基于ATP—EMTP的绝缘子串闪络模型研究

赵勇

摘 要：在计算输电线路的耐雷水平时，《规程》中所采用的方法是利用标准波实验得到的伏秒特性曲线和伏秒特性定义来判断绝缘子串两端雷电过电压的闪络情况，但所得的计算结果往往趋于保守。为了准确计算线路的耐雷水平，本文建立了基于先导法的绝缘子闪络模型，并以某220 kV线路为例，比较了规程法和先导法下线路的耐雷水平，结果表明，和传统的规程法相比，先导法判断绝缘子闪络时与实际运行情况更相符，计算准确性更高。

关键词：先导法 耐雷水平 闪络判据 ATP-EMTP

中图分类号：TM26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0113-02

在线路防雷研究中，需要按照一定的闪络判据，对绝缘子串两端的过电压进行分析比较，判断绝缘子串是否发生闪络，从而得到线路的耐雷水平，所以在线路防雷计算中，绝缘子串闪络判据的准确度直接影响线路耐雷水平计算结果的准确度。绝缘子串闪络判据目前主要有定义法、相交法和先导法[1]。定义法和相交法[2]判断绝缘闪络的基本原理均是通过比较绝缘子上的过电压波与标准波（1.2/50μs）下伏秒特性曲線来判断绝缘子是否发生闪络，而发生雷击时线路绝缘子上会出现各种雷电过电压波形，远非标准波。

1 绝缘子串闪络模型建立的理论分析

根据绝缘子闪络的物理机制，雷击闪络总是选择最短的路径和最易于空气击穿的途径发生，绝缘子串在雷电冲击下的闪络与相应空气间隙长度下的击穿是等效的，绝缘子串的雷击闪络可以等效成相应长度棒-棒空气间隙的击穿，等效的电极结构如图1所示。图1中：h为接地电极高度；d为间隙距离。

建立模型的第1步是利用电场计算方法计算绝缘子串周围空间的几何电场分布，判断流注是否起始。当流注开始发展后，外加电压超过连续先导的起始电压时，出现先导通道。先导起始电压如公式（1）所示：

（1）

式中：d为间隙距离；h为接地电极高度。

连续先导开始后，以速度V向前发展，其速度随施加的电压和间隙剩余的长度而变，当先导长度达到间隙长度时，间隙击穿，绝缘子串闪络。因此在非标准波下，绝缘子串闪络可通过先导的发展长度是否贯穿间隙进行判断，CIGRE WG33.01推荐的先导发展的速率公式为（2）：

（2）

式中，L（t）为先导发展长度（m）；u（t）为绝缘子串上的电压（kV）；D为间隙长度（m）；E0为先导起始场强（kV/m）；k为实验结果拟合所得的经验系数，与绝缘子类型、外施电压极性等有关（m2/（s·kV2））。

当雷击输电线路杆塔顶部时，设绝缘子串上端横担点处电位为，绝缘子串下端导线点处电位为，且两者均为关于时间的函数。再加上通过TACS引入的导线雷击感应过电压，取二者的差即可得到考虑感应电压影响下的绝缘子串两端实际电压。

本模型中感应电压的计算采用武汉大学推荐的感应电压计算公式（3），该公式由试验数据拟合而成，计算值比较符合实际的感应电压情况：

（3）

其中：Im为雷电流峰值kA；hc为导线平均高度m；hg为地线平均高度m；k0为耦合系数，与杆塔的具体参数有关。

2 基于ATP-EMTP绝缘子串的闪络模型

在ATP-EMTP中采用MODELS语言编程，实现先导发展的绝缘子串闪络判据。模型框图如图2所示。通过MODEL对象控制开关的开断，MODEL输出0开关断开，输出1开关闭合，当开关处于打开状态时为绝缘子串正常状态，处于闭合状态时为绝缘子串闪络状态，图2中串联的电阻R和并联的电容C是考虑发生闪络后绝缘子串的实际电阻和电容特性需要而设置的。

图2中IL为输入雷电流峰值；Vout为输出绝缘子串上的电压；VLE为输出间隙长度与先导长度之差；Close为开关控制信号。

根据式（2）计算得到实时的先导发展速度，实时先导发展速度乘以仿真步长即为实时先导发展长度，当先导发展长度等于绝缘子串的绝缘距离时，MODEL模块输出1，开关闭合，绝缘子串即发生闪络。M元件为MODEL测量元件，通过测量绝缘子串两端电压输出波形从而来判断绝缘子串是否发生闪络，当绝缘子串发生闪络时，其两端电压不再变化，为一条水平直线。

3 仿真模型的实例应用

3.1 参数计算

以云南电网公司某供电局所辖220 kV同塔双回线路典型杆塔为例，对其耐雷性能进行研究。雷电流采用2.6/50 us的双指数波，其幅值取-120 kA时波形图如图3所示。

线路的导线型号为2×LGJ-400/50，直流电阻为0.05912 Ω/km，分裂数为2，分裂间距为45 cm。避雷线型号为GJX-70，半径为0.8 cm，直流电阻为0.2992 Ω/km。输电线路的模型采用JMARTI频率分析模块。杆塔的型号为SZF243，具体参数如图4所示。

在具体的整体仿真模型中，系统采用220 kV双回路两端供电，沿线设置5基SZF243杆塔，雷击点选在中间杆塔的顶部。杆塔上不同横担处的电位如图5所示。

从图5中可知，杆塔上不同横担处的电位不同，上层横担最高，中层横担次之，下层横担最低。

杆塔上各相绝缘子的电压如图6所示。

由图4所示的A、B、C三相的排列关系可知，B相在上层横担处，A相在中层横担处，C相在下层横担处。由图5可知杆塔上各部分的横担电压各不相同，一般来说，在各相导线电压相同的情况下，各横担上的电位分布从高到低依次为：上层横担、中层横担、下层横担。所以上层横担处绝缘子的闪络概率最大。从图5可以看出，处于上层横担处的B相绝缘子上的电压最高，而且最先发生击穿，且击穿后绝缘子两端的电压最低。这正好验证了绝缘闪络模型的正确性。

3.2 接地电阻对耐雷水平的影响

线路在运行过程中，杆塔的冲击接地电阻是影响线路耐雷水平的一个重要因素，表2给出了在不同冲击接地电阻条件下，分别采用规程法和先导模型作为绝缘子的闪络判据时线路的耐雷水平。

线路的耐雷水平和接地电阻的关系如图7所示。从图7中可以看出，规程法和先导法计算出的反击耐雷水平差别很大，随着接地电阻的增大，两者之间的计算差别逐渐缩小，在接地电阻为30Ω时，先导法的计算结果仍比规程法大20 kA左右。所以传统的规程法计算线路的耐雷水平比先导法留有更多的裕量。考虑到绝缘子两端的实际电压情况，采用先导法计算线路的耐雷水平更加准确。

4 结论

（1）计算线路的耐雷水平时，先导法理论上更符合放电的物理过程，能很好的解释所得线路耐雷水平的变化规律与绝缘上的波形，且能判断任意波形下绝缘间的闪络。采用规程法的计算结果比先导法保守，与实际的运行情况不符。

（2）杆塔的接地电阻和导线的排列方式对线路的耐雷水平都有一定的影响。一般提高线路的耐雷水平可以采取减小杆塔的接地电阻和采用合适的导线排列方式等方法。

参考文献

[1] 程浩.沙尘环境下绝缘子交流闪络特性的研究[D].重庆大学，2011.

[2] 袁力翔，盛戈皞，曾奕，等.输电线路绝缘子综合在线监测系统[J].电工技术，2009（2）.