基于EMTP的同塔并架多回线路防雷计算

舒海莲，杨 秀，臧海洋

（上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090）

0 引言

国内外多年的运行经验表明，输电线路防雷性能的好坏能够直接影响到系统的安全可靠运行，避免雷害事故的发生在一定程度上就可以保证电气运行的安全[1-3]。本文采用了ATP-EMTP仿真软件进行输电线路雷电过电压的仿真分析，结合实际工程中的输电线路，对110 kV和220 kV架空线在2种雷击方式（雷电绕击导线和雷电直击杆塔或避雷线）情况下的耐雷水平进行研究，然后对仿真的原理进行了分析，并对输电线路耐雷水平的影响因素进行仿真建模仿真，最后计算了110 kV和220 kV输电线路雷击跳闸率。本文在结合现场实际需要与反复试验的基础上完成，并记录了相关试验模型与数据结果，充分考虑到现场中各种雷击情况，有较强的实用价值[4-6]。

1 基于EMTP的仿真模型

本文利用现在国内外广泛采用的ATP-EMTP电磁暂态计算程序，建立输电线路雷电过电压仿真计算模型，进行输电线路雷击过电压仿真计算[8-9]。

重要的参数设置。雷电流模型按规程建议采用的是波形2.6/50的负极性双指数波形；波阻抗使用的是300 Ω；根据实际的输电线杆塔进行建模，接地电阻取5 Ω，杆塔电感取0.5 H/m；变压器入口电容取平均值为2 000 pF；绝缘子串蚕蛹标准绝缘，110 kV线路选取雷电冲击闪络电压为700 kV，220 kV线路选取1 200 kV；ZnO避雷器选取参数为，110 kV线路直流1 mA，参考电压为145 kV，10 kA放电电流下残压260 kV，220 kV线路选取1 mA，参考电压为290 kV，残压120 kV；最重要的模型是Lcc输电线路模型，考虑集肤效应并使用仿真矩阵，线路模型采用的是JMarti型，将实际的线路参数输入到模型中，软件自动生成满足要求的输电线路模块。模型见图1。

图1 计算雷击同杆双回线路耐雷水平的仿真模型

2 输电线路耐雷水平仿真计算与分析

2.1 110 kV及220 kV输电线路耐雷水平的仿真

110 kV及以上输电线路的雷击跳闸是由雷击杆塔塔顶和雷绕击导线引起的,接下来就是对110 kV及220 kV的输电线路的2种雷击方式进行建模,仿真计算输电线路的耐雷水平（计算结果见表1、表2和表3）。

对于110 kV线路，单避雷线的输电线路（单回线路）的耐雷水平约为53 kV，有双避雷线的同杆并架双回输电线路的耐雷水平为57 kV；对于220 kV线路，单避雷线的输电线路（单回线路）的耐雷水平约为89 kV，有双避雷线的同杆并架双回输电线路的耐雷水平为96 kV。对比可知，双避雷线的同杆并架双回输电线路的耐雷水平比单避雷线的单回输电线路的耐雷水平高。

2.2 耐雷水平仿真的原理分析

2.2.1 雷击杆塔时耐雷水平的原理分析

以220 kV同杆并架双回输电线路雷击杆塔的情况为例。

表1 雷击杆塔时110 kV输电线路的耐雷水平

表2 雷击杆塔时220 kV输电线路的耐雷水平

表3 雷绕击导线时输电线路的耐雷水平

雷电击中输电线杆塔顶端（或避雷线上），雷电流会经杆塔及其接地电阻流入大地[10]。220 kV及以上电压等级的电网采用中性点直接接地方式，若作用在绝缘子串上的电压幅值超过绝缘子串的50%冲击放电电压值，绝缘子串就会发生闪络，由此引起的工频电弧电流会较大，形成稳定的工频电流，引起线路跳闸。

当雷击塔顶的雷电流在输电线路能够承受的冲击范围内，在系统内部会产生一些小扰动，但绝缘子串则不会发生闪络。未发生闪络情况时绝缘子串上的电压波形如图2所示。当雷击塔顶的雷电流超出输电线路能够承受的冲击范围，作用在绝缘子串上的电压幅值超过绝缘子串的50%冲击放电电压值，绝缘子串就会发生闪络，绝缘子串上的电压波形如图3所示。

图2 未发生闪络的绝缘子串上的电压波形

图3 发生闪络的绝缘子串上的电压波形

由此得出不同在不同雷击方式、线路不同的运行和绝缘方式下的耐雷水平，即绝缘子串可承受的的最大雷电流冲击值。

2.2.2 雷绕击线路时耐雷水平的原理分析

绕击导线时的过电压和耐雷水平与无避雷线线路雷直击时相同。所不同的是，由于避雷线的存在，发生绕击的次数要远小于雷直击于无避雷线的导线次数。

绕击导线时，雷电流会沿着导线向两侧流动。雷电过电压沿线路向两侧传播到达杆塔绝缘子串，如果作用在绝缘子串上的电压幅值超过绝缘子串的50%冲击放电电压值，绝缘子串就会发生闪络，由此引起的工频电弧电流会较大，会形成稳定的工频电流，从而引起线路跳闸。

当雷绕击线路的雷电流在输电线路能够承受的冲击范围内，在系统内部会产生一些小扰动，但绝缘子串则不会发生闪络，绝缘子串上的电压波形如图4所示；当雷击塔顶的雷电流超出输电线路能够承受的冲击范围，作用在绝缘子串上的电压幅值超过绝缘子串的50%冲击放电电压值，绝缘子串就会发生闪络，在系统上会产生影响很大的扰动。发生闪络的情况时绝缘子串上的电压波形如图5所示。

图4 未发生闪络的绝缘子串上的电压波形图

图5 发生闪络的绝缘子串上的电压波形图

由此得出在不同雷击方式、线路运行和绝缘方式下的耐雷水平，即可承受的的最大雷电流冲击值。

220 kV线路无避雷线时的耐雷水平只有10 kA左右。由于110 kV及其以上线路是中性点直接接地的线路，都要求全线架设避雷线，以防止线路频繁发生雷击闪络跳闸事故。

2.3 影响耐雷水平因素的仿真计算与分析

在前面建立的仿真模型的基础上进行影响输电线路耐雷水平因素的仿真计算与分析，通过改变其中一个因素来了解耐雷水平的变化，分析仿真数据从而总结出各个因素对于输电线路耐雷水平的影响规律：从表4可知，输电线路杆塔接地电阻越大，雷击杆塔顶时，造成作用于线路绝缘子串的电位差越大，线路的耐雷水平会降低。因此，降低杆塔的接地电阻可以减小雷击杆塔时塔顶的点位升高，可以得出减小杆塔接地电阻是提高输电线路耐雷水平的有效措施[11-13]。

表4 110 kV线路杆塔接地电阻对耐雷水平的影响

由表5可知，增强输电线路的绝缘水平，也就是提高了绝缘子串50%冲击放电电压，由此可见，在输电线路的易击区，可采取增强线路绝缘的措施来提高输电线路的耐雷水平。例如：在110 kV系统中，线路增加1片绝缘子，其杆塔电阻值5 Ω，10 Ω，15 Ω时的耐雷水平分别增加14%,16%,17%；线路增加2片绝缘子，其耐雷水平分别增加25%,27%,31%。

表5 220 kV双回线路加强绝缘对耐雷水平的影响

在仿真中还发现，系统电源电压对线路耐雷水平是有一定程度的影响。当作用的工频电压与杆塔电位反相且到达峰值时，线路的耐雷水平最低。

当三相绝缘子串旁配置线路避雷器时，输电线路的耐雷水平会大大提高，可以考虑利用线路避雷器来降低线路的雷击跳闸率。

通过对影响输电线路耐雷水平的因素进行仿真,可以了解提高线路耐雷水平的方式，可以证明现有的防雷措施仍行之有效，也有利于以后的规划,对现实工作有重要的实践意义。

3 110 kV和220 kV输电线路雷击跳闸率的计算

根据我国电力行业标准DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》，结合仿真模型计算出的耐雷水平可以进行110 kV与220 kV输电线路雷击跳闸率的计算，计算结果见表6。

从表6中的数据可知，山区线路的雷击跳闸率较平原线路的雷击跳闸率高。例如：110 kV同杆并架双回输电线路的雷击跳闸率山区比平原高58.98%；220 kV同杆并架双回输电线路的雷击跳闸率山区比平原高了57.75%。

表6 110 kV和220 kV架空输电线路的雷击跳闸率

4 结论

根据输电线路雷电过电压仿真计算模型，在110 kV和220 kV电压等级的情况下对输电线路耐雷水平和雷击跳闸率进行仿真计算与分析,其结论如下：

1）可知在各种雷击形势下都可以看出，双避雷线的同杆并架双回输电线路的耐雷水平比单避雷线的单回输电线路的耐雷水平会提高。

2）山区线路的雷击跳闸率较平原线路的雷击跳闸率高。

3）杆塔接地电阻对输电线路耐雷水平的影响很大。可以得出减小杆塔接地电阻是提高输电线路耐雷水平的有效措施。

4）增加线路绝缘对输电线路耐雷水平的影响很大。在输电线路的易击区，可采取增强线路绝缘的措施来提高输电线路的耐雷水平。

5）系统电源电压对线路耐雷水平是有一定程度的影响。当作用的工频电压与杆塔电位反相且到达峰值时，线路的耐雷水平最低。

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