胡 京， 張敦晶， 周龍武， 鄒建章， 張 宇， 饒斌斌， 廖昊爽， 況燕軍， 李 帆

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，南昌 330096；2.南昌大學信息工程學院，南昌 330031)

0 引言

由于特高壓直流輸電線路桿塔高，輸送距離遠，所經(jīng)地形復雜，大大增加了特高壓直流輸電線路遭受雷擊的概率，因此需要加強特高壓直流輸電線路的防雷保護[1-2]。線路避雷器作為減少線路雷擊跳閘的有效手段，在各電壓等級交直流輸電線路均有應用[3-7]。

特高壓直流線路避雷器由于本體長度、荷載、安裝難度等原因，一般采用桿塔立柱式及拉V式裝設方案[8]。這兩種安裝方案中由于避雷器接地段并不位于絕緣子掛點附近，因此電氣上避雷器與被保護的絕緣子并非直接的并聯(lián)關系，在遭受雷擊時，避雷器與絕緣子的絕緣配合關系須要進行深入研究。

本研究依據(jù)行波理論，主要對雷擊線路時桿塔上各點的過電壓分布特性、以及避雷器在桿塔上的裝設位置對避雷器保護裕度的影響等問題進行研究，指導避雷器在特高壓直流桿塔上的裝設，提高線路的防雷保護效果。

1 導體上的波過程分析

對于一段具有一定長度的導體，每微段的導體都會呈現(xiàn)自感和對地電容[9]，圖1為導體微段等值電路，當其受到電壓或電流沖擊，臨近受擊點微段上的電容立即充電，并向相鄰的電感放電，電感充電一段時間后接著再向相鄰的電容進行放電，如此循環(huán)充放電的過程使得在導體周圍形成了電場和磁場，電壓波和電磁波在導體上傳播的過程實質上就是電磁波沿導體傳播的過程。

圖1 導體微段等值電路Fig.1 Equivalent circuit of conductor segment

根據(jù)節(jié)點電流方程∑i=0及回路電壓方程∑u=0可得方程組

(1)

經(jīng)整理后可得

(2)

式中：L0為單位長度電感，C0為單位長度電容。

方程組(2)通過拉普拉斯變換求解后再轉換至時域形式下的解為

(3)

(4)

式中：if為反行電流波，ib為前行電流波，uf為反行電壓波，ub為前行電壓波，v為波的傳播速度，在架空線路中傳播的速度接近光速3×108m/s。所以對于雷擊線路來說，雷電流在桿塔及導線上的傳播過程是兩類運動方向相反的波在導體上交錯影響的過程，因此不宜使用規(guī)程法進行雷擊過電壓計算，需從波的傳播特性來考慮，選擇行波法進行研究計算。

2 計算模型及線路參數(shù)

2.1 桿塔模型

常見的特高壓直流桿塔有V串自立式直線塔和干字形耐張塔[10]，塔型如圖2所示。

圖2 主要特高壓直流輸電桿塔Fig.2 Main UHVDC transmission tower

在整個直流輸電線路工程中，一般情況下直線塔占大多數(shù)，所以本研究選用直線塔作為研究對象。由于特高壓直流桿塔都比較高，在模型選擇上宜選用多波阻抗模型[11-13]，采用日本學者Hara提出的無損線桿塔模型，將桿塔分為主材、斜材和橫擔，按照各部分的尺寸計算出相應的波阻抗[14-15]。主材部分的波阻抗計算公式為

(5)

(6)

式中hk、rTk、r′B、RTk、R′B、rB、RB意義如圖3(a)所示，等效后的桿塔多波阻抗模型如圖3(b)所示。

圖3 桿塔等效模型Fig.3 Equivalent model of tower

斜材部分的波阻抗為相應主材波阻抗的9倍，長度為相應主材長度的1.5倍，

ZLk=9ZTk;k=1,2,3

(7)

橫擔部分的波阻抗計算公式為

(8)

式中rAk為等值半徑，取橫擔和主材連接長度的1/4。

2.2 線路參數(shù)

特高壓直流線路的輸送容量大，本研究選用的線路參數(shù)如表1所示。

表1 線路數(shù)據(jù)Table 1 Line parameters

其中導線的分裂間距取500 mm，檔距取400 m。

2.3 雷電流計算模型

i=I0(eαt-eβt)

(9)

式中：I0為某一固定雷電流值；α、β為常數(shù)，由雷電流的波形確定，α與半波峰時間有關，β與波前時間有關，t為作用時間。按DL/T 620-1997標準中的推薦，采用標準雷電流2.6/50 μs。

3 雷擊桿塔過電壓分布特性

ATP-EMTP是根據(jù)行波法編寫的電磁暫態(tài)計算軟件，它集合了分布參數(shù)元件及集中參數(shù)元件的離散數(shù)值解法，并且在線路耦合方面考慮了元件的頻率特性，是目前廣泛應用的暫態(tài)計算程序[16-17]。本研究運用ATP-EMTP計算雷擊±800 kV直流線路桿塔上各節(jié)點的過電壓。雷擊桿塔的雷電流最大幅值取-120 kA，接地電阻取15 Ω，雷擊線路分反擊與繞擊，分別對兩者的過電壓分布特性進行分析，桿塔上研究的節(jié)點如圖3(b)所示。

3.1 反擊過電壓分布特性分析

反擊以雷擊桿塔為例，雷擊從0時刻開始，仿真時長為10 μs，為保證雷擊時刻線路兩極導線對地電位是+800 kV和-800 kV，線路電壓源用交流電源，起始時間設置為-1，頻率設置為1×10-10Hz(下文所有仿真的線路電壓源設置與此相同)，反擊過電壓仿真電路如圖4所示。桿塔上節(jié)點1～節(jié)點4、正極導線、負極導線的過電壓波形如圖5所示。

圖4 雷擊桿塔過電壓仿真圖

圖5 雷電反擊時桿塔節(jié)點與極導線的對地電位波形

根據(jù)圖5可知，在-120 kA雷電流波雷擊塔頂?shù)淖饔孟?，正極性導線和負極性導線的對地電位都下降了800 kV左右。節(jié)點1和節(jié)點2的對地電位波形大致重合，并且在3 μs之前，節(jié)點1和節(jié)點2的對地電位幅值都大于節(jié)點3，在這4個節(jié)點中，節(jié)點4的對地電位幅值最小。

從行波原理上分析，雷擊桿塔時，雷電流波傳播路徑分為“桿塔—大地”和“桿塔—地線”兩種。根據(jù)行波特點，雷電流波經(jīng)雷擊點向周圍波阻抗傳播，由于波阻抗值的不同發(fā)生折反射，傳播至地線的雷電流波經(jīng)線路的耦合作用對導線對地電位產生影響，因此兩極導線對地電位發(fā)生了變化。在負極性雷電流的作用下，以大地為零電位作為參照，桿塔上的行波傳播至大地的路徑越長，對地電位越低，因此位于離地同一高度的橫擔處的節(jié)點1和節(jié)點2的對地電位大致相同，且高于位于塔身低處的節(jié)點3與節(jié)點4的對地電位。

3.2 繞擊過電壓分布特性分析

正極性導線引雷能力比負極性導線強，繞擊以雷擊正極性導線為例，雷擊從0時刻開始，仿真時長為10 μs，繞擊過電壓仿真電路如圖6所示。

圖6 雷擊正極性導線過電壓仿真圖

極導線的過電壓波形如圖7所示，節(jié)點1～節(jié)點4的過電壓波形如圖8所示。

圖7 雷擊正極性導線時極導線的對地電位波形

圖8 雷擊正極性導線時桿塔節(jié)點的對地電位波形

由圖7和圖8可知，正極性導線經(jīng)-120 kA雷電流擊中后，經(jīng)過2.6 μs左右，正極性導線的對地電位迅速下降至-12 MV左右，負極性導線的對地電位下降至4.8 MV左右，而桿塔上的4個節(jié)點中的最低對地電位為-500 kV左右，遠高于極導線的對地電位。從零時刻開始，到桿塔節(jié)點的對地電位下降至最低時刻，對地電位的大小排序為節(jié)點4>節(jié)點3>節(jié)點2>節(jié)點1。

一體化體育課程體系建成什么樣？所謂一體化體育課程，就是要建設縱向銜接、橫向一致、內在統(tǒng)一和形式聯(lián)合的系統(tǒng)化體育課程[4]。如何建成這樣的課程，不是閉門造車，更不是全盤西化，是要在學習國外體育課程建設先進經(jīng)驗，了解國內學校教育發(fā)展實際，并注重中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承的基礎上的能夠與國際接軌的一體化課程。不同國家通常圍繞著特定的目標、價值觀、學科內容和標準來組織其國家課程，以實現(xiàn)應該鼓勵每個學生在每個層次上達到的目標，盡管在嚴謹性、特異性、覆蓋率的具體程度不同[5]。本文通過對美國、英國、俄羅斯、新西蘭、日本等部分國家的體育課程經(jīng)驗分析，探尋能夠與國際接軌又具有中國特色是一體化體育課程體系。

雷擊導線時，由于桿塔上的波阻抗比導線的波阻抗復雜，相同時間段內行波在桿塔上發(fā)生折反射的次數(shù)比在導線上多，形成的眾多反射波削弱了波幅值的增長趨勢，并且桿塔上的波來自導線耦合至地線，地線上的波幅值遠小于導線上的波幅值，因此極導線上的電壓波幅值遠大于桿塔節(jié)點上的電壓波幅值。由于波在桿塔節(jié)點上離地傳播路徑的長度排序為節(jié)點4<節(jié)點3<節(jié)點2<節(jié)點1，因此桿塔上的對地電位的大小排序正好與此相反，即節(jié)點4>節(jié)點3>節(jié)點2>節(jié)點1。

4 特高壓直流線路避雷器保護性能分析

4.1 保護裕度系數(shù)及計算參數(shù)

目前在運特高壓線路避雷器的裝設方式主要為桿塔立柱式[18]及拉V式裝設方案[8]兩種，裝設示意圖如圖9所示。由于特高壓直流輸電線路絕大部分雷擊均發(fā)生于正極，且避雷器一般也僅安裝于正極，因此下文也僅針對正極安裝避雷器進行仿真。

由圖9可知，避雷器的一端與導線連接，另一端與桿塔連接，而與桿塔連接點往往與絕緣子在桿塔上的懸掛點不同，由章節(jié)3可知，線路遭受雷擊時，桿塔上不同位置的過電壓往往不同，因此避雷器的懸掛點會對避雷器的保護性能產生影響。

圖9 特高壓直流桿塔避雷器裝設方式

本研究針對避雷器裝設位置的保護性能提出一個保護裕度系數(shù)K的概念，其表達式如式(10)所示。

(10)

式中：U50%為絕緣子串50%沖擊放電電壓，Uj為避雷器達到動作前的最大電壓時，線路絕緣子串兩端電壓(導線側對地電位減去桿塔側對地電位)。

本研究選取放電間隙為2 200 mm的YH30CLX-960/1900型避雷器，其雷電50%沖擊放電電壓為≤2 700 kV，動作電壓取2 700 kV，線路絕緣子串50%沖擊放電電壓U50%按式(11)計算[19]

(11)

式中：U50%為絕緣子串50%沖擊放電電壓(kV)，t為過電壓作用時間(μs)，取10 μs，L為絕緣子串長度，取9.6 m，代入計算后得U50%=5 052 kV。計算時的最大雷電流幅值取-120 kA，統(tǒng)計表明超過該幅值的雷電流占比在3%以下[20]，可涵蓋絕大部分情況。圖9中避雷器的位置參數(shù)L1～L3的取值分別為17.5 m、8.3 m、14.7 m。

4.2 雷電反擊時特高壓直流線路避雷器保護裕度

反擊以雷擊塔頂為例，分別考慮接地電阻[21-22]和塔高對兩種避雷器裝設方式的保護裕度的影響[23-24]。

4.2.1 雷電反擊時接地電阻對避雷器保護裕度的影響

接地電阻取值15 Ω～35 Ω，呼高為66 m，2種避雷器裝設方案下的保護裕度如圖10所示，避雷器動作前絕緣子串承受的最大電壓Uj如表2所示。

圖10 不同避雷器裝設方式在不同接地電阻下的保護裕度系數(shù)

表2 不同避雷器裝設方式在不同接地電阻下的Uj

接地電阻的增大，削弱了雷電流在“桿塔—大地”這一路徑泄流的能力，從而增大了桿塔上各節(jié)點的對地電位，因此在相同時間內，塔身處節(jié)點對地電位的幅值增長速度隨著對地電位的增大而增大。由圖10可知，接地電阻從15 Ω變化至40 Ω，拉V式和桿塔立柱式的避雷器保護裕度都呈上升趨勢。由表2可知，接地電阻在20 Ω時，對于避雷器動作前絕緣子串兩端承受的最大電壓Uj，桿塔立柱式比拉V式高94.8 kV，整體上，拉V式避雷器裝設方案的保護裕度高于桿塔立柱式。避雷器采用拉V式方案時在桿塔上連接的位置比桿塔立柱式高2.8 m。在負極性雷作用下，位于桿塔越高處的節(jié)點對地電位越低，則與正極性導線的電位差越大，因此與桿塔高處連接的拉V式避雷器裝設方案能更快使避雷器發(fā)生動作，降低線路絕緣子承受的最大過電壓幅值，增大避雷器保護裕度。

4.2.2 雷電反擊時塔高對避雷器保護裕度的影響

呼高取值66 m、72 m、78 m、84 m、90 m，接地電阻為15 Ω，兩種避雷器裝設方案下的保護裕度如圖11所示，避雷器動作前絕緣子串承受的最大電壓Uj如表3所示。

圖11 不同避雷器裝設方式在不同桿塔高度下的保護裕度系數(shù)

表3 不同避雷器裝設方式在不同桿塔高度下的Uj

綜合圖11和表3可知，隨著塔高的增加，桿塔立柱式和拉V式的Uj幅值分別在3 317.2 kV和3 216.9 kV附近波動，且波動幅值均小于3 kV，兩種避雷器裝設方案的保護裕度變化趨于平穩(wěn)。桿塔呼高對兩種避雷器裝設方案的影響不大，整體上避雷器方案的保護裕度大小的排序為拉V式>桿塔立柱式。

4.3 雷電繞擊時特高壓直流線路避雷器保護裕度

繞擊以雷擊正極性導線為例，分別考慮接地電阻和塔高對三種避雷器的保護裕度的影響。

4.3.1 雷電繞擊時接地電阻對避雷器保護裕度的影響

接地電阻取值15 Ω～35 Ω，呼高為66 m，2種避雷器裝設方案下的保護裕度如圖12所示，避雷器動作前絕緣子串承受的最大電壓Uj如表4所示。

圖12 不同避雷器裝設方式在不同接地電阻下的保護裕度系數(shù)

表4 不同避雷器裝設方式在不同接地電阻下的Uj

負極性雷擊導線導致桿塔和導線上產生負極性對地電位，且桿塔高處的對地電位幅值大于桿塔低處的對地電位幅值，因此導線與塔身低處節(jié)點的電位差大于導線與高處橫擔節(jié)點的電位差。從表4中可知，接地電阻為20 Ω時，采用桿塔立柱式時的Uj比拉V式少12.2 kV。接地電阻的增大，加快了塔身處節(jié)點對地電位的幅值增長速度，由圖10可知，隨著接地電阻的增大，避雷器采用桿塔立柱式和拉V式的保護裕度呈下降趨勢，但整體上兩種避雷器方案的保護裕度大小的排序為桿塔立柱式>拉V式。

4.2.2 雷電繞擊時塔高對避雷器保護裕度的影響

呼高取值66 m、72 m、78 m、84 m、90 m，接地電阻為15 Ω，2種避雷器裝設方案下的保護裕度如圖13所示，避雷器動作前絕緣子串承受的最大電壓Uj如表5所示。

圖13 不同避雷器裝設方式在不同桿塔高度下的保護裕度系數(shù)

表5 不同避雷器裝設方式在不同桿塔高度下的Uj

由圖13和表5可知，桿塔呼高從66 m增加至90 m，避雷器采用桿塔立柱式和拉V式的Uj分別在2 602.1 kV和2 615.5 kV左右，變化幅度均不超過1 kV，保護裕度系數(shù)也分別穩(wěn)定在1.941 5和1.931 6左右，塔高對兩種避雷器裝設方案的Uj和保護裕度影響較小。兩種避雷器方案的保護裕度大小的排序為桿塔立柱式>拉V式。

根據(jù)文獻[1]中對±800 kV酒湖線耐雷水平的分析，無避雷器情況下，接地電阻為30 Ω時的反擊耐雷水平為362 kA，繞擊耐雷水平為57 kA，在實際情況下，最大雷電流幅值超過120 kA的可能性小于3%，因此，避雷器主要是提高繞擊的耐雷水平，避雷器的裝設方案應參考繞擊情況下的保護裕度。

5 結論

本研究考慮了波在桿塔上的傳播過程，利用ATP-EMTP仿真分析了雷擊特高壓直流桿塔時的過電壓暫態(tài)分布特性，并根據(jù)兩種避雷器安裝方案進行保護裕度分析，得出以下結論：

1)接地電阻對避雷器保護裕度產生影響。雷電反擊作用下，隨著接地電阻的增大，桿塔立柱式和拉V式的避雷器保護裕度增大，懸掛式的避雷器保護裕度有輕微減小趨勢；雷電繞擊作用下，隨著接地電阻的增大，桿塔立柱式和拉V式的避雷器保護裕度減小，懸掛式的避雷器保護裕度有輕微增大趨勢。塔高對避雷器保護裕度的影響較小。

2)兩種避雷器裝設方案中，反擊時的保護裕度排序為拉V式>桿塔立柱式，繞擊時的保護裕度排序為桿塔立柱式>拉V式。

3)特高壓直流線路避雷器主要是針對繞擊保護，因此特高壓直流線路避雷器兩種裝設方案應主要考慮繞擊情況下的保護裕度，桿塔立柱式的保護裕度比拉V式高。因此，就避雷器保護裕度而言，桿塔立柱式是特高壓直流避雷器在桿塔上最優(yōu)裝設方案。