摘 要：本文分析防雷分布特性，并提出具體的防雷策略。利用電磁暫態(tài)程序計(jì)算原理，確立暫態(tài)計(jì)算的初始條件、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的解法及差值處理方法。通過設(shè)定激勵(lì)源模型、桿塔模型以及線路模型，構(gòu)建仿真環(huán)境，以精確模擬直流線路的閃絡(luò)特性以及雷擊時(shí)桿塔電位的分布特性。關(guān)注直擊雷、繞擊雷對(duì)桿塔電位的影響以及絕緣子串在雷擊條件下的過電壓表現(xiàn)。研究結(jié)果不僅揭示直流線路在雷擊時(shí)的電位分布和閃絡(luò)行為，而且還針對(duì)雷擊造成的過電壓?jiǎn)栴}提供防雷建議，以此增強(qiáng)線路的安全性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：±800kV特高壓；防雷；輸電線路

中圖分類號(hào)：TM 86" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

特高壓輸電線路作為電力系統(tǒng)的主要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)保證國家電力供應(yīng)具有關(guān)鍵作用。然而，在復(fù)雜多變的自然氣候條件下，特高壓輸電線路容易受到雷擊等外界干擾，產(chǎn)生過電壓、設(shè)備損壞等問題，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的可靠性和安全性。

陸佳政等[1]指出，隨著電力系統(tǒng)向更大規(guī)模和更高效率發(fā)展，對(duì)典型外部災(zāi)害如雷電的防治策略需求愈發(fā)緊迫。陳卓等[2]詳細(xì)探討220kV高壓輸電線路的防雷接地技術(shù)，強(qiáng)調(diào)合理接地技術(shù)在提升線路防雷性能中的積極影響。王苗[3]則從工程角度出發(fā)，分析高壓輸電線路的設(shè)計(jì)與施工策略，為防雷措施的實(shí)際應(yīng)用提供結(jié)構(gòu)性建議。趙春宇等[4]認(rèn)為高壓輸電線路的防雷技術(shù)需要針對(duì)直流特性進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)特高壓輸電線路在雷擊情況下的獨(dú)特需求。這些研究為本文提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)本文中±800kV特高壓直流輸電線路的防雷分析與策略制定，確保研究的方向與現(xiàn)實(shí)需求的對(duì)接。

1 參數(shù)設(shè)置

1.1 電磁暫態(tài)程序計(jì)算原理

1.1.1 暫態(tài)計(jì)算初始條件

當(dāng)對(duì)±800kV特高壓輸電線路進(jìn)行防雷研究時(shí)，針對(duì)湖北省特高壓輸電線路的實(shí)際情況，采用表1的參數(shù)進(jìn)行暫態(tài)計(jì)算的初始條件設(shè)定，并通過實(shí)際測(cè)量和地方氣象局獲取數(shù)據(jù)。

1.1.2 具有開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)解法

通過在開關(guān)兩端加入電阻來模擬開關(guān)動(dòng)作的影響。假設(shè)開關(guān)操作引入的電阻為R，那么開關(guān)動(dòng)作可以表示為電路中的電阻突變。該方法簡(jiǎn)單，但能有效反映開關(guān)操作的即時(shí)影響。電阻R的值取決于開關(guān)的物理和電氣特性。對(duì)等值電流源模擬法來說，該方法通過替換網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)為等效的電流源來實(shí)現(xiàn)。

節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納修改法涉及對(duì)開關(guān)所在節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)納矩陣進(jìn)行修改。設(shè)節(jié)點(diǎn)k的導(dǎo)納Yk需要根據(jù)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

調(diào)整后的導(dǎo)納如公式（1）所示。

Y'k=Yk+ΔY （1）

式中：ΔY為由開關(guān)操作引起的導(dǎo)納變化，其計(jì)算依賴于開關(guān)特性和網(wǎng)絡(luò)配置。

在高壓輸電線路中，開關(guān)操作可能會(huì)引起瞬時(shí)過電壓，使用上述方法模擬開關(guān)動(dòng)作可以幫助分析和設(shè)計(jì)開關(guān)操作引起的電磁暫態(tài)效應(yīng)，從而優(yōu)化開關(guān)設(shè)備的選型和操作策略。

1.1.3 差值處理

在電磁暫態(tài)程序中，差值處理是關(guān)鍵步驟，用于處理和平滑數(shù)據(jù)，在時(shí)間步進(jìn)和空間分布中插值未知點(diǎn)的值。差值處理通常涉及時(shí)間域和空間域的數(shù)據(jù)，其主要目的是在已知數(shù)據(jù)點(diǎn)之間估計(jì)未知點(diǎn)的值。為實(shí)現(xiàn)這一目的，常用的方法包括線性插值、拉格朗日插值和樣條插值等。每種方法有其適用的場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1.3.1 線性插值法

假定2個(gè)已知點(diǎn)之間的變量關(guān)系是線性的。如果有時(shí)間點(diǎn)t1和t2，其對(duì)應(yīng)的變量值為y1和y2，那么在這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間任一點(diǎn)t的插值y（t）如公式（2）所示。

（2）

式中：t為插值時(shí)間點(diǎn)；y（t）為t時(shí)刻的插值結(jié)果。

1.1.3.2 拉格朗日插值法

基于多項(xiàng)式插值，允許在多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上構(gòu)建高階多項(xiàng)式，以提高插值的準(zhǔn)確性。對(duì)n+1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來說，拉格朗日插值多項(xiàng)式L（x）如公式（3）所示。

（3）

式中：xi和yi為已知點(diǎn)；x為插值點(diǎn)。

1.1.3.3 樣條插值法

通過一系列低階多項(xiàng)式在各個(gè)分段上進(jìn)行擬合，而在數(shù)據(jù)點(diǎn)處保持一階和二階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性。樣條插值適用于需要平滑曲線表示的場(chǎng)景，例如在電力系統(tǒng)的電磁波傳播模擬中。

在電力系統(tǒng)仿真中，差值處理方法可以用于生成更精確的電磁暫態(tài)波形，從而提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2 模型參數(shù)

1.2.1 激勵(lì)源模型

激勵(lì)源模型旨在提供一個(gè)數(shù)學(xué)描述，用以模擬實(shí)際物理事件對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的即時(shí)影響。這些模型能夠準(zhǔn)確地反映外部激勵(lì)在電力系統(tǒng)中的傳播效果，是分析和設(shè)計(jì)防護(hù)措施的基礎(chǔ)。

參數(shù)的選擇基于系統(tǒng)的物理屬性和歷史測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)雷電沖擊模型來說，必須根據(jù)地理位置和歷史雷電數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)（例如峰值電流I0、時(shí)間常數(shù)α和β）；對(duì)開關(guān)操作來說，需要根據(jù)具體設(shè)備的開關(guān)特性和操作條件調(diào)整參數(shù)。

1.2.1.1 雷電沖擊模型

通常采用標(biāo)準(zhǔn)的雷電波形，例如雙指數(shù)波形，如公式（4）所示。

I（t）=I0（e-αt-e-βt） （4）

式中：I（t）為時(shí)間t的瞬時(shí)電流；I0、α、β分別為電流峰值、上升、下降的時(shí)間常數(shù)。

1.2.1.2 開關(guān)操作模型

開關(guān)操作引起的電磁暫態(tài)通常通過模擬開關(guān)瞬間的電壓或電流變化來實(shí)現(xiàn)。例如，可以使用階躍函數(shù)或其他適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)來表示開關(guān)動(dòng)作引起的瞬變電流或電壓變化。如果以階躍函數(shù)模擬，那么如公式（5）所示。

V（t）=V0?u（t-t0） （5）

式中：V（t）為在時(shí)間t的瞬時(shí)電壓；V0為電壓變化幅度；t0為開關(guān)操作時(shí)間；u（t-t0）為階躍函數(shù)。

激勵(lì)源模型參數(shù)見表2。

在輸電線路的防雷研究中，雷電沖擊模型用于模擬雷擊時(shí)的電流波形，幫助分析雷擊對(duì)輸電線路的影響。開關(guān)操作模型則用于評(píng)估開關(guān)操作對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，確保設(shè)備在開關(guān)操作時(shí)不會(huì)引起過大的瞬態(tài)電壓。

1.2.2 桿塔模型

桿塔模型旨在提供一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)與電氣特性描述，用于分析桿塔在電磁暫態(tài)事件下的行為，包括對(duì)雷電流的響應(yīng)及其對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)安全的影響。結(jié)構(gòu)包括桿塔的高度、型號(hào)、材料特性（例如鋼材或鋁合金）及其地理布置。考慮桿塔的接地電阻、電感和電容。通常模型會(huì)包括每個(gè)桿塔頂部的電感值L、底部的接地電阻Rg以及與相鄰桿塔之間的耦合電容C。

1.2.2.1 電感L1

電感L1通常與桿塔的高度和構(gòu)造材料有關(guān)?？紤]桿塔的幾何結(jié)構(gòu)和材料特性，應(yīng)用經(jīng)典電磁理論，計(jì)算垂直桿塔的自感應(yīng)，通過麥克斯韋方程組和邊界條件推導(dǎo)，得到桿塔的電感計(jì)算過程，如公式（6）所示。

（6）

式中：μ0為示真空磁導(dǎo)率（約為4π×10-7H/m）；h為桿塔的高度；r1為桿塔腿的平均半徑。

公式（6）可用于計(jì)算不同高度和直徑的桿塔在電磁暫態(tài)下的電感。

1.2.2.2 接地電阻Rg

接地電阻Rg由桿塔底部與土壤的接觸面積和土壤的電導(dǎo)率決定。假設(shè)接地體為垂直圓柱，計(jì)算其與土壤的接觸電阻，考慮土壤電阻率和幾何尺寸，得到簡(jiǎn)化后的接地電阻，如公式（7）所示。

（7）

式中：ρ1為土壤的電阻率；L為接地體的長(zhǎng)度；d為接地體的直徑。

公式（7）用于計(jì)算不同長(zhǎng)度和不同直徑的接地體在不同土壤電阻率下的接地電阻。

1.2.2.3 耦合電容C1

耦合電容C1基于桿塔間距及相對(duì)位置確定，如公式（8）所示。

（8）

式中：ε為介質(zhì)的電容率（通常為空氣的電容率，約8.854×

10-12F/m）；D1為相鄰桿塔的距離。

桿塔模型參數(shù)見表3。

1.2.3 線路模型

線路模型用于描述輸電線路的電氣行為，包括電阻、電感和電容的分布，這些特性直接影響線路在電磁暫態(tài)事件（例如雷電和開關(guān)操作）下的性能。線路通常被視為具有分布式電阻R、電感L和電容C，每一單位長(zhǎng)度的參數(shù)通常根據(jù)線材材料、截面面積和排列方式進(jìn)行計(jì)算。使用傳輸線理論，考慮電壓和電流的波動(dòng)以及傳播延遲。傳輸線方程V（x，t）和I（x，t）描述電壓和電流如何沿線路傳播。

每公里長(zhǎng)度的電感L2與導(dǎo)線的物理布局有關(guān)，如公式（9）所示。

（9）

式中：μr2為相對(duì)磁導(dǎo)率；D2為相鄰導(dǎo)線的中心距；r2為導(dǎo)線的半徑。

每公里長(zhǎng)度的電容C2取決于導(dǎo)線間的相對(duì)位置和絕緣材料，如公式（10）所示。

（10）

線路模型參數(shù)見表4。

2 ±800kV特高壓輸電線路的防雷分析

2.1 雷電沖擊波形及其對(duì)輸電線路的影響

2.1.1 計(jì)算雷電沖擊電流的時(shí)間序列

雷電沖擊電流的時(shí)間序列如圖1所示。

由圖1可以看出電流如何從零迅速達(dá)到一個(gè)負(fù)峰值。這個(gè)初始的急劇下降反映了雷電擊中瞬間產(chǎn)生的電流脈沖，電流在約135μs達(dá)到最低值。在到達(dá)負(fù)峰值后，電流逐漸回升，隨著時(shí)間的推移緩慢向零靠攏。這表明雷電流并不會(huì)立即消失，而是逐步減弱，圖1中顯示，在939μs電流幾乎回升到-2 kA。這種波形表現(xiàn)了雷電沖擊電流的典型特征，即迅速的電流增加（負(fù)向峰值），然后再緩慢衰減。

2.1.2 影響分析

2.1.2.1 直接雷擊的影響

當(dāng)雷電直接擊中輸電線路或桿塔時(shí)，極高的電流會(huì)通過桿塔流向地面。這種高電流可以導(dǎo)致嚴(yán)重的熱和電磁損傷，包括絕緣子損壞、導(dǎo)線斷裂以及桿塔本身的結(jié)構(gòu)損傷。此外，雷電流還會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中引起電壓沖擊，可能導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作或失效，進(jìn)而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。

2.1.2.2 感應(yīng)效應(yīng)

即使雷電沒有直接擊中輸電線路，附近的雷電活動(dòng)也會(huì)通過電磁感應(yīng)在輸電線路中誘發(fā)電壓和電流。這些感應(yīng)的電流和電壓沖擊可以在電網(wǎng)中傳播，影響電子設(shè)備的運(yùn)行，導(dǎo)致敏感設(shè)備損壞或誤動(dòng)作。

2.2 開關(guān)操作引起的電磁暫態(tài)

2.2.1 計(jì)算開關(guān)操作引起的電壓變化

開關(guān)操作引起的電壓變化見表5。

從時(shí)間0開始，電壓突然從0kV跳至115.6kV，并保持不變直到33μs。這種突變的電壓變化可能會(huì)在電網(wǎng)中引起電流的瞬時(shí)變化，產(chǎn)生電磁暫態(tài)效應(yīng)。

2.2.2 影響分析

2.2.2.1 過電壓?jiǎn)栴}

開關(guān)操作引起的電壓突變可能導(dǎo)致過電壓?jiǎn)栴}。當(dāng)電壓突然升高時(shí)，系統(tǒng)中的電壓可能超過設(shè)備的額定耐壓水平，導(dǎo)致設(shè)備損壞或失效。過電壓?jiǎn)栴}可能會(huì)引發(fā)設(shè)備故障，增加維護(hù)成本，并對(duì)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2.2.2 電壓穩(wěn)定性

電壓突變可能影響系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。突然的電壓變化可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動(dòng)，影響供電質(zhì)量。針對(duì)敏感設(shè)備和系統(tǒng)，例如計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備等，需要關(guān)注電壓穩(wěn)定性。因此，需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)和控制開關(guān)操作引起的電壓變化，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 桿塔和線路模型對(duì)電磁暫態(tài)的響應(yīng)分析

2.3.1 桿塔模型響應(yīng)分析

2.3.1.1 結(jié)構(gòu)特性影響

桿塔的結(jié)構(gòu)特性直接影響其對(duì)電磁暫態(tài)事件的響應(yīng)。例如，桿塔的高度、形狀、材料等參數(shù)會(huì)影響其對(duì)雷電沖擊的承載能力和分布。較高的桿塔能夠更好地承受雷擊，并將電流安全地引導(dǎo)至地面。

2.3.1.2 接地系統(tǒng)影響

桿塔的接地系統(tǒng)對(duì)電磁暫態(tài)事件的響應(yīng)至關(guān)重要。良好的接地系統(tǒng)能夠有效地將雷電沖擊引導(dǎo)至地下，減少對(duì)線路和相關(guān)設(shè)備的損害。接地電阻和導(dǎo)體的選擇及布置方式對(duì)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性具有重要影響。

2.3.2 線路模型響應(yīng)分析

2.3.2.1 電氣特性影響

輸電線路的電氣特性，例如電阻、電感和電容等參數(shù)，會(huì)影響其對(duì)電磁暫態(tài)事件的響應(yīng)。電阻決定線路的電流承載能力，電感和電容則影響電流和電壓的分布和傳播速度。合理設(shè)計(jì)線路參數(shù)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾素力。

2.3.2.2 傳輸特性影響

線路的傳輸特性決定電磁波在線路上的傳播方式和延遲情況。解線路的傳輸特性有助于預(yù)測(cè)電磁暫態(tài)事件的傳播路徑和影響范圍，為系統(tǒng)保護(hù)和運(yùn)行提供參考。

3 結(jié)語

綜上所述，本文對(duì)±800kV特高壓輸電線路的防雷研究進(jìn)行深入探討。通過電磁暫態(tài)程序計(jì)算原理的分析能夠準(zhǔn)確設(shè)置暫態(tài)計(jì)算的初始條件，以確保計(jì)算結(jié)果的可靠性。激勵(lì)源模型的建立為模擬實(shí)際物理事件提供重要依據(jù)，而桿塔模型和線路模型的分析揭示系統(tǒng)對(duì)電磁暫態(tài)的響應(yīng)特性。在對(duì)電磁暫態(tài)事件的影響分析中，著重考慮過電壓?jiǎn)栴}、電壓穩(wěn)定性、保護(hù)裝置響應(yīng)和絕緣問題等。

參考文獻(xiàn)

[1]陸佳政，皮新宇，朱思國，等.新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)設(shè)備典型外部災(zāi)害防治挑戰(zhàn)與展望[J].新型電力系統(tǒng)，2024，2（1）：36-51.

[2]陳卓，陳嘉康.220kV高壓輸電線路防雷接地技術(shù)探析[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2024（1）：338-339，342.

[3]王苗.高壓輸電線路工程的設(shè)計(jì)與施工策略分析[J].集成電路應(yīng)用，2023，40（11）：356-357.

[4]趙春宇，吳紅石，熊志群，等.高壓輸電線路的防雷技術(shù)[J].模具制造，2023，23（11）：175-177.