季 坤，嚴 波，操松元，陳 偉，汪 偉，張 瑩

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，合肥 230022；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司淮南供電公司，安徽淮南 232000）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的建設規(guī)模也不斷擴大，線路走廊越來越緊張。同塔多回輸電技術因其能夠有效緩解輸電走廊緊張、節(jié)約土地資源、提高輸電容量等優(yōu)點得到了廣泛的應用[1]。相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]表明，雷電是影響輸電線路安全穩(wěn)定運行的主要威脅之一。同塔多回輸電技術的應用導致桿塔高度增加，增大了遭受雷擊的概率，也給線路絕緣配合與防雷性能研究提出了新的要求[3-4]。

為了有效提升同塔多回線路的耐雷水平，一系列措施被采用，如：降低桿塔接地電阻[5]、敷設避雷線[6]、安裝線路避雷器[6-7]等。實際運行經(jīng)驗[8]和仿真結果[9-10]都表明這些措施具有明顯效果，其中安裝線路避雷器的防護效果最為顯著。但是對于具體避雷器的防護配置方式，如安裝數(shù)量、安裝位置、與絕緣子串最小間距等仍然不是十分清晰，對避雷器防護效果影響因素研究也相對較少。對此進行相關綜合研究，對于確保同塔多回輸電線路安全可靠運行具有重要意義。

筆者利用EMTP軟件[11]搭建220 kV同塔雙回輸電線路模型，分析線路發(fā)生雷擊反擊時，不同避雷器配置方式下的線路耐雷水平，討論桿塔接地電阻、線路工頻電壓相位角對避雷器防護效果的影響，最后計算不同配置方式下，避雷器與絕緣子串防止發(fā)生側向閃絡的最小安全間距，為同塔雙回線路的雷電防護提供一定參考。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

較為常用的雷電流模型有3種：雙指數(shù)函數(shù)波形、Heidler函數(shù)波形、脈沖函數(shù)波形，Heidler函數(shù)更為符合通道底部電流波形[12]，因此利用Heidler函數(shù)模擬雷電流波形，表達式如下：

式中：I0為雷電流峰值；τ1和τ2分別為波頭和波尾時間常數(shù)；n為電流陡度因子，IEC推薦值取10。雷電流波形參數(shù)相關規(guī)范[13]取2.6/50 μs，雷電通道等值波阻抗根據(jù)電流幅值選取[13]。

1.2 線路及桿塔模型

在EMTP中搭建220 kV同塔雙回輸電線路模型，線路全線敷設雙避雷線，檔距為500 m，導線型號為LGJ-400/50，避雷線型號GJ-50。為降低雷電流高頻成分對線路參數(shù)的影響，導線與避雷線均采用Jmarti模型來反映頻率與線路參數(shù)間關系及分布損耗特性[14]。

為考慮雷電波在桿塔上的傳播過程，同時體現(xiàn)桿塔橫擔和支架線段等部位及不同高度處阻抗的變化，采用Hara提出的無損多阻抗桿塔模型[15]。圖1給出了桿塔結構及其等效電路模型。

圖1 桿塔結構及其等效模型Fig.1 Structure of tower and its circuit mode

圖1 中，Zt為桿塔主干波阻抗，ZL為桿塔支架波阻抗，ZA為桿塔橫擔波阻抗。

主干波阻抗Ztk通過下式計算[11]：

式中，

實驗測量數(shù)據(jù)表明，支架的存在使得波阻抗下降10%左右，支架波阻抗ZLk可以通過下式估算：

橫擔可以看作簡單的水平導體來計算其波阻抗，具體計算如下：

式中：hk為第k個橫擔高度；rAk為等效半徑，取橫擔與主干連接長度的1/4。

1.3 絕緣子串模型

絕緣子串閃絡的常見判據(jù)有規(guī)程法[13]、相交法[12]和先導法[16]。規(guī)程法應用于同塔多回線路雙回同時閃絡判斷與實際運行結果差別較大，先導法考慮了閃絡整個物理過程，分析結果十分精確，但模型參數(shù)過于設置復雜，因此本文選用較為精確，模型相對簡單的相交法。

220 kV等級線路絕緣子串采用18片XWP2-70型絕緣子，絕緣子串的伏秒特性根據(jù)文獻測算而得。

1.4 沖擊接地模型

桿塔工頻接地電阻模型無法體現(xiàn)雷電流對土壤的電離效應。當雷電流幅值較大時，接地體周圍土壤被擊穿導致電離，這種效應相當于增加了接地體的尺寸，從而降低接地體電阻。為體現(xiàn)電離效應，仿真中接地電阻模型采用CIGRE大電流特性模型，沖擊接地電阻與電流存在如下關系[17]：

式中：I為流過接地體的雷電流；Ig為土壤臨界擊穿電流；R0為接地體工頻接地電阻。

土壤臨界擊穿電流Ig通過下式計算：

式中：ρs為土壤電阻率；r為表面積相等的半球電極半徑，；Ec為土壤臨界擊穿場強，與土壤電阻率有關[11]：

1.5 避雷器模型

由于EMTP自帶的避雷器模型無法準確表示避雷器帶串聯(lián)間隙，仿真中用壓控開關與非線性電阻串聯(lián)模型來模擬，見圖2[18]。當避雷器兩端電壓超過間隙擊穿電壓時，避雷器動作，相當于開關閉合。避雷器動作后，其兩端電壓與電流符合下式關系[19]：

式中：i為流經(jīng)避雷器的電流；Ur為避雷器兩端電壓；k與α根據(jù)具體參數(shù)擬合而得。

圖2 串聯(lián)間隙避雷器模型Fig.2 Equivalent model of the line arrester

220 kV線路安裝帶串聯(lián)間隙線路型金屬氧化物避雷器，型號為YH10CX-180/520，避雷器額定電壓為180kV，直流參考電壓U1mA不小于260kV，8/20μs 10 kA雷電流沖擊下殘壓為520 kV。

2 仿真結果分析

2.1 避雷器配置方式

圖3給出了雷擊桿塔塔頂時雙回線路未安裝避雷器與各相均安裝避雷器時絕緣子串電壓波形。雷電流幅值150 kA，桿塔工頻接地電阻取4 Ω。

圖3 安裝避雷器前后絕緣子串電壓波形Fig.3 Voltage across the insulator string without and with line arresters

由圖3可看出，雷電流幅值為150 kA時，同一橫擔處線路A、B兩相均發(fā)生了閃絡，即線路發(fā)生了四相閃絡。當線路各相均安裝避雷器后，絕緣子串兩端過電壓得到了有效抑制，各相均未發(fā)生閃絡，安裝避雷器的防護效果較明顯。

圖4給出了分別安裝4支、5支、6支避雷器的配置方式。安裝4支方式有6種，安裝5支避雷器配置方式有3種，安裝6支避雷器配置方式有1種，分別記為1-10。

圖4 避雷器配置方式Fig.4 Configuration method of line arresters

圖5 給出了不同避雷器配置方式下線路反擊耐雷水平。

由圖5可看出，避雷器配置數(shù)量越多，線路耐雷水平越高。避雷器安裝數(shù)量相同情況下，線路耐雷水平受避雷器安裝位置影響。4支配置方式下耐雷水平差別較為明顯，方式3的耐雷水平最高，即一側3相與另一側上相安裝避雷器。5支配置方式下耐雷水平差別不大，方式8的耐雷水平最高，即一側3相與另一側上相、中相安裝避雷器。

圖5 給出了同避雷器配置方式下線路反擊耐雷水平Fig.5 Lightning protection level due to back flashover in all configurations

2.2 接地電阻影響

圖6給出了避雷器配置3、8、10方式下線路反擊耐雷水平隨桿塔接地電阻變化。

圖6 耐雷水平隨接地電阻變化Fig.6 Lightning protection level vs tower grounding resistances

圖6 表明，無論采取何種避雷器配置方式，線路反擊耐雷水平均隨著桿塔接地電阻的增大而降低，降低幅度逐漸趨緩。因為接地電阻的增大，導致桿塔橫擔電位增加，從而增大絕緣子串上的電壓，降低了線路耐雷水平，因此需要盡可能降低桿塔接地電阻。

2.3 工頻電壓影響

圖7給出了避雷器配置3、8、10方式下線路反擊耐雷水平隨線路工頻電壓相位角變化情況，桿塔工頻接地電阻4 Ω，上、中、下相初始相位分別為0°、-120°、120°。

從圖7可看出，線路耐雷水平受工頻電壓相位角變化影響，呈現(xiàn)近似弦波變化，但是受雷電波在桿塔不同位置處傳遞過程等因素影響，耐雷水平變化幅度不一，且變化幅度均不大。

圖7 耐雷水平隨工頻電壓相位角變化Fig.7 Lightning protection level vs the phase angle

2.4 避雷器與絕緣子串最小安全距離

避雷器能夠顯著提高線路耐雷水平，但當避雷器與絕緣子串并行間距過小時，雷電過電壓便會擊穿避雷器與絕緣子串間隙空氣發(fā)生側向閃絡，對絕緣子串造成危害，避雷器也無法起到保護作用[20]。因此，避雷器與絕緣子串存在一個最小安全距離，見圖8[20]。

圖8 避雷器與絕緣子串間最小安全距離Fig.8 Minimum safety distance required between the line arrester and the insulators string

圖9 給出了200 kA雷電流擊中桿塔塔頂時，不同避雷器配置方式下，避雷器與絕緣子串間最小安全距離。在仿真中避雷器與絕緣子串并行間距采用壓控開關模擬，擊穿電壓根據(jù)相關試驗結果選取[20]。

圖9 最小安全距離隨避雷器配置方式變化Fig.9 Minimum safety distance vs different configurations

從圖9可看出，避雷器與絕緣子串間最小安全距離隨著避雷器安裝數(shù)量的增加而降低。因為避雷器數(shù)量越多，單個避雷器分流和能量吸收越少。同時，最小安全距離隨著接地電阻的增大而增加，最小安全距離的增加給桿塔設計與避雷器的安裝帶來不便，需要盡量降低桿塔接地電阻。

3 結論

本文在EMTP中建立220 kV同塔雙回輸電線路模型，分析避雷器配置方式對線路耐雷水平的影響，得到如下結論：

1）安裝避雷器后能夠顯著提升線路耐雷水平，且避雷器安裝數(shù)量越多，耐雷水平提升越高。

2）4支避雷器配置方式下，推薦在一側3相與另一側上相安裝；5支配置方式下，推薦在一側3相與另一側上相、中相。

3）線路耐雷水平隨著桿塔接地電阻的增加而顯著降低。

4）線路耐雷水平受工頻電壓相位角影響，但受影響變化幅度不大。

5）避雷器與絕緣子串最小安全距離隨著避雷器安裝數(shù)量的增加而減小，隨著桿塔接地電阻的增加而增大。