输电线路绕击雷电过电压暂态特征仿真研究

赵紫辉

（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000）

0 引 言

国内外超/特高压输电线路运行经验表明，随着超/特高压输电线路的杆塔高度、传输容量及传输距离的不断提高，雷击导致输电线路跳闸事故已经成为影响输电线路安全运行的第一因素，其中雷电绕击占绝大部分[1-3]。因此，探索绕击雷电过电压的特性及其在输电线路中的传播规律，不仅对现有输电线路雷电防护水平的提高有着重要的指导意义，而且对新建线路的防雷设计具有重要的理论参考价值。

1 建模方法及参数

输电线路绕击雷电过电压是指雷电击中导线产生的过电压。根据绕击雷电过电压的发生机理，在考虑冲击电晕对雷电过电压影响的同时，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，对500 kV超高压交流输电线路遭受雷电绕击的情况进行建模仿真。

1.1 雷电流仿真模型

选用一个受控电流源与Z0=300 Ω的雷电通道波阻抗并联的电路来等效雷电通道[4]。其中，受控电流源波形采用我国规程中推荐的2.6/50 μs双指数波来模拟。

1.2 杆塔模型

在目前的输电线路杆塔仿真研究中，常用的两种杆塔模型为集中电感模型和波阻抗模型（包括单一波阻抗模型和多波阻抗模型）。本文杆塔模型采用500 kV ZB1酒杯塔多波阻抗模型[5-6]，具体参数见图1。

图1 ZB1酒杯塔参数

1.3 绝缘子闪络模型

采用比较法作为仿真研究的绝缘子闪络判据，比较电压取我国规程建议的500 kV线路绝缘子U50%冲击放电电压2 138 kA[7]。

1.4 输电线路模型

架空线路根据PSCAD模型库中的频率相关模型建立了七基杆塔的线路模型。线路全线水平架设双回避雷线，线路档距为500 m，导线与避雷线型号参数[8]见表1。计算时避雷线不做消去处理，以考虑避雷线对雷电流传播过程的影响；输电导线末端选用5 km的长线模拟，用以消除雷电流在输电线路末端的折反射。

表1 输电线路导线与避雷线参数

1.5 冲击电晕仿真模型

由于受线路和大地的集肤效应以及冲击电晕的影响，过电压波在输电线路传播过程中将发生衰减和变形[9-10]，因此仿真中需充分考虑冲击电晕的影响。相关研究表明，在进行雷电过电压产生的冲击电晕模拟时，电导可忽略，只用动态电容模拟电晕引起的衰减和变形即可[11]。因此，本文建立了如图2所示的冲击电晕模型，将输电线路一个档距分成若干小段，在每一段（100 m）插入如图2所示的电晕仿真模型来模拟输电线路的电晕特性。

图2 冲击电晕仿真模型

2 输电线路绕击耐雷水平仿真

基于模型仿真得出500 kV输电线路的绕击耐雷水平，如表2所示。可见，考虑冲击电晕后，线路的绕击耐雷水平有所提高。根据输电线路绕击情况下的耐雷水平，仿真中发生绕击故障雷电流幅值取为30 kA，未发生绕击故障的雷电流幅值取为15 kA。

3 输电线路发生绕击故障时雷电过电压变化特征

3.1 雷击点处雷电过电压的变化特征

当雷电流幅值为30 kA时，雷电绕击A相导线，该线路发生绕击故障。图3为考虑冲击电晕A相导线发生绕击故障时绝缘子两端的过电压波形。可以看出，当发生绕击时，由于雷电流从雷击点注入A相线路并向线路两侧传播，此时A相线路对地电压骤升。当绝缘子两端电压差超过绝缘子U50%，该线路发生闪络呈现接地故障形式。非故障相（B、C两相）过电压随故障相的短时干扰发生高频振荡，并在持续一段时间后恢复正常。

图3 绕击故障时绝缘子两端的过电压波形

雷击点处绕击故障时，三相导线和塔顶的雷电过电压波形如图4所示。由图4及表3可以看出：发生绕击时，故障相（A相）过电压幅值最大，峰值为非故障相B相电压的4倍、C相的2倍；A相导线绕击时，在塔顶感应出的过电压幅值较小，仅为故障相过电压的44.7%，并且出现波头双峰现象。由于考虑了冲击电晕的影响，过电压波形发生畸变且出现振荡。

表2 输电线路耐雷水平及其仿真雷电流取值

图4 绕击故障时三相导线和塔顶的过电压波形

表3 绕击故障时不同位置的过电压最大值

3.2 绕击故障时距离雷击点不同距离的雷电过电压变化特征

当30 kA雷电流绕击A相导线时，A相导线上距离雷击点不同距离的过电压变化特征见图5。从图5可知，雷击点处A相导线上过电压幅值为2 224 kV，在传播了0.5 km、1 km、1.5 km后，过电压幅值分别为216 kV、60 kV、34 kV。可见，雷电过电压波在输电线路中传播衰减非常快，且波头陡度变缓。从雷击点处传播3个档距后，过电压幅值仅为雷击点处的1.5%。

图5 绕击时A相导线上距离雷击点不同距离的过电压波

图6为雷击A相导线时第一个档距内A相导线上过电压波形。从图6可知，雷击点处过电压幅值为2 224 kV，在传播了0.1 km、0.2 km、0.3 km、0.4 km、0.5 km后，过电压幅值分别为1 928 kV、864 kV、680 kV、525 kV、216 kV。可见，过电压波在一个档距内幅值衰减变化明显，从雷击点到档距末端过电压幅值降低了90.3%，且波头陡度变缓幅度较大。

雷击A相导线时，致使A相发生闪络，雷电流沿绝缘子流入避雷线，在避雷线上产生的过电压波形如图7所示。雷击侧避雷线上过电压幅值为995 kV，非雷击侧避雷线上过电压幅值为901 kV。由图7可知，绕击时最初始阶段避雷线上存在一个幅值较小的感应过电压，在闪络发生并经历了一定的传播时间后，避雷线上的过电压迅速上升。

图6 绕击故障时雷击点处第一个档距内A相过电压波形

图7 绕击时避雷线上过电压波形

4 输电线路雷击导线但未发生故障时过电压变化特征

4.1 雷击导线未故障时过电压变化特征

根据前述线路的绕击耐雷水平为28.96 kA，当15 kA的雷电流击中A相导线时，线路不会发生绕击跳闸事故。此时，线路绝缘子两端的过电压波形见图8，塔顶和三相导线的过电压波形见图9。从图8可以看出，A相导线绝缘子两端电压波头较其他两相陡且幅值大，且波形发生了畸变。从图9可以看出，A相导线过电压幅值为1 142 kV，B相导线过电压幅值为277 kV，C相导线过电压幅值为827 kV。由于雷电流幅值较低，因此在塔顶感应的电压幅值也较小，仅为153 kV。

图8 雷击导线未故障时绝缘子两端的过电压波形

图9 雷击导线未故障时塔顶和三相导线的过电压波形

15 kA雷电流击中A相导线距离雷击点不同距离的过电压变化特征见图10。从图10可知，雷击点处A相导线上过电压幅值为1 142 kV，在传播了0.5 km、1 km、1.5 km后，过电压幅值分别为95 kV、39 kV、22 kV。从雷击点处传播3个档距后，过电压幅值仅为雷击点处的2%。

图10 雷击导线未故障时A相导线距离雷击点不同距离的过电压波

图11为15 kA雷电流击中A相导线时第一个档距内A相导线上过电压波形。从图11可知，雷击点处过电压幅值为1 142 kV，在传播了0.1 km、0.2 km、0.3 km、0.4 km、0.5 km后，过电压幅值分别为1 047 kV、613 kV、579 kV、483 kV、124 kV。可见，同发生绕击故障的情况一样，过电压波在一个档距内幅值衰减变化明显。

图11 雷击A相导线未故障时雷击点处第一个档距内A相过电压波形

因为15 kA的雷电流击中A相导线不会使其发生闪络，所以雷电流不会沿绝缘子流入避雷线，此时在避雷线上产生的过电压应为各相导线在避雷线上感应的电压，波形如图12所示。可见，过电压幅值为153 kV，波形出现较大振荡。

图12 雷击A相导线未故障时避雷线上过电压波形

5 结 论

通过对500 kV交流输电线路发生绕击故障时和雷击导线但未发生故障时产生的雷电过电压暂态特征仿真分析发现如下结论。

（1）考虑冲击电晕后，输电线路的绕击耐雷水平有所提高。

（2）在发生绕击故障后，故障相绝缘子两端过电压呈现接地故障形式，而非故障相过电压随故障相的短时干扰发生高频振荡，并在持续一段时间后恢复正常，但雷击导线未发生故障时故障相绝缘子两端过电压要高于非故障且波头较陡。

（3）由于冲击电晕和线路的频变特性的影响，雷击输电导线时产生的过电压波在输电线路中传播要发生衰减和变形。过电压幅值衰减迅速，从雷击点处传播至1.5 km（3个档距）的距离后，幅值降到雷击点处幅值的2%。特别是雷击点所在的第一个档距内幅值衰减变化明显，从雷击点到该档距末端过电压幅值降低90%。

（4）在发生绕击故障时，避雷线上均会产生一定的过电压。