±800 kV /500 kV交直流混联输电线路反击耐雷水平

李瑞芳 ，曹晓斌 ，张先怡 ，陈 奎 ，沈佳杰

（1.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；2.四川电力设计咨询有限公司，四川 成都 610000；3.德州仪器半导体技术有限公司，上海 200122）

0 引言

由于在大容量、远距离输电上具有优势，直流输电在我国电力系统中广泛使用，并形成了南方电网、华东电网等交直流混联大电网［1-4］。雷击跳闸是影响电网安全运行的重要原因之一，因此，研究±800kV/500 kV同塔多回交直流混联输电线路反击耐雷水平具有重要的意义和价值。

国内外在同塔多回输电线路反击耐雷水平方面已经开展了很多相关的研究工作［5-15］，如：文献［8-9］仿真研究了1000 kV/500 kV同塔多回交流线路中相序排列方式、间隙长度等对反击跳闸率的影响；文献［10-11］重点分析了1000 kV/500 kV同塔多回交流线路中，500 kV上层横担外侧导线和一侧导线绝缘水平及500 kV相序排列方式对反击耐雷性能的影响；文献［12-13］分别分析了500 kV同塔四回线路和220 kV同塔四回输电线路的反击耐雷性能；文献［14-15］对云广±800 kV和±500 kV三沪Ⅱ回直流输电线路做了耐雷性能研究。

尽管目前开展了很多工作，但是，专门针对同塔多回交直流混联线路的反击耐雷水平的研究很少，因此，本文以±800 kV/500 kV交直流混联输电线路为研究对象，在建立雷电流模型、输电线路模型、杆塔波阻抗模型、绝缘子闪络模型等基础上，采用PSCAD/EMTDC软件进行仿真分析，讨论了杆塔接地电阻、绝缘子片数、雷电流波形、杆塔高度、避雷器等因素变化时对耐雷水平造成的影响，重点从分流系数的角度解释了接地电阻对耐雷水平影响的原因，着重比较了±800 kV/500 kV交直流混联输电线路和500 kV同塔双回线路、±800 kV直流线路的耐雷水平并分析了原因。

1 杆塔塔型及线路参数

±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路杆塔尺寸及布置如图1所示。杆塔总高为77.6 m，呼称高度32.6 m，避雷线在杆塔的顶端，±800 kV直流线路在避雷线与交流线路之间，500 kV交流输电线路位于杆塔的下边2层横担，呈三角形排列。

图1 杆塔尺寸及布置图Fig.1 Dimensions and arrangement of tower

±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路中，输电导线采用4×LGJ630/45型号，弧垂fc=19 m，取分裂间距d=0.45 m，导线半径r=0.016875 m，直流电阻取为0.05Ω/km。2根避雷线为水平架设，采用LBGJ240型号，弧垂f0=11 m，直径d0=0.01 m，直流电阻取为0.358 Ω/km。线路档距为400 m，平均土壤电阻率取为 100 Ω·m。

2 仿真模型

2.1 雷电流波形

很多资料和运行经验均显示雷击杆塔时，流经杆塔的雷电流是负极性的，所以本文仿真中的雷电流波形设置为 -2.6 /50 μs。

在PSCAD中搭建雷电流模型时，需搭建一个雷电通道的等值电路。仿真中用受控雷电流源和波阻抗Z0并联组成雷电通道的等值电路，Z0=300 Ω。受控电流源一般表示为双指数函数 i=I0（eαt-eβt），其中，I0=1.058，α=-15000，β=-1860000。 采用 PSCAD 元件模型库中的指数函数和加 /减法器构成函数i=I0（eαt-eβt）。

2.2 输电线路模型

PSCAD/EMTDC中的输电线路模型有贝杰龙模型（Bergeron model）和频率相关模型（frequency dependent model）2 种。

雷击会产生大量的高次谐波，频率一旦变化，输电线路的参数也会变化，谐波分量的频率不同，在线路中通过时造成的变化也不同。所以本文在仿真中采用频率相关模型。

在PSCAD中搭建±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路雷击模型如图2所示。

2.3 杆塔模型

本文采用波阻抗模型，计算垂直导体波阻抗时，可以将其分成4段分别计算。每段都分为主体部分和支架部分，并假定每段分布均匀，根据各部分几何尺寸可计算出波阻抗。

主体部分的波阻抗ZTk可以表示为：

其中，rek为第k段的等效半径；hk为第k段顶端对地面的高度。支架部分波阻抗ZLk为对应主体部分波阻抗的 9 倍［16］，即 ZLk=9ZTk（k=1，2，3，4）。

图2 ±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路雷击模型Fig.2 Model of lightning strike for ±800 kV/500 kV AC-DC hybrid four-loop lines

电磁波通过多导体系统时，有无支架会影响其通过所用的时间。在有支架时，所用时间要多一些。横杆的波阻抗用式（2）计算［17］：

其中，rAk为第k段的横杆的半径，通常取1/4的横杆宽度。

根据以上分析得杆塔的多波阻抗模型如图3所示，图中：ZAk（k=1，2，3，4，5）为横杆波阻抗；ZTk（k=1，2，3，4）、ZLk（k=1，2，3，4）别为杆塔主体和支架波阻抗。由公式计算的波阻抗值为：ZA1=217.6 Ω，ZA2=231.4 Ω，ZA3=101.5 Ω，ZA4=81.5 Ω，ZA5=195.7 Ω；ZT1=99.8 Ω，ZT2=85.3 Ω，ZT3=63.0 Ω，ZT4=39.1 Ω；ZL1=898.2 Ω，ZL2=768.3 Ω，ZL3=567.8 Ω，ZL4=352.3 Ω。

图3 杆塔多波阻抗仿真模型Fig.3 Simulation model of multi-wave impedance for tower

2.4 绝缘子闪络判据模型

雷击塔顶时，用比较法来判断绝缘子是否闪络：Ut为杆塔最高点电压，Uc为输电线电压，U50%为负极性50%冲击放电电压时，判定绝缘子发生闪络。在本文中，交流500 kV绝缘子雷击闪络电压为2520.645 kV，直流±800 kV绝缘子雷击闪络电压为4472.11 kV。

在PSCAD中建立绝缘子模型时，采用PSCAD中的电压控制开关元件，开关设置为常开状态。绝缘子闪络模型如图4所示。图中，Eal为绝缘子两端的电压差；表示取绝对值；BRKal为逻辑输出。

图4 绝缘子闪络模型Fig.4 Model of insulator flashover

3 反击耐雷性能的影响因素分析

3.1 ±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路的耐雷水平

基于±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路雷击模型，分析了交直流混联线路中500 kV交流和±800kV直流线路各自的耐雷水平，结果如图5所示。

图5 500 kV交流线路和±800 kV直流线路的耐雷水平Fig.5 Lightning resistance level of 500 kV AC and±800 kV DC lines

从图5中可以看出，±800 kV直流线路的反击耐雷水平超过400 kA，交流500 kV线路的反击耐雷水平约在150～210 kA，比±800 kV直流线路小得多。所以，交直流混联线路中，±800 kV直流线路基本不会发生反击闪络。这是因为尽管±800 kV线路位于500 kV交流线路上方，因此雷电流经过杆塔入地时，±800 kV线路导线绝缘子上方的电位升要比500 kV线路导线绝缘子上方的电位升高，但是由于±800 kV线路的绝缘强度比500 kV线路高更多，导致±800 kV线路绝缘子两端的电压差难以使绝缘子闪络。

例如，当接地电阻为15 Ω、雷电流为280 kA时，±800 kV线路绝缘子上端的电位升为4888 kV，绝缘子两端的电压差为4888-800=4088（kV），小于闪络电压4472.11 kV，因此不会闪络。同样的雷电流和接地电阻下，500 kV线路绝缘子上端的电位升为3732kV，绝缘子两端电压差为 3723-500=3223（kV），大于闪络电压2 520.645 kV，会发生闪络。所以下文中讨论±800 kV/500 kV交直流混联线路耐雷水平时，着重考虑双回500 kV交流线路的反击耐雷水平。

3.2 接地电阻对反击耐雷水平的影响

基于±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路雷击模型，分析杆塔接地电阻对耐雷水平的影响。接地电阻变化时，耐雷水平发生变化如图6所示。

图6 杆塔接地电阻对耐雷水平的影响Fig.6 Effect of tower grounding resistance on lightning resistance level

从图6中看出，接地电阻增加会导致输电线路反击耐雷水平降低。当接地电阻从5 Ω增大至40 Ω时，线路反击耐雷水平从218.8 kA降低到151.2 kA，降低了30.1%。当接地电阻在20 Ω以下时，接地电阻的变化对反击耐雷水平影响较小；当接地电阻在20 Ω以上时，随着阻值增加，反击耐雷水平急剧降低。20 Ω的接地电阻成为1个变化的拐点，这是因为杆塔的接地电阻和分流系数β有着密切的联系，杆塔接地电阻越大，分流系数β越小。当接地电阻增大到一定程度时，分流系数β会急剧减小。在本文仿真中，接地电阻大于20 Ω时，分流系数β下降较快，由）（其中，R为杆塔接地电阻；L为杆塔的电感；i为流经杆塔的电流）可知，杆塔电位会迅速增加，引起绝缘子两端的电位差快速增加而闪络，线路反击耐雷水平急剧降低。接地电阻对分流系数的影响如图7所示。

图7 杆塔接地电阻对分流系数的影响Fig.7 Effect of tower grounding resistance on shunt coefficient

3.3 绝缘子片数对反击耐雷水平的影响

基于±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路雷击模型，分析了交流500 kV线路安装不同片数的绝缘子对耐雷水平的影响。绝缘子片数变化时，反击耐雷水平发生变化，结果如图8所示。

图8 绝缘子片数对耐雷水平的影响Fig.8 Effect of insulator piece quantity on lightning resistance level

从图8中看出，当绝缘子从27片增加到31片时，线路反击耐雷水平逐渐增加。当接地电阻为5 Ω时，27片绝缘子的反击耐雷水平是194.9 kA，31片绝缘子的反击耐雷水平是218.8 kA，增加4片绝缘子后，反击耐雷水平提高12.3%。在接地电阻为40 Ω时，27片绝缘子的反击耐雷水平是135.4 kA，31片绝缘子的反击耐雷水平是151.2 kA，增加4片绝缘子后，反击耐雷水平同样提高了11.7%。不同接地电阻下，增加相同片数的绝缘子，对反击耐雷水平的提高效果基本相同。这是因为绝缘子串的闪络电压和绝缘子片数成线性关系，增加相同片数的绝缘子时，闪络电压的变化量相同，耐雷水平变化的百分比也基本相等。

3.4 雷电流波形对反击耐雷水平的影响

基于±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路雷击模型，分析雷电流波形对反击耐雷水平的影响。雷电流波形变化时，反击耐雷水平发生变化，如图9所示。

图9 雷电流波形对耐雷水平的影响Fig.9 Effect of lightning waveform on lightning resistance level

从图9中看出，在相同杆塔冲击接地电阻下，-2.6/50 μs雷电流波形作用下的线路反击耐雷水平，明显高于-1.2/50 μs雷电流波形作用下的线路反击耐雷水平。在接地电阻为5 Ω时，-1.2/50 μs雷电流波形下的反击耐雷水平为196.3 kA，比在-2.6/50 μs雷电流波形下的反击耐雷水平218.8 kA低10.3%；在接地电阻为 40 Ω 时，-1.2 /50 μs雷电流波形下的反击耐雷水平为129.2 kA，比在-2.6/50 μs雷电流波形下的反击耐雷水平151.2 kA低14.6%。这主要是由于雷电流的波头时间越短，其高频分量能量越高，杆塔的冲击响应电压越大，从而降低了线路的反击耐雷水平。由此可见，我国防雷设计中雷击塔顶时线路反击耐雷水平的估计过于保守。

3.5 杆塔高度对反击耐雷水平的影响

基于±800 kV/500 kV交直流混联四回输电线路雷击模型，分析杆塔高度对反击耐雷水平的影响。杆塔高度变化时，反击耐雷水平变化结果如图10所示。

图10 杆塔高度对耐雷水平的影响Fig.10 Effect of tower height on lightning resistance level

从图10中看出，杆塔高度增加会引起反击耐雷水平下降。当接地电阻等于5 Ω时，77.6 m高的杆塔的反击耐雷水平是218.8 kA，85.6 m高的杆塔的反击耐雷水平是195.5 kA，降低了10.6%；当接地电阻等于40 Ω时，77.6 m高的杆塔的反击耐雷水平是151.2 kA，85.6 m高的杆塔的反击耐雷水平是132.8 kA，降低了12.2%；这是因为雷电流从杆塔流入大地时，塔顶会有一电压分量，电压的大小与雷电流在杆塔中的传播时间有关，增大杆塔的高度，使雷电流在杆塔中的传播时间增加，塔顶的电位升高，导致耐雷水平降低。

3.6 500 kV交流线路安装避雷器时的反击耐雷水平

避雷器模型利用PSCAD中的金属氧化物避雷器 MOSA（Metal Oxide Surge Arrester）来模拟，参数根据伏安特性曲线图设置。图11为避雷器的伏安特性曲线图。

图11 避雷器伏安特性曲线图Fig.11 Volt-ampere characteristics of lightning arrester

仿真中在未安装避雷器时，500 kV交流回路会发生绝缘子闪络，所以分3种情况来研究避雷器对耐雷水平的影响：在500 kV交流回路的A相安装1个避雷器，在A、B相各安装1个避雷器，在A、B、C相各安装1个避雷器。仿真结果如图12所示。

由图12可知，当接地电阻等于5 Ω时，未安装避雷器时的反击耐雷水平为218.8 kA，在A相安装1个避雷器的反击耐雷水平为229.0 kA，比未安装时提高了4.6%；在A、B相各安装1个避雷器的反击耐雷水平为232.3 kA，比未安装时提高了6.2%；在A、B、C相各安装1个避雷器的反击耐雷水平为426.8 kA，相比未安装时提高了95.1%。当接地电阻为40 Ω时，未安装避雷器的反击耐雷水平为151.2 kA，在A相安装1个避雷器的反击耐雷水平为157.7 kA，相比未安装时提高了4.3%；在A、B相各安装1个避雷器的反击耐雷水平为159.5 kA，相比未安装时提高了5.5%；在A、B、C相各安装1个避雷器的反击耐雷水平为185.8 kA，相比未安装时提高了22.9%。由此可见，在A相安装1个避雷器和在A、B相各安装1个避雷器起到的防雷效果相近，而在A、B、C相各安装1个避雷器能起到很好的防雷效果。

图12 避雷器对耐雷水平的影响Fig.12 Effect of lightning arrester on lightning resistance level

4 反击耐雷性能与500 kV同塔双回线路、±800 kV直流线路耐雷性能的比较

±800 kV/500 kV交直流混联输电线路的±800 kV直流回路与一般的±800 kV直流线路反击耐雷水平的仿真结果见图13。

图13 交直流混联中±800 kV直流线路与单回直流线路的耐雷水平比较Fig.13 Comparison of lightning resistance level between±800 kV DC line of±800 kV/500 kV AC-DC hybrid transmission lines and single-loop DC line

从图13中可以看出，±800 kV/500 kV交直流混联输电线路的±800 kV直流回路的反击耐雷水平比常规单回±800 kV直流线路反击耐雷水平高。这是因为对于交直流混联线路，由于±800 kV直流线路的设计绝缘强度比500 kV交流线路绝缘强度大得多，当杆塔受到雷击时，500 kV交流线路先发生闪络，几乎所有的雷电流都沿着500 kV交流导线和杆塔流入大地，使得双回500 kV交流线路起到类似线路避雷器的作用，对±800 kV直流回路起到很好的保护作用。而普通的±800 kV线路则没有这样的保护，所以反击耐雷水平会低得多。

±800kV/500kV交直流混联输电线路的500kV交流回路与常规500 kV交流同塔双回路单回反击耐雷水平的仿真结果见图14。

图14 交直流混联输电线路500 kV回路与常规500 kV交流回路耐雷水平对比Fig.14 Comparison of lightning resistance level between 500 kV AC line of ±800 kV/500 kV AC-DC hybrid transmission lines and general 500 kV AC line

从图15中可以看出，±800 kV/500 kV交直流混联输电线路的500 kV交流回路反击耐雷水平比一般500 kV同塔双回交流线路略高一些。这是因为交直流混联线路与单独的同塔双回线路比较，相当于增加了2条线路，因而增加了整体线路的对地电容，使得避雷线的波阻抗降低，增加了避雷线上的雷电流分流，从而使杆塔的入地电流减小，反击耐雷水平提高。虽然这个作用在与单独±800 kV线路比较的解释中同样适用，但是由于500 kV线路先闪络导致的雷电流泄放作用比这个大得多，因此可以忽略这个因素。

5 结论

本文研究了±800 kV/500 kV交直流混联输电线路反击耐雷水平的影响因素，并分别与±800 kV直流线路和500 kV交流线路进行了比较分析，主要结论如下。

a.在±800 kV/500 kV交直流混联线路中，尽管800 kV线路位于500 kV交流线路上方，导线绝缘子上方的电位升高于500 kV线路导线绝缘子的电位升，但是由于±800 kV线路的绝缘强度高，反击耐雷水平是500 kV线路的2倍以上，因此，考虑反击耐雷水平时，主要考虑500 kV线路部分即可。

b.杆塔的接地电阻增加时，±800 kV/500 kV交直流混联输电线路反击耐雷水平降低，反击耐雷水平出现急剧下降时对应的接地电阻是20 Ω。这种现象产生的主要原因是分流系数的显著下降。

c.±800 kV/500 kV交直流混联输电线路中，当杆塔受到雷击时，500 kV交流线路先发生闪络，几乎所有的雷电流都沿着500 kV交流导线和杆塔流入大地，使得双回500 kV交流线路起到类似线路避雷器的分流作用，±800 kV直流回路起到很好的保护作用。而普通的±800 kV线路则没有这样的保护，所以±800 kV/500 kV交直流混联输电线路反击耐雷水平高于普通的±800 kV线路。

d.±800 kV/500 kV交直流混联输电线路中，500 kV交流线路反击耐雷水平与一般500 kV同塔双回交流线路相比略高。交直流混联线路与单独的同塔双回线路相比增加了2条线路，整体线路的对地电容增加，线路的波阻抗降低，雷电流分流增加，从而使杆塔的入地电流减小，反击耐雷水平提高。