陳 奎 ，曹曉斌，吳廣寧 ，易志興，馬御棠 ，范建斌

（1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司電力研究院，云南 昆明 650051；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

輸電線路覆冰后由于線路荷載過(guò)重、不均勻脫冰、覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)等會(huì)造成輸電線路倒桿和斷線事故［1-3］。當(dāng)架空避雷線上的覆冰達(dá)到一定程度后，將嚴(yán)重危害輸電線路安全［4-7］。為了利用直流對(duì)架空避雷線融冰，對(duì)輸電線路避雷線進(jìn)行了全線絕緣化架設(shè)，絕緣間隙達(dá)到了120 mm，遠(yuǎn)大于為了減小避雷線損耗而采用的絕緣間隙值（10～40 mm）［8-9］。120mm絕緣間隙應(yīng)用在避雷線中將改變輸電線路耐雷水平和塔頂電位。輸電線路耐雷水平和塔頂電位直接與桿塔分流系數(shù)相關(guān)［10-11］。為了防止輸電線路雷擊閃絡(luò)和避免雷擊跳閘，需要深入研究絕緣避雷線桿塔分流系數(shù)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)絕緣化輸電線路避雷線問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，這些研究主要集中在不同避雷線絕緣方式、輸電線路和避雷線換位、避雷線回路數(shù)、避雷線材料、桿塔等因素對(duì)輸電線路避雷線損耗［12-15］、短路時(shí)的避雷線分流系數(shù)［16-19］和避雷線感應(yīng)電壓［20-23］影響?；诶讚糨旊娋€路時(shí)桿塔分流系數(shù)的研究較少，而桿塔分流系數(shù)對(duì)于分析桿塔頂端電位、探討絕緣配合和開(kāi)展輸電線路防雷接地保護(hù)有著重要的意義。

為此，本文利用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立了全線絕緣化避雷線的輸電線路雷擊模型，研究了在不同雷電流幅值下絕緣架設(shè)避雷線和桿塔中雷電流分配問(wèn)題，探討了不同雷電流幅值、桿塔接地電阻和桿塔檔距對(duì)直接接地避雷線和絕緣架設(shè)避雷線中的桿塔分流系數(shù)的影響，得到了相關(guān)變化規(guī)律。相關(guān)結(jié)論可為工程設(shè)計(jì)和相關(guān)技術(shù)規(guī)范提供參考。

1 雷擊桿塔模型

1.1 雷電流在輸電線路分配模型

避雷線全線絕緣化架設(shè)方式為：架空線路每隔30 km設(shè)置1個(gè)接地點(diǎn)，線路終端桿塔均設(shè)置接地點(diǎn)；非覆冰季節(jié)接地點(diǎn)進(jìn)行可靠接地，融冰季節(jié)來(lái)臨前將線路接地點(diǎn)接地裝置打開(kāi)，本文討論了非融冰季節(jié)避雷線情況。輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)桿塔和絕緣避雷線的電流基本為0。當(dāng)發(fā)生雷擊故障時(shí)，雷電流將擊穿絕緣避雷線間隙，并經(jīng)桿塔和絕緣避雷線流回大地。雷電流在輸電線路分配模型如圖1所示。

圖1 雷電流分布模型Fig.1 Model of lightning current distribution

圖1 中，Ji、J′i（i=1，2，…，n-1）表示對(duì)應(yīng)桿塔的絕緣避雷線間隙；Jn表示雷擊桿塔處的絕緣避雷線間隙；IK為雷擊點(diǎn)的全部雷擊電流；IK1、IK2為流過(guò)雷擊點(diǎn)兩側(cè)絕緣避雷線的雷電流；Id為雷擊點(diǎn)擊穿避雷線絕緣間隙的桿塔入地雷電流；Id1為雷擊點(diǎn)相鄰擊穿避雷線絕緣間隙的兩基桿塔雷電流；Iz1、Iz2為流經(jīng)絕緣避雷線返回變電站地網(wǎng)的雷電流；Ri、R′i為接地電阻?；诶纂娏鞣峙淠Ｐ?，本文研究了雷電流在輸電線路桿塔的分配問(wèn)題。

1.2 雷電流桿塔分流系數(shù)

當(dāng)雷電擊中輸電線路桿塔及附近時(shí)，足夠大的雷電流幅值將擊穿雷擊點(diǎn)附近桿塔的絕緣間隙。擊穿絕緣間隙的桿塔和絕緣避雷線將對(duì)雷電流分流。雷電流在桿塔中的分流如圖2所示。

圖2中，J對(duì)應(yīng)桿塔上的絕緣間隙；D對(duì)應(yīng)桿塔上的絕緣子?；诶纂娏鳁U塔分流模型，本文研究了絕緣避雷線中雷電流桿塔分流系數(shù)。

桿塔分流系數(shù)是反映雷電流在避雷線和桿塔中分布情況的重要參數(shù)，與輸電線路反擊耐雷水平關(guān)系密切。在本文中桿塔分流系數(shù)β定義為經(jīng)桿塔入地的電流Id與雷擊桿塔的總雷電流IK的比值，即：

圖2 桿塔分流模型Fig.2 Model of tower lightning current shunt

2 實(shí)際線路雷電流分配的仿真分析

2.1 線路計(jì)算條件

南方電網(wǎng)某超高壓輸電線路為了利用直流直接融冰，架空避雷線進(jìn)行了全線絕緣化設(shè)計(jì)。避雷線絕緣間隙為120 mm，對(duì)于間隙擊穿建模時(shí)作了理想化的假設(shè)，當(dāng)間隙兩端電壓達(dá)到間隙U50%即試驗(yàn)數(shù)值83.4 kV時(shí)，間隙擊穿。線路仿真計(jì)算條件為：土壤電阻率為200 Ω·m，變電站接地網(wǎng)等效電阻為0.5 Ω；每檔線路檔距為500 m；線路鐵塔等效接地電阻為15 Ω，鐵塔波阻抗為150 Ω。導(dǎo)、避雷線排列如圖3所示。導(dǎo)線參數(shù)：相導(dǎo)線型號(hào)為4×JL/G1A-400/50-54/7，分裂間距為400mm；避雷線型號(hào)為L(zhǎng)BGJ-120；光纜型號(hào)為OPGW-100。

圖3 線路的幾何結(jié)構(gòu)Fig.3 Geometric structure of transmission line

2.2 輸電線路雷電流分配規(guī)律分析

利用已建模型，對(duì)雷擊桿塔條件下桿塔分流情況進(jìn)行了仿真。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷電流幅值小于441 A時(shí)，沒(méi)有絕緣間隙擊穿；雷電流幅值在441～4 300 A時(shí)，只有雷擊點(diǎn)桿塔絕緣間隙擊穿；當(dāng)雷電流幅值大于20 kA時(shí)，靠近雷擊點(diǎn)的5基桿塔絕緣間隙擊穿；雷電流幅值大于50 kA時(shí)，靠近雷擊點(diǎn)的12基桿塔絕緣間隙擊穿。以下分別討論不同雷電流幅值條件下的桿塔分流情況。

雷電流幅值為1 kA時(shí)，雷擊點(diǎn)桿塔絕緣間隙擊穿。雷電流從擊穿絕緣間隙的桿塔、絕緣避雷線和線路終端接地桿塔分流，與直接接地時(shí)分流情況的對(duì)比如圖4所示。圖中，Id1、Id2為雷擊點(diǎn)相鄰擊穿避雷線絕緣間隙的4基桿塔雷電流。

圖4 雷電流幅值為1 kA時(shí)分流情況Fig.4 Lightning current distribution when its amplitude is 1 kA

由圖4可見(jiàn)，絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流作用大于直接接地時(shí)分流作用。因?yàn)槔纂娏鞣禐? kA時(shí)，絕緣架設(shè)避雷線情況下只有雷擊點(diǎn)桿塔擊穿，雷擊點(diǎn)桿塔分走97%的雷電流。

雷電流幅值為50 kA時(shí)，雷擊點(diǎn)附近12基桿塔的絕緣間隙擊穿。雷電流從擊穿絕緣間隙的12基桿塔、絕緣避雷線和線路終端接地桿塔分流，與直接接地時(shí)分流情況的對(duì)比如圖5所示。

圖5 雷電流幅值為50 kA時(shí)分流情況Fig.5 Lightning current distribution when its amplitude is 50 kA

由圖5可見(jiàn)，直接接地與絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流峰值都為57 kA，并且桿塔入地雷電流波形相似，分流作用相近。因?yàn)闂U塔絕緣間隙達(dá)到12基，絕緣架設(shè)避雷線與直接接地避雷線一樣能起到良好的分流作用。與圖4中絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流相比，更多的桿塔絕緣間隙擊穿，擊穿間隙的桿塔分流作用加強(qiáng)。同時(shí)雷擊點(diǎn)附近3基桿塔分流較多，隨后4、5基桿塔分流較少。

雷電流幅值為150 kA時(shí)，雷擊點(diǎn)附近12基桿塔的絕緣間隙擊穿。雷電流從擊穿絕緣間隙的12基桿塔、絕緣架設(shè)避雷線和線路終端接地桿塔分流，與直接接地時(shí)分流情況的對(duì)比如圖6所示。

圖6 雷電流幅值為150 kA時(shí)分流情況Fig.6 Lightning current distribution when its amplitude is 150 kA

由圖6可見(jiàn)，直接接地與絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流峰值都為170 kA，并且桿塔入地雷電流波形相似，分流作用幾乎相同。與圖5中絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流相比，每基桿塔分得了更多的雷電流。

由圖5、圖6發(fā)現(xiàn)：當(dāng)雷擊桿塔時(shí)，雷擊點(diǎn)兩邊擊穿絕緣間隙的桿塔分流呈對(duì)稱(chēng)分布；兩邊對(duì)應(yīng)桿塔分流幾乎相同，線路末端接地桿塔和絕緣避雷線分流較小。雷電流在避雷線和桿塔中的分配與桿塔絕緣間隙的擊穿個(gè)數(shù)有關(guān)，桿塔入地電流峰值與絕緣間隙的擊穿個(gè)數(shù)關(guān)系不大。

由此可知，在實(shí)際輸電線路中雷擊點(diǎn)處的雷電流主要由絕緣間隙擊穿的桿塔分流，并且桿塔分流達(dá)到80%以上。這說(shuō)明在絕緣架設(shè)避雷線-桿塔接地系統(tǒng)中，從雷擊點(diǎn)看進(jìn)去的輸入阻抗要比絕緣架設(shè)避雷線阻抗小得多。絕緣架設(shè)避雷線在足夠大的雷電流擊穿絕緣間隙后，其雷電流分配與直接接地避雷線差別不大，都主要由雷擊點(diǎn)附近桿塔分流。絕緣架設(shè)避雷線對(duì)雷電流桿塔分流影響不大。當(dāng)避雷線絕緣間隙可靠擊穿后，絕緣架空避雷線接地，發(fā)揮避雷線在防雷時(shí)的分流及耦合作用。

3 雷電流幅值對(duì)桿塔分流系數(shù)和波長(zhǎng)的影響

雷電流幅值是影響絕緣避雷線中桿塔分流系數(shù)和波長(zhǎng)的重要因素。變動(dòng)雷電流幅值，保持其他仿真條件不變，分別得到絕緣避雷線和直接接地避雷線在1.3 μs時(shí)的桿塔分流系數(shù)和波長(zhǎng)，所得結(jié)果如圖7、8 所示。

圖7 不同雷電流幅值下的桿塔分流系數(shù)Fig.7 Tower shunt coefficient for different lightning current amplitudes

圖8 不同雷電流幅值下的波長(zhǎng)Fig.8 Wave length for different lightning current amplitudes

由圖7、圖8可知：隨著雷電流增大，不同避雷線架設(shè)方式下桿塔分流系數(shù)和波長(zhǎng)變化趨勢(shì)并不相同。絕緣架設(shè)避雷線中桿塔分流系數(shù)和波長(zhǎng)隨著雷電流幅值增大而減小，避雷線直接接地方式的桿塔分流系數(shù)和波長(zhǎng)保持定值。絕緣架設(shè)避雷線中雷電流幅值小于20 kA時(shí)，雷擊點(diǎn)附近2基桿塔分流，分流系數(shù)保持在90%以上，波長(zhǎng)為2 μs以上；雷電流幅值大于50 kA時(shí)，雷擊點(diǎn)附近12基桿塔分流，分流系數(shù)保持在88%左右，波長(zhǎng)為1.67 μs；而在直接接地方式下無(wú)論雷電流幅值變化多少，桿塔分流系數(shù)都維持在88%左右，波長(zhǎng)為1.67 μs。這是因?yàn)樵谥苯咏拥乇芾拙€中，雷電流幅值增加而輸電線路分流電路結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變。在絕緣避雷線系統(tǒng)中，隨著雷電流增大，擊穿避雷線絕緣間隙個(gè)數(shù)增加，桿塔接地的數(shù)目增加，更多的桿塔參與分流，桿塔分流系數(shù)減小且波長(zhǎng)變短。隨著雷電流幅值增大，擊穿個(gè)數(shù)達(dá)到一定程度后，分流系數(shù)和波長(zhǎng)將不再減少，絕緣避雷線桿塔分流系數(shù)和波長(zhǎng)最終趨于直接接地時(shí)的分流系數(shù)和波長(zhǎng)。與避雷線直接接地相比，當(dāng)雷電流幅值超過(guò)20 kA時(shí)，絕緣架設(shè)避雷線對(duì)輸電線路桿塔雷電分流系數(shù)和波長(zhǎng)影響不大。

4 桿塔分流系數(shù)的規(guī)律分析

4.1 桿塔接地電阻的影響

桿塔接地電阻對(duì)絕緣避雷線中桿塔分流系數(shù)有很大的影響。在雷電流幅值為150 kA時(shí)，改變桿塔接地電阻的值，保持其他仿真條件不變，得到不同桿塔接地電阻在1.3 μs時(shí)的分流系數(shù)，所得結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同桿塔接地電阻下的桿塔分流系數(shù)Fig.9 Tower shunt coefficient for different tower grounding resistances

由圖9可以看出雷電流幅值為150 kA時(shí)，直接接地與絕緣避雷線2種方式在不同接地電阻時(shí)的分流系數(shù)近似。桿塔接地電阻為5 Ω時(shí)，直接接地和絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流系數(shù)為95%左右；桿塔接地電阻增大到100 Ω時(shí)，已經(jīng)下降到65%左右。隨著接地電阻增大，不同避雷線架設(shè)方式下桿塔分流系數(shù)變化趨勢(shì)相同，即隨著接地電阻增大，分流系數(shù)減小。這是因?yàn)榉禐?50 kA時(shí)雷電流擊穿絕緣間隙較多，絕緣避雷線分流作用與直接接地時(shí)差別不大。桿塔接地電阻越大，雷電流從桿塔分流越小，桿塔分流系數(shù)減少。同時(shí)桿塔接地電阻增大，還會(huì)影響地電位升高。

4.2 桿塔檔距的影響

桿塔檔距對(duì)絕緣避雷線中桿塔分流系數(shù)有一定的影響。在雷電流幅值為150 kA的情況下，改變桿塔檔距的值，保持其他仿真條件不變，得到不同的桿塔檔距在1.3 μs時(shí)的分流系數(shù)，所得結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同檔距下的桿塔分流系數(shù)Fig.10 Tower shunt coefficient for different tower spans

由圖10可以看出雷電流幅值為150 kA時(shí)，直接接地方式與絕緣架設(shè)方式在不同桿塔檔距的分流系數(shù)幾乎一樣。700 m檔距時(shí)分流系數(shù)為95%左右，200 m檔距時(shí)分流系數(shù)下降到75%左右。隨著檔距增大，不同避雷線架設(shè)方式下桿塔分流系數(shù)變化趨勢(shì)相同，分流系數(shù)都隨著檔距增大而增大。隨著檔距的增大，雷電流從桿塔分流得越多，桿塔系數(shù)越大。輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)增大檔距，以增大桿塔雷電流分流系數(shù)。

5 結(jié)論

本文對(duì)比分析了避雷線直接接地和絕緣架設(shè)的雷電流分配情況及影響因素，得出結(jié)論如下。

a.避雷線絕緣架設(shè)時(shí)，雷電流的分配與桿塔絕緣間隙的擊穿個(gè)數(shù)有關(guān)，通過(guò)桿塔入地的雷電流幅值受間隙擊穿個(gè)數(shù)影響較少，而波長(zhǎng)受間隙擊穿個(gè)數(shù)的影響較大。

b.雷電流幅值小于20 kA，避雷線絕緣架設(shè)與直接接地相比，由于雷電流的桿塔分流系數(shù)受間隙擊穿個(gè)數(shù)的影響，二者的差別較大，其中雷電流幅值為1 kA時(shí)分流系數(shù)相差達(dá)到9%。

c.當(dāng)雷電流幅值大于20 kA，絕緣間隙擊穿5級(jí)以上時(shí)，避雷線絕緣架設(shè)與直接接地時(shí)的分流系數(shù)基本相同，此時(shí)桿塔分流系數(shù)主要受桿塔接地電阻的影響。

通過(guò)上述研究，避雷線絕緣架設(shè)時(shí)，輸電線路的雷擊分流系數(shù)主要受雷電流的影響，當(dāng)雷電流幅值遠(yuǎn)大于20 kA時(shí)，計(jì)算線路的耐雷水平時(shí)不需要考慮避雷線融冰絕緣架設(shè)的影響。

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