何光層，宮賀，段新杏，羅剛

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678000）

關(guān)鍵字：輸電線路；耐雷水平；電磁暫態(tài)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(guī)程法計算，規(guī)程法是按照中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《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(dǎo)線之間的耦合效應(yīng)，由于很多因素都是取平均導(dǎo)致計算結(jié)果偏于保守，導(dǎo)致防雷工程造價增加[1]。國際上已經(jīng)廣泛使用電磁暫態(tài)分析軟件對輸電線路各部分建模[2-3]，其仿真精度都要優(yōu)于規(guī)程法。使用雙指數(shù)波模擬的雷電流模型雖然擬合程度較高[4]，但其調(diào)制過程復(fù)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(fù)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?？紤]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(tài)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(luò)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(luò)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(tài)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(tài)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(gòu)建

本文采用電磁暫態(tài)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(shù)模擬雷電流。表達(dá)式為：

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

η為雷電流幅值校正系數(shù)，

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(dān)三個部分，在電磁暫態(tài)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(dǎo)體的對地高度，m；rek為k段導(dǎo)體的等效半徑，m。

第二，完善國家綠色金融支持體系。政府需要加快相關(guān)法律法規(guī)的制定以及政策實施，加速建設(shè)并完善金融支持體系，加強對綠色金融市場的管理控制，優(yōu)化市場準(zhǔn)入機制，從而最大限度的提高綠色金融對生態(tài)產(chǎn)業(yè)以及整個綠色產(chǎn)業(yè)的正效應(yīng)。

斜材計算公式：

橫擔(dān)計算公式：

式中：rAK為橫擔(dān)和主材鏈接長度的1/4，m。桿塔多波阻抗模型參數(shù)見表1。

表1 桿塔多波阻抗模型參數(shù)

1.3 架空線路模型

雷擊發(fā)生過程中其頻率變化范圍廣，故線路模型采用與頻率有關(guān)的JMarti 模型。JMarti模型是由J. R. Marti 博士提出的參數(shù)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(chǔ)上，通過多項式擬合線路的特性阻抗，然后結(jié)合有理函數(shù)的特點利用電阻、電容串并聯(lián)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(shù)電路，變?yōu)楹娏髟吹碾娮杈W(wǎng)絡(luò)模擬電力線路進行計算。

1.4 絕緣子串模型

電磁暫態(tài)分析軟件中利用TACS 開關(guān)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(luò)過程[10]。當(dāng)桿塔橫擔(dān)與導(dǎo)線之間的電位差大于絕緣子串伏秒特性值時，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)。

本文絕緣子串閃絡(luò)模型采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE絕緣子串閃絡(luò)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(fā)生到絕緣子串發(fā)生的時間，μs。

1.5 避雷器模型

式中：p和q為特性常數(shù)；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(shù)如表2 所示。

表2 避雷器非線性參數(shù)

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(jù)規(guī)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(yīng)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(guān)。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(nèi)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(yīng)，前后桿塔忽略火花效應(yīng)。發(fā)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(luò)波形（初相角0°），如表 3 所示為反擊耐雷水平計算結(jié)果。

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

不同工頻相位下的耐雷水平計算結(jié)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(luò)的雷電流幅值逐漸增大，說明更多相數(shù)的閃絡(luò)需要更大的雷電流才能實現(xiàn)；

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

3）在單相閃絡(luò)中，規(guī)程法計算耐雷水平小于電磁暫態(tài)分析軟件法，采用規(guī)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(tài)分析軟件法可計算出單相和多相耐雷水平，使防雷建設(shè)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(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，當(dāng)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(guān)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(jīng)避雷器流入導(dǎo)線進入下一基桿塔，使得導(dǎo)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(fā)生閃絡(luò)。

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(shè)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(shè)避雷器，其耐雷水平平均提高了106.00%；方式7 為三相均裝設(shè)避雷器，取雷電流為300 kA（自然界平均最大雷電流）時未發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。由此可知，兩相裝設(shè)避雷器的耐雷水平比單相裝設(shè)避雷器的耐雷水平提高了57.07%，三相裝設(shè)避雷器的耐雷水平比單相裝設(shè)避雷器的耐雷水平至少提高了260.97%，比兩相裝設(shè)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(shè)避雷器防雷效果最好，但考慮到成本因素以及該地區(qū)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(shè)避雷器其防雷效果最好。

表4 裝設(shè)避雷器反擊耐雷水平

圖4 避雷器安裝方式

3 結(jié)束語

1）通過電磁暫態(tài)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(lián)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(shè)避雷器其防雷效果最好，有效提高電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟型。