500kV同塔双回输电线路雷电反击仿真模型的建立与分析

宋 阳 秦 颖 胡 可

（乐山电业局，四川 乐山 614000）

我国电力系统是以500kV等级输电线路为电网骨干网架迅速发展。与此同时，输电线路纵横交错，其塔位和走廊对占地和生态环境有一定的影响。因此，为了减少500kV线路走廊占地，提高单位面积的传输容量，同塔架设双回线路已成为必然趋势。俄罗斯及我国数10年运行数据表明[1，2]，雷击仍然是500kV线路跳闸的主要原因。与500kV单回线路相比，同塔双回线路杆塔较高，感应过电压较大，其耐雷水平大大降低，更易雷击跳闸。国内外运行数据也指出500kV线路雷击跳闸中，雷电绕击跳闸占主要形式。于是大多数文献着重研究雷电绕击而忽略了雷电反击部分。因此，做好500kV同塔双回输电线路防雷设计，加强500kV同塔双回输电线路防雷保护，提高线路耐雷水平，防止500kV同塔双回输电线路雷击跳闸势在必行。文中以南方电网500kV同塔双回输电线路-“贵福线”自然条件和线路参数为背景，基于ATP-EMTP软件，分别建立雷电流波模型、分段传输线杆塔模型、输电线路模型、绝缘子闪络和接地电阻模型，搭建仿真电路，分别就接地电阻和线路档距对500kV同塔双回输电线路反击耐雷水平的影响进行仿真分析。

1 仿真模型的建立

1.1 雷电流波模型

我国在电力系统防雷保护计算中，雷电流的标准冲击波形常用双指数表达式表示[3]

式中，Im为雷电流的幅值（kA）；常数A、α和β由雷电流的波形确定。文中选择2.6/50μs双指数波形，则A=1.058，α =15000，β=1860000。线路发生反击时，雷电通道波阻抗取为 300。图 1 是输电线路发生反击时雷电流波形。

图1 2.6/50μs雷电流波形

1.2 杆塔模型

图2 杆塔分段传输线模型

正确地模拟输电线路杆塔在输电线路的耐雷性能研究中起着重要作用。目前存在3类杆塔仿真模型：集中电感、单一波阻抗和分段传输线模型。研究表明，集中电感模型和单一波阻抗模型，在结构复杂，杆塔较高的线路中模拟以实际产生相当大的误差。本文采用分段传输线路模型，该模型充分考虑了雷电波在杆塔上的传播过程，并根据杆塔距地面不同高度处的波阻抗值是不同的这一特点，将杆塔分割成几个部分来模拟，计算结果与原有方法相比更加符合实际。据文献[4]介绍的杆塔分段传输模型计算，可将500kV同塔双回线路杆塔看成 4导体系统，其杆塔模型如图 2和模型计算参数见表1。

表1 杆塔模型计算参数（波阻抗单位：Ω）

1.3 输电线路模型

文中的计算参数是以贵州电网贵福线自然条件为基础[5]，引入一条典型的500kV同塔双回线路为例，导线采用L GJ—630/55，为4分裂导线，分裂间距为 450mm，避雷线采用 LHAGJ-150/25，杆塔为Sl型，绝缘子选XP一300，绝缘子高度为195mm，爬距450mm。根据线路参数，利用ATP-EMTP/LCC模块建立与频率相关的Jmarti模型，将输电线路看作是包括避雷线、三相导线的不换位多导线系统来处理。线路终端以20km的线路来模拟，不考虑反射波的影响。图3是通过LCC建立的导线排列方式图。

图3 导线排列方式图

1.4 绝缘子闪络模型

本文计算仍以规程法为基础，将绝缘子串的50%冲击放电电压作为绝缘子串的闪络判据，将其模拟成一个电压控制开关，当两端的电压达到其 50%放电电压时该开关即导通，意味着绝缘子串放电。

1.5 接地电阻模型

雷电冲击下，接地体上会产生火花效应，使得接地体周围的土壤电离放电，因此可用冲击接地电阻来表征雷击杆塔后的冲击接地特性。采用IEC推荐的下式可更好地计算冲击接地电阻。

式中，R0为工频接地电阻值；I为流过接地体的冲击电流幅值；Ig是土壤发生电离的最小电流，表示为

式中，ρ为土壤电阻率，取100Ω˙m；E0为土壤电离场强，取400kV/m。

2 仿真分析

当雷电直接击中杆塔或者避雷线时，线路易发生反击，图4为雷直击杆塔示意图。

图4 雷直击杆塔示意图

2.1 接地电阻对线路耐雷水平的影响

根据示意图4搭建有7基杆塔的仿真电路，对500kV线路雷电反击进行仿真分析。雷电直击杆塔时，考虑单回线路闪络情况下，三种导线排列方式时反击耐雷水平随接地电阻变化关系如图5所示。考虑双回线路同时闪络情况下，三种导线排列方式时反击耐雷水平随接地电阻变化关系如图6所示。其中双回导线正相序排列，如图3所示，即左侧自上而下A1B1C1，右侧自上而下A2B2C2；逆相序排列即左侧自上而下A1B1C1，右侧自上而下C2B2A2；上下三角形排列左侧自上而下A1C1B2，右侧自上而下B1A2C2。

图5 单回闪络下三种导线排列时反击耐雷水平随接地电阻变化关系

图6 双回闪络下三种导线排列时反击耐雷水平随接地电阻变化关系

由图5和图6可知，当导线采用上述三种相序排列时均有：①随着接地电阻阻值增大，输电线路单回闪络和双回闪络时的耐雷水平均降低；②双回线路同时闪络需要的雷电流值大于单回线路闪络需要的雷电流值；③三种相序排列中，随着接地电阻的变化，导线逆相序排列方式下，线路的耐雷水平始终最高。

2.2 档距对线路耐雷水平的影响

雷击杆塔时，导线排列方式采用逆相序排列，档距分别取 50m、100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m、450m、500m、550m 情况下，线路的耐雷水平仿真结果如图7所示。可知，随着档距的增大，单回闪络和双回闪络时的耐雷水平大体呈下降趋势，当档距＜100m时，反击耐雷水平随档距的增加急剧减小；而档距距由100m到 400m时，反击耐雷水平随着档距的增加略有增大，当档距＞400m时，随着档距的增加，反击耐雷水平逐渐减小。

图7 单回闪络或双回闪络时反击耐雷水平随档距变化关系

3 结论

1）500kV同塔双回输电线路，不论是单回闪络还是双回同时闪络，线路反击耐雷水平均随着接地电阻的增大而降低。

2）导线排列方式对 500kV同塔双回输电线路反击耐雷水平有较大影响，逆相序排列耐雷水平最高，正相序排列次之，上下三角形排列最低。因此，对于同塔双回输电线路，导线排列方式最好采用逆相序排列。

3）随着线路档距的增加，500kV同塔双回输电线路反击耐雷水平总体呈现降低趋势。

[1]维列夏金,吴维韩.俄罗斯超高压和特高压输电线路雷运行经验分析[J].高电压技术,1998,24(2):76-79.

[2]邱道尹,王爱. 500kV同塔双回线路防雷问题的研究[J].华北水利水电学院学报,2009,30(2):57-59.

[3]任晓娜,吴广宁,付龙海等.采用避雷器后输电线路防真模型的建立及应用现状[J].电瓷避雷器,2005(5):26-29.

[4]刘渝根,苏玉萍,刘敏.750kV 单回和同杆双回输电线路反击耐雷性能[J].高压电器,2009,45(5):96-99.

[5]伍枝培.同塔双回 500kV线路的防雷性能的研究[D].贵州:贵州大学,2005.