220 kV輸電線路耐雷水平及防雷措施研究

何光層，宮賀，段新杏，羅剛

（云南電網有限責任公司保山供電局，云南 保山 678000）

關鍵字：輸電線路；耐雷水平；電磁暫態分析軟件

0 前言

我國架空輸電線路桿塔的耐雷水平大多采用規程法計算，規程法是按照中華人民共和國電力行業標準《DL/T 620—1997》計算，具有簡單和實用的特點，但沒有考慮雷電流在線路和桿塔中的傳播過程，也沒有考慮導線之間的耦合效應，由于很多因素都是取平均導致計算結果偏于保守，導致防雷工程造價增加[1]。國際上已經廣泛使用電磁暫態分析軟件對輸電線路各部分建模[2-3]，其仿真精度都要優于規程法。使用雙指數波模擬的雷電流模型雖然擬合程度較高[4]，但其調制過程復雜；采用單一波阻抗模型建立的桿塔模型雖建模簡單，但隨著桿塔的復雜程度變高忽略了波的傳播過程，使用多波阻抗模型對桿塔建模考慮了雷電流在桿塔中傳播的波阻抗差異[5]；輸電線路采用電磁暫態分析軟件中的JMarti 模型，考慮了波在傳播過程中的頻變過程[6]；絕緣子串U50%閃絡電壓沒有考慮絕緣子串伏秒特性隨時間的變化[7]，與真實情況有差異，IEEE 絕緣子串閃絡電壓公式有較好的模擬效果[8]；由于避雷器的過壓保護特性，在電磁暫態分析軟件中采用多段非線性電阻模擬[9]。

基于上述分析，本文通過電磁暫態分析軟件建立輸電線路雷擊一體化模型，對輸電線路的各相進行耐雷水平仿真，并分析不同接地電阻和不同避雷器安裝方式對耐雷水平的影響。

1 仿真模型構建

本文采用電磁暫態分析軟件對某220 kV 單回輸電線路進行耐雷分析，建立的綜合模型包括雷電流、桿塔、架空線路、絕緣子串、避雷器等模型。

1.1 雷電流模型

本文采用Heilder 函數模擬雷電流。表達式為：

式中，I0為雷電流峰值，A；τ1為波前時間常數，取2.6 μs；τ2為延遲時間常數，取50 μs；n為電流陡度因子，取2；

η為雷電流幅值校正系數，

在雷擊分析中，將雷電流模型視為電流源接入，波阻抗取300 Ω。

1.2 桿塔模型

本文所研究桿塔型號為LTZM4-39，全高為46.35 m。由于桿塔高度超過40 m，采用多波阻抗模型建模[1]。多波阻抗模型將桿塔分為主材、斜材和橫擔三個部分，在電磁暫態分析軟件中使用無損線路模型模擬。如圖1 所示為桿塔及多波阻抗等效模型。

圖1 桿塔及多波阻抗等效模型

主材計算公式：

式中：hk為第k段導體的對地高度，m；rek為k段導體的等效半徑，m。

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斜材計算公式：

橫擔計算公式：

式中：rAK為橫擔和主材鏈接長度的1/4，m。桿塔多波阻抗模型參數見表1。

表1 桿塔多波阻抗模型參數

1.3 架空線路模型

雷擊發生過程中其頻率變化范圍廣，故線路模型采用與頻率有關的JMarti 模型。JMarti模型是由J. R. Marti 博士提出的參數依頻電力線路計算方法，其基本思想是在考慮線路損耗的基礎上，通過多項式擬合線路的特性阻抗，然后結合有理函數的特點利用電阻、電容串并聯建立等效的特性阻抗等值電路。得到等效的特性阻抗后便可以通過歷史電流源和電阻的形式，最終將包含電容、電感等元件的分布參數電路，變為含電流源的電阻網絡模擬電力線路進行計算。

1.4 絕緣子串模型

電磁暫態分析軟件中利用TACS 開關模塊和MODEL 編程模塊共同模擬絕緣子串的伏秒特性。采用相交法模擬絕緣子串的閃絡過程[10]。當桿塔橫擔與導線之間的電位差大于絕緣子串伏秒特性值時，絕緣子串發生閃絡。

本文絕緣子串閃絡模型采用國際標準IEEE絕緣子串閃絡電壓公式：

式中：V為絕緣子串兩端電壓，V；L為絕緣子串有效長度，m；t為雷電沖擊發生到絕緣子串發生的時間，μs。

1.5 避雷器模型

式中：p和q為特性常數；Vref為參考電壓，通常取額定電壓的兩倍或直流1 mA下的參考電壓[11]。

本文使用避雷器非線性參數如表2 所示。

表2 避雷器非線性參數

2 實例仿真

本文對某220 kV 單回輸電線路拉線自立式貓頭直線桿塔（LTZM4-39）進行仿真。根據規程法計算該線路反擊耐雷水平為61.257 kA。線路相序為C、A、B（左中右）。

2.1 耐雷水平

其中沖擊接地電阻采用計及沖擊火花效應的沖擊接地電阻模型，其阻值與雷電流、土壤電阻率和工頻接地電阻相關。土壤電阻率固定為100 Ω/m，工頻接地電阻為25 Ω。按照第1 章建模方法建立模型，線路工頻電壓源220 kV，頻率50 HZ，在一個工頻周期360°全相位內按60°的間隔等分，逐一計算耐雷值。為簡化模型，只有中間一基桿塔考慮火花效應，前后桿塔忽略火花效應。發生反擊時，雷電流從桿塔頂部避雷線注入，如圖2 所示為單相和多相反擊閃絡波形（初相角0°），如表 3 所示為反擊耐雷水平計算結果。

如圖 2（a）所示，當t=10.33 μs 時，A 相發生反擊閃絡，臨界閃絡雷電流幅值為73 kA；如圖2（b）所示，當t=0.57 μs 時，B 相發生反擊閃絡，當t=0.58 μs 時，C 相發生反擊閃絡，臨界閃絡雷電流幅值為86.7 kA；如圖 2（c）所示，當t=0.29 μs 時，B、C 相發生反擊閃絡，當t=15.12 μs 時，A 相發生反擊閃絡，臨界閃絡雷電流幅值為177.0 kA。可見隨著雷電流幅值的上升，發生閃絡的過程較為復雜，某項發生閃絡時，雷電流會通過擊穿的絕緣子侵入導線，由于導線之間存在耦合效應，未閃絡相的絕緣子串兩端電壓急速下降，使得閃絡電壓值增高。

不同工頻相位下的耐雷水平計算結果，如表3 所示，可以看出：

表3 反擊耐雷水平

1）在相同相角情況下，從單相至兩相、三相閃絡的雷電流幅值逐漸增大，說明更多相數的閃絡需要更大的雷電流才能實現；

2）不同相角情況下，反擊耐雷水平和閃絡相均發生變化，多相閃絡中多為線路的同位相；

3）在單相閃絡中，規程法計算耐雷水平小于電磁暫態分析軟件法，采用規程法計算耐雷水平明顯偏于保守，且無法計算出各相的耐雷水平，造成防雷工程的資金投入，采用電磁暫態分析軟件法可計算出單相和多相耐雷水平，使防雷建設更合理、成本更低。

2.2 耐雷水平影響因素

2.2.1 接地電阻

雷電流雷擊桿塔時桿塔各部位的電位受桿塔接地電阻的影響，改變接地電阻值，計算所得的耐雷水平也隨之改變，計算結果如圖3 所示。從圖中可以看出，當桿塔接地電阻從5 Ω 增加到25 Ω 時，耐雷水平從92.4 kA 降低到73.0 kA。進一步分析可知，接地電阻和耐雷值成線性關系，因此降低接地電阻能有效提高耐雷水平。

圖3 耐雷水平隨接地電阻變化

2.2.2 避雷器

安裝線路避雷器可以提高線路反擊耐雷水平。桿塔在遭受雷擊時，雷電流值超過避雷器動作值后，雷電流值經避雷器流入導線進入下一基桿塔，使得導線電位得到提高[12]。此時絕緣子串兩端電壓差值會小于絕緣子串50%放電電壓，避免絕緣子串發生閃絡。

如圖4 所示為絕緣子串不同的安裝方式（黑色圓圈為安裝避雷器，白色圓圈為未安裝避雷器），表4 為絕緣子串各安裝方式的耐雷水平。由圖4 和表4 可知，方式1～方式3 為單相裝設避雷器，其耐雷水平平均提高了48.93%；方式4～方式6 為兩相裝設避雷器，其耐雷水平平均提高了106.00%；方式7 為三相均裝設避雷器，取雷電流為300 kA（自然界平均最大雷電流）時未發生閃絡現象。由此可知，兩相裝設避雷器的耐雷水平比單相裝設避雷器的耐雷水平提高了57.07%，三相裝設避雷器的耐雷水平比單相裝設避雷器的耐雷水平至少提高了260.97%，比兩相裝設避雷器的耐雷水平至少提高了204.9%。從耐雷水平的角度考慮，三相均裝設避雷器防雷效果最好，但考慮到成本因素以及該地區近年來平均落雷幅值不會超過300 kA，在B 相（右）和C 相（左）裝設避雷器其防雷效果最好。

表4 裝設避雷器反擊耐雷水平

圖4 避雷器安裝方式

3 結束語

1）通過電磁暫態分析軟件對某220 kV 輸電線路建立輸電線路雷擊模型，計算出不同工頻相位下的單相、兩相和三相的反擊耐雷水平，找到耐雷性能薄弱的相。

2）改變接地電阻和絕緣子串并聯避雷器對反擊耐雷水平均有不同程度地影響。通過仿真可知，降低接地電阻能很好的提高耐雷水平，在BC 兩相（左右）裝設避雷器其防雷效果最好，有效提高電力系統的安全性和經濟型。