 單位：Ω

3.2 繞擊耐雷水平分析

雷電流避開地線直接擊中導線的情況稱為繞擊，實際經驗表明，繞擊閃絡對±800 kV直流輸電線路影響更大，而多發的負極性雷使正極線路遭受雷擊的概率更大。因此仿真時，以雷電流直擊正極線而不會引起絕緣子閃絡的最大雷電流值為繞擊耐雷水平。

根據改進的電氣幾何模型（Electrical Geometric Model，EGM），如圖5 所示，擊距計算時計及導線工作電壓及導線平均高度的影響，地面傾斜角為0°，計算采用IEEE標準所推薦的擊距公式［20］。

圖5 40 kA雷電流的繞擊EGM模型

雷電對避雷線的擊距rs為

雷電對大地的擊距rg為

雷電對導線的擊距rc為

式中：I為雷電流；yc為導線平均高度；UDC為導線工作電壓。

由于擊距與雷電流幅值相關，因此當雷電擊中地線屏蔽弧時，雷擊避雷線，導線得到保護，而當雷電擊中暴露弧時，雷擊導線，即此時發生繞擊。隨著雷電流幅值的增大，暴露弧隨之減小，當雷電流幅值增大到暴露弧剛好為零時，此時的雷電流稱之為最大繞擊電流Imax。

計算得出，跨越段的兩基耐張塔繞擊耐雷水平高于最大繞擊電流，理論上不會出現繞擊事故。按照反擊耐雷水平時避雷器的加裝方案進行繞擊仿真，仿真結果如表5 所示。可見加裝線路避雷器的桿塔的最大繞擊電流值均大于150 kA，而按照方案Ⅲ的布置，跨越段的繞擊耐雷水平已遠大于電氣幾何模型計算得到的最大繞擊電流值，已經能夠滿足運行要求。

表5 加裝避雷器前后桿塔繞擊耐雷水平比較 單位：kV

4 結語

通過分析±800 kV 錫泰線黃河大跨越段的耐雷水平，得出以下結論，可為山東境內特高壓直流輸電線路運行維護工作提供參考。

1）接地電阻1 Ω左右時，跨越段整體的反擊耐雷水平較高，發生反擊故障的概率很低。降低桿塔接地電阻對于提高跨越區段的反擊耐雷水平意義明顯。因此，運行維護中應關注桿塔接地電阻值的變化。

2）大跨越區段的現有的防雷措施基本滿足雷電過電壓的要求，考慮到雷擊事故發生的隨機性，進一步提升跨越段耐雷水平十分必要。

3）仿真結果表明，加裝跨越區段的3 個跨越塔均加裝避雷器時，反擊與繞擊耐雷水平均有顯著提高，為了獲得足夠的雷擊保護，跨越段的3 基直線塔的正極線可加裝線路避雷器。