羅楚楠，張 勝，黃一威

(1.廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司,廣州 510160；2.北京煜邦電力技術(shù)股份有限公司,北京 100029；3.上海電力大學電氣工程學院，上海 200090 )

0 引言

隨著社會物質(zhì)水平及工業(yè)水平的不斷發(fā)展，能源消耗量逐年攀升，然而能源聚集區(qū)與能源消耗區(qū)往往距離較遠，我國東部沿海城市對能源的需求量極大，能源卻主要分布在西部等地區(qū)，這就需要大范圍、遠距離電力傳輸[1]。近年來，國家大力支持高壓輸電線路的建設(shè)，220 kV、500 kV甚至更高電壓等級的線路正逐年增加[2-3]。所以雷擊導(dǎo)致高壓輸電線路跳閘故障的情況隨之增加，雷擊已經(jīng)成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素。

在實驗室環(huán)境下難以對雷云放電的物理過程進行分析，加上雷云放電的隨機性很強，現(xiàn)如今國內(nèi)外對雷云放電的物理過程掌握的不夠全面，加上國內(nèi)外只有為數(shù)不多的觀測站，已知的多重雷參數(shù)較少，以往學者在研究輸電線路防雷時都只考慮了單次雷擊的影響，鮮有人考慮多重雷擊情況下輸電線路的暫態(tài)響應(yīng)。Thottappillil等人在文獻[4]中已經(jīng)證明1/3至1/2的地面落雷為多重落雷，這種落雷一般有兩個及以上的落點。雖然輸電線路同一地點一般不會出現(xiàn)多重雷擊，但由于其呈線性分布，極易出現(xiàn)有幾個落點的多重雷擊的情況。

本研究首先分析了輸電線路遭受多重雷擊機理，然后采用ATP/EMTP軟件搭建了220 kV架空輸電線路模型，分析了考慮多重雷擊的輸電線路雷電暫態(tài)過程并計算了繞擊和反擊情況下的線路暫態(tài)電壓。

1 多重雷擊機理

雷云放電是一種長氣隙放電過程，雷云下方首先發(fā)生電暈放電，隨后發(fā)展成為流注，當溫度升高到一定值時流柱匯集成為先導(dǎo)，先導(dǎo)向地面發(fā)展從而逐漸形成雷云放電通道[5-9]。雷擊地面物體，通常認為是地面物體先形成上行先導(dǎo)，上行先導(dǎo)和下行先導(dǎo)匯合時雷云放電通道貫穿，隨后產(chǎn)生首次雷擊。首次雷擊后通常會有兩次及以上后續(xù)雷擊，通常認為多次雷擊之間的時間差為60 ms[10-13]。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 雷電流模型及參數(shù)

雷電流源用如圖1所示的包含波前時間Tf、波長時間Tt及雷電流幅值Im的波形加以表示[14-17]。由于線路遭受雷擊后過電壓值在1 ms內(nèi)就已經(jīng)衰減至穩(wěn)態(tài)值，此數(shù)據(jù)遠低于多重雷擊的時間間隔，所以可每次只加一次雷擊，且三重及以上雷擊規(guī)律與首次和二次雷擊相同，故筆者只分析了首次雷擊及二次雷擊兩種情況。采用雙指數(shù)函數(shù)表示雷電流，表達式見式(1)。

I(t)=KIm(e-αt-e-βt)

(1)

其中K為雷電流幅值修正系數(shù)，Im為雷電流峰值，α和β分別為波前衰減系數(shù)和波尾衰減系數(shù)。

采用國際標準IEC 61312-1所規(guī)定的雷電流參數(shù)，首次雷擊參數(shù)為10/350 μs，后續(xù)雷擊參數(shù)為0.25/100 μs[18-19]。由于后續(xù)雷擊時雷電流幅值相對于首次雷擊低，本研究設(shè)首次雷擊和后續(xù)雷擊的雷電流幅值分別為100 kA、40 kA。

圖1 雷電流波形Fig.1 Lightning current waveform

2.2 桿塔模型

在電磁暫態(tài)領(lǐng)域，所搭建的設(shè)備模型會隨著頻率范圍的變化而變化，CIGRE將頻率范圍劃分為4個領(lǐng)域，即：暫時過電壓領(lǐng)域、緩波前過電壓領(lǐng)域、快波前過電壓領(lǐng)域、特快波前過電壓領(lǐng)域，它們所對應(yīng)的頻率范圍見表1，通常在對輸電線路進行建模時，不需要考慮桿塔的影響，但是雷電流頻率很高，雷電波在桿塔中的傳播過程對線路過電壓有很大影響，故桿塔不可忽視。

表1 過電壓對應(yīng)頻率Table 1 Corresponding frequency of overvoltage

設(shè)220 kV同塔雙回輸電線路桿塔見圖2，為更加精細地表示桿塔形狀，將桿塔拆分為主材、斜材及橫擔3個部分，并用無損線路加以表示。桿塔所采用的是波多阻抗桿塔模型，其結(jié)構(gòu)見圖3，Rch為接地阻抗，取5 Ω，ZAk為橫擔阻抗，ZTk為桿塔阻抗，ZLk為支架阻抗，各部分的波阻抗用如下公式進行計算[3,18-23]。

(2)

(3)

(4)

ZLk=9ZTk，k=1,2,3,4

(5)

(6)

式中rAk的取值為橫擔和主材連接長度的1/4。

圖2 220 kV同塔雙回輸電線路桿塔Fig.2 220 kV double-circuit transmission lines on the same tower

圖3 桿塔多波阻抗模型Fig.3 Multi-wave impedance model of a tower

2.3 絕緣子閃絡(luò)模型

研究雷擊輸電線路時需要考慮絕緣子的閃絡(luò)情況，目前應(yīng)用較為廣泛的絕緣子閃絡(luò)判據(jù)方法包括規(guī)程法、先導(dǎo)法及相交法3種。經(jīng)驗表明，采用規(guī)程法所得結(jié)果與實際結(jié)果相比偏小，而采用先導(dǎo)法進行計算時設(shè)置參數(shù)復(fù)雜，且誤差較大，而采用相交法所得計算結(jié)果與實際運行情況相差甚小。圖4為相交法閃絡(luò)判據(jù)原理圖，t1為閃絡(luò)時間點，Uf為閃絡(luò)電壓。當絕緣子兩端過電壓曲線與相應(yīng)的伏秒特性曲線相交時即判定為絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。

圖4 絕緣子模型Fig.4 The model of insulator

2.4 輸電線路參數(shù)及模型

220 kV同塔雙回架空輸電線路采用型號為LGJ-300/40的二分裂鋼芯鋁絞線，分裂間距為40 cm，架空地線采用型號為GJ-35的鋼絞線，導(dǎo)線的具體參數(shù)見表2。

表2 導(dǎo)線參數(shù)Table 2 Traverse parameters

3 仿真結(jié)果分析

在搭建EMTP電磁暫態(tài)仿真模型時，土壤電阻率取500 Ω/m，線路用分布參數(shù)模型，每段取5 km，桿塔接地電阻取10 Ω。建立10基桿塔的EMTP模型。圖5為220 kV架空輸電線路遭受直擊雷示意圖，筆者計算雷擊輸電線路檔距中央、桿塔塔頂及避雷線中央3種情況下線路過電壓值，因為過電壓值越大對應(yīng)危害越大，故后文只給出了過電壓最大的一相輸電線路電壓值。

圖5 220 kV架空輸電線路遭受直擊雷示意圖Fig. 5 220 kV overhead transmission line suffer from direct lightning strike

3.1 繞擊雷電過電壓

為分析輸電線路在遭受首次雷擊和后續(xù)雷擊兩種情況下的過電壓，首先計算了首次及后續(xù)雷電繞擊輸電線路時雷擊點處線路上的過電壓，見圖6。

圖6 雷擊線路過電壓Fig. 6 Lightning strike line overvoltage

由圖6(a)可知，首次雷擊輸電線路后線路上的會產(chǎn)生過電壓，經(jīng)過1.1 μs達到最大值2.18 MV，隨后逐漸震蕩并衰減，經(jīng)過約0.3 ms衰減至穩(wěn)態(tài)值。由圖6(b)可知，后續(xù)雷擊輸電線路后線路過電壓變化趨勢與首次雷擊的變化規(guī)律類似，上升到峰值的時間為0.5 μs，峰值為2.51 MV，衰減時間約為0.15 ms。即使后續(xù)雷擊的雷電流幅值僅為首次雷擊的40%，但在輸電線路上產(chǎn)生的雷電過電壓卻比首次雷擊還高15.14%；從雷擊瞬間到暫態(tài)電位升高至峰值的時間對于輸電線路防雷保護具有一定的參考價值，后續(xù)雷擊的過電壓上升時間約等于首次雷擊的一半。無論從過電壓大小還是從過電壓升壓時間分析，后續(xù)雷擊輸電線路的危害都比首次雷擊大。

3.2 反擊時輸電線路過電壓

雷擊桿塔塔頂以及避雷線時，都會在輸電線路上產(chǎn)生過電壓，圖7為雷擊塔頂時輸電線路的電壓，由圖7(a)可知，首次雷擊桿塔塔頂時，輸電線路上產(chǎn)生的過電壓經(jīng)過5.5 μs后上升至最大值1.55 MV，此后電壓值震蕩衰減，經(jīng)過約0.8 ms后衰減至穩(wěn)態(tài)，震蕩幅度逐漸降低；由圖7(b)可知，桿塔塔頂遭受后續(xù)雷擊后輸電線路上產(chǎn)生的過電壓經(jīng)過3.1 μs后上升至最大值0.78 MV，大約經(jīng)過0.35 ms后震蕩衰減至穩(wěn)態(tài)值。比較圖7(a)、圖7(b)有如下結(jié)論：雷擊桿塔塔頂時，首次雷擊比后續(xù)雷擊在輸電線路中所產(chǎn)生的過電壓高一倍左右，且首次雷擊時過電壓衰減過程中的震蕩頻率比后續(xù)雷擊的更高，但是后續(xù)雷擊所產(chǎn)生的過電壓上升至峰值的時間比首次雷擊低43.64%，綜合考慮以上因素，首次雷擊桿塔塔頂時，首次雷擊擊對輸電線路危害更嚴重，但后續(xù)雷擊也不可忽視。

圖7 雷擊桿塔塔頂時線路過電壓Fig.7 Overvoltage on the transmission line when the top of the tower is struck by lightning

雷擊避雷線檔距中央時，計算輸電線路中的過電壓值見圖8。首次雷擊避雷線時，輸電線路中過電壓值經(jīng)過5.2 μs后上升至最大值1.52 MV，隨后逐漸震蕩并衰減，經(jīng)過約0.9 ms衰減至穩(wěn)態(tài)值，比較圖7(a)和圖8(a)可知，首次雷擊桿塔塔頂和首次雷擊避雷線檔距中央兩種情況下線路過電壓曲線基本吻合；后續(xù)雷擊避雷線檔距中央時輸電線路上的過電壓最大值為0.41 MV，僅為正常工作電壓幅值的1.32倍，過電壓波形最后也沒有衰減至零值，即說明后續(xù)雷擊避雷線時會在線路上產(chǎn)生較小的過電壓，但是不會引起線路故障，比較圖6(b)和圖7(b)可知，后續(xù)雷擊桿塔塔頂和后續(xù)雷擊避雷線檔距中央兩種情況下線路過電壓有明顯區(qū)別。

圖8 雷擊避雷線檔距中央時線路過電壓Fig.8 Overvoltage on the transmission line when the Lightning line is struck by lightning

4 結(jié)論

1)輸電線路遭受雷擊時，線路上會出過電壓。

2)后續(xù)雷擊輸電線路后線路過電壓變化趨勢與首次雷擊的變化規(guī)律類似，即使后續(xù)雷擊的雷電流幅值僅為首次雷擊的40%，但在輸電線路上產(chǎn)生的雷電過電壓卻比首次雷擊還高15.14%；后續(xù)雷擊的過電壓上升時間約等于首次雷擊的一半。無論從過電壓大小還是從過電壓升壓時間分析，后續(xù)雷擊輸電線路的危害都比首次雷擊大。

3)雷擊桿塔塔頂時，首次雷擊比后續(xù)雷擊在輸電線路中所產(chǎn)生的過電壓高一倍左右，且首次雷擊時過電壓衰減過程中的震蕩頻率比后續(xù)雷擊的更高；后續(xù)雷擊避雷線檔距中央時線路過電壓僅為工作電壓幅值的1.32倍，首次雷擊避雷線時與雷擊桿塔塔頂?shù)倪^電壓變化規(guī)律基本吻合。綜合考慮以上因素，反擊情況下，首次雷擊對輸電線路危害更大。

綜上所述，繞擊時后續(xù)雷擊對線路危害更大，反擊時后續(xù)雷擊對線路危害更大，在輸電線路防雷保護設(shè)計時不應(yīng)只考慮首次雷擊，后續(xù)雷擊危害也應(yīng)加以考慮。