±800 kV锡泰线黄河大跨越区段耐雷性能分析

李永明，逯文佳，高彬桓，杜 远

（1.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250018；2.华北电力大学（北京）电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

±800 kV锡泰线黄河大跨越处于微气象、微地形区段，受恶劣天气条件影响较大，具有一定的特殊性和代表性。跨越段的杆塔高度高、档距长，落雷概率大且雷击事故不易修复，因此发生雷击故障的概率高于一般区段［1-3］。除此之外，从防雷保护的角度来看，一是黄河大跨越段受微气象条件的影响，比一般段杆塔更易落雷，二是雷直击跨越杆塔时由于杆塔波阻抗大且杆塔较高增加了绝缘闪络概率，三是发生雷电绕击导线的可能性增加，因此，黄河大跨越区段比一般段更容易发生雷击故障［4-6］。综上所述，准确地模拟出雷击杆塔或导线的电磁暂态过程，分析、研究现阶段的杆塔耐雷水平，并根据结果对线路防雷能力进行评价，提出防雷建议，对于提高±800 kV锡泰线整体健康水平，避免因雷击故障导致的大面积停电事故具有极为重要的意义［7-9］。

针对±800 kV锡泰线黄河大跨越区段，基于电磁暂态仿真程序ATP-EMTP 研究计算了不同接地电阻、不同呼高、不同的避雷器加装方案等情况下跨越段的耐雷性能；并结合超、特高压交直流输电线路的实际运维经验，提出了进一步改善其耐雷水平的可行性措施。

1 ±800 kV锡泰线黄河大跨越区段线路概况

±800 kV锡泰线起于内蒙古锡盟换流站，止于江苏泰州换流站，是山东地区首条包含黄河大跨越特殊区段的特高压直流过境输电线路工程。黄河大跨越区段长3.734 km，新建铁塔5 基，采用耐—直—直—直—耐跨越方式跨越黄河。跨越段的平断面如图1所示，塔型如图2所示。

图1 ±800 kV锡泰线大跨越平断面

2 基于EMTP的雷击暂态过程仿真分析

2.1 雷电流模型

由于自然界中负极性雷的出现概率远大于正极性雷，因此分析中以负极性雷为例。雷电流波形采用GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中推荐的2.6/50 μs。ATPEMTP 中选用Heidler type 19 型原件与雷电通道波阻抗Z并联的方式，雷电流I＜100 kA 时，Z取800 Ω；I≥100 kA时，Z取300 Ω［10］。

2.2 改进的杆塔多波阻抗模型

大跨越区段直线塔结构及几何尺寸如图2 所示，可见，跨越塔的横担以下部分非常长，是跨越塔的主体，为了减小计算误差，计算模型采用改进的多波阻抗模型［11-12］，将横担下的塔身分成7 段，模型如图3所示。分别计算各段波阻抗并用无损线路模型来模拟。第k段主架部分波阻抗ZTk和第k段支架部分波阻抗ZLk的计算公式为：

图2 大跨越处直线塔塔型结构

图3 改进的多波阻抗杆塔模型

式中：rek为杆塔第k段的等效半径；hk为第k段离地面的高度。

横担部分波阻抗被分为3 段，第m段波阻抗ZAm计算公式为

式中：hm为第m段横担的对地高度；rAm指第m段横担的等效半径，取单个塔臂长度的1/4。

模型参数取值如表1所示。

2.3 线路模型

考虑到雷电流波形中包含大量高次谐波，仿真中线路模型采用频率相关模型中JMARTI线路模型。详细线路参数［13-15］如表2所示。

2.4 接地电阻模型

接地电阻在ATP-EMTP 中可通过TACARes 模块来仿真计算。

接地电极中流过大电流时，其接地电阻值小于流过通常电流时的值。为了计算更加精确，计算模型采用CIGRE推荐的公式，即

式中：R0为工频电阻；I为流过塔脚电阻的雷电流；Ig为对应土壤电离梯度E0的临界电流，可用式（5）计算。

式中：ρ为土壤电阻率，仿真中取100 Ω·m；E0为土壤电离电场强度，取400 kV/m［16］。

2.5 绝缘子闪络模型

采用更切合实际情况的相交法作为绝缘子闪络判据，即绝缘子串上过电压曲线与其秒伏特性曲线相交时为闪络。用ATP-EMTP 中的Flash Model 作为绝缘子串闪络模型，通过对Model模块的编程进行模拟，±800 kV 输电线路绝缘子串的秒伏特性表达式为［17］

式中：Us-t为绝缘子闪络电压；t为过电压作用时间；L为绝缘子串长度，根据±800 kV 锡泰线黄河大跨越段绝缘子安装情况，直线塔L取19.92 m，耐张塔L取8.145 m。

2.6 避雷器模型

避雷器模型参数采用文献［18-19］中的计算值，避雷器串联间隙设定为1.8 m，直流参考电压960 kV，工频参考电压679 kV，标称放电电流下残压1 900 kV。ATP-EMTP中用非线性电阻元件来模拟。

3 仿真结果分析

由于仿真中雷电流为负极性，发生反击时正极线绝缘子串两端所受过电压值更高，因此以正极线的反击耐雷水平作为±800 kV 输电线路的反击耐雷水平。而发生绕击时，由于正极线对负极性雷的吸引作用导致正极线遭受雷击的概率远大于负极线，因此，在研究避雷器加装方案时，只计算加装在正极线的情况。

3.1 反击耐雷性能仿真分析

杆塔的接地电阻会影响塔顶及横担处的电位从而影响杆塔的耐雷水平。将接地电阻变化范围设为1～30 Ω，分别得出耐张塔1（呼高68 m）、直线塔2（呼高142 m）、直线塔3（呼高90 m）、耐张塔2（呼高48 m）的反击耐雷水平，如图4所示。

图4 不同接地电阻下的反击耐雷水平

由图4 可知，降低接地电阻可以有效提高反击耐雷水平，接地电阻值在1 Ω 时，仿真的跨越段杆塔耐雷水平均达到300 kA 以上。此外，由于耐张塔1和耐张塔2、直线塔2 和直线塔3 的绝缘子配置情况相同，可以看出杆塔呼高对反击耐雷水平影响也很明显。

为了研究安装线路避雷器对反击耐雷性能的影响，对不同避雷器加装方案下的反击耐雷水平进行仿真。方案Ⅰ是在直线塔2 处加装一组避雷器，方案Ⅱ是在直线塔1 和直线塔3 处分别加装一组避雷器，方案Ⅲ是在直线塔1、直线塔2、直线塔3 处各加装一组避雷器。加装前后反击耐雷水平如表3 所示。对比3 组方案可以看出加装避雷器后本基杆塔反击性能提升明显，但其通流能力有限，因而相邻杆塔耐雷水平提升有限。其中方案Ⅲ对于提高耐雷水平最为明显，基本能够实现跨越段的反击雷保护。

表3 加装避雷器前后杆塔反击耐雷水平比较 单位：kV

实际运行经验表明，300 kA 以上的雷电流发生概率较低，加之目前有条件的杆塔接地电阻值基本控制在1 Ω 左右，锡泰线黄河大跨越区段杆塔接地电阻实测值如表4 所示。因此在线路运行工况良好的情况下，跨越段的反击耐雷水平较高，发生反击事故的概率极低。

表4 锡泰线黄河大跨越区段杆塔接地电阻值头 单位：Ω

3.2 绕击耐雷水平分析

雷电流避开地线直接击中导线的情况称为绕击，实际经验表明，绕击闪络对±800 kV直流输电线路影响更大，而多发的负极性雷使正极线路遭受雷击的概率更大。因此仿真时，以雷电流直击正极线而不会引起绝缘子闪络的最大雷电流值为绕击耐雷水平。

根据改进的电气几何模型（Electrical Geometric Model，EGM），如图5 所示，击距计算时计及导线工作电压及导线平均高度的影响，地面倾斜角为0°，计算采用IEEE标准所推荐的击距公式［20］。

图5 40 kA雷电流的绕击EGM模型

雷电对避雷线的击距rs为

雷电对大地的击距rg为

雷电对导线的击距rc为

式中：I为雷电流；yc为导线平均高度；UDC为导线工作电压。

由于击距与雷电流幅值相关，因此当雷电击中地线屏蔽弧时，雷击避雷线，导线得到保护，而当雷电击中暴露弧时，雷击导线，即此时发生绕击。随着雷电流幅值的增大，暴露弧随之减小，当雷电流幅值增大到暴露弧刚好为零时，此时的雷电流称之为最大绕击电流Imax。

计算得出，跨越段的两基耐张塔绕击耐雷水平高于最大绕击电流，理论上不会出现绕击事故。按照反击耐雷水平时避雷器的加装方案进行绕击仿真，仿真结果如表5 所示。可见加装线路避雷器的杆塔的最大绕击电流值均大于150 kA，而按照方案Ⅲ的布置，跨越段的绕击耐雷水平已远大于电气几何模型计算得到的最大绕击电流值，已经能够满足运行要求。

表5 加装避雷器前后杆塔绕击耐雷水平比较 单位：kV

4 结语

通过分析±800 kV 锡泰线黄河大跨越段的耐雷水平，得出以下结论，可为山东境内特高压直流输电线路运行维护工作提供参考。

1）接地电阻1 Ω左右时，跨越段整体的反击耐雷水平较高，发生反击故障的概率很低。降低杆塔接地电阻对于提高跨越区段的反击耐雷水平意义明显。因此，运行维护中应关注杆塔接地电阻值的变化。

2）大跨越区段的现有的防雷措施基本满足雷电过电压的要求，考虑到雷击事故发生的随机性，进一步提升跨越段耐雷水平十分必要。

3）仿真结果表明，加装跨越区段的3 个跨越塔均加装避雷器时，反击与绕击耐雷水平均有显著提高，为了获得足够的雷击保护，跨越段的3 基直线塔的正极线可加装线路避雷器。