考虑后续雷击的高压架空输电线路雷电过电压研究

罗楚楠，张 胜，黄一威

(1.广东电网能源发展有限公司,广州 510160；2.北京煜邦电力技术股份有限公司,北京 100029；3.上海电力大学电气工程学院，上海 200090 )

0 引言

随着社会物质水平及工业水平的不断发展，能源消耗量逐年攀升，然而能源聚集区与能源消耗区往往距离较远，我国东部沿海城市对能源的需求量极大，能源却主要分布在西部等地区，这就需要大范围、远距离电力传输[1]。近年来，国家大力支持高压输电线路的建设，220 kV、500 kV甚至更高电压等级的线路正逐年增加[2-3]。所以雷击导致高压输电线路跳闸故障的情况随之增加，雷击已经成为影响电网安全稳定运行的重要因素。

在实验室环境下难以对雷云放电的物理过程进行分析，加上雷云放电的随机性很强，现如今国内外对雷云放电的物理过程掌握的不够全面，加上国内外只有为数不多的观测站，已知的多重雷参数较少，以往学者在研究输电线路防雷时都只考虑了单次雷击的影响，鲜有人考虑多重雷击情况下输电线路的暂态响应。Thottappillil等人在文献[4]中已经证明1/3至1/2的地面落雷为多重落雷，这种落雷一般有两个及以上的落点。虽然输电线路同一地点一般不会出现多重雷击，但由于其呈线性分布，极易出现有几个落点的多重雷击的情况。

本研究首先分析了输电线路遭受多重雷击机理，然后采用ATP/EMTP软件搭建了220 kV架空输电线路模型，分析了考虑多重雷击的输电线路雷电暂态过程并计算了绕击和反击情况下的线路暂态电压。

1 多重雷击机理

雷云放电是一种长气隙放电过程，雷云下方首先发生电晕放电，随后发展成为流注，当温度升高到一定值时流柱汇集成为先导，先导向地面发展从而逐渐形成雷云放电通道[5-9]。雷击地面物体，通常认为是地面物体先形成上行先导，上行先导和下行先导汇合时雷云放电通道贯穿，随后产生首次雷击。首次雷击后通常会有两次及以上后续雷击，通常认为多次雷击之间的时间差为60 ms[10-13]。

2 计算模型及参数

2.1 雷电流模型及参数

雷电流源用如图1所示的包含波前时间Tf、波长时间Tt及雷电流幅值Im的波形加以表示[14-17]。由于线路遭受雷击后过电压值在1 ms内就已经衰减至稳态值，此数据远低于多重雷击的时间间隔，所以可每次只加一次雷击，且三重及以上雷击规律与首次和二次雷击相同，故笔者只分析了首次雷击及二次雷击两种情况。采用双指数函数表示雷电流，表达式见式(1)。

I(t)=KIm(e-αt-e-βt)

(1)

其中K为雷电流幅值修正系数，Im为雷电流峰值，α和β分别为波前衰减系数和波尾衰减系数。

采用国际标准IEC 61312-1所规定的雷电流参数，首次雷击参数为10/350 μs，后续雷击参数为0.25/100 μs[18-19]。由于后续雷击时雷电流幅值相对于首次雷击低，本研究设首次雷击和后续雷击的雷电流幅值分别为100 kA、40 kA。

图1 雷电流波形Fig.1 Lightning current waveform

2.2 杆塔模型

在电磁暂态领域，所搭建的设备模型会随着频率范围的变化而变化，CIGRE将频率范围划分为4个领域，即：暂时过电压领域、缓波前过电压领域、快波前过电压领域、特快波前过电压领域，它们所对应的频率范围见表1，通常在对输电线路进行建模时，不需要考虑杆塔的影响，但是雷电流频率很高，雷电波在杆塔中的传播过程对线路过电压有很大影响，故杆塔不可忽视。

表1 过电压对应频率Table 1 Corresponding frequency of overvoltage

设220 kV同塔双回输电线路杆塔见图2，为更加精细地表示杆塔形状，将杆塔拆分为主材、斜材及横担3个部分，并用无损线路加以表示。杆塔所采用的是波多阻抗杆塔模型，其结构见图3，Rch为接地阻抗，取5 Ω，ZAk为横担阻抗，ZTk为杆塔阻抗，ZLk为支架阻抗，各部分的波阻抗用如下公式进行计算[3,18-23]。

(2)

(3)

(4)

ZLk=9ZTk，k=1,2,3,4

(5)

(6)

式中rAk的取值为横担和主材连接长度的1/4。

图2 220 kV同塔双回输电线路杆塔Fig.2 220 kV double-circuit transmission lines on the same tower

图3 杆塔多波阻抗模型Fig.3 Multi-wave impedance model of a tower

2.3 绝缘子闪络模型

研究雷击输电线路时需要考虑绝缘子的闪络情况，目前应用较为广泛的绝缘子闪络判据方法包括规程法、先导法及相交法3种。经验表明，采用规程法所得结果与实际结果相比偏小，而采用先导法进行计算时设置参数复杂，且误差较大，而采用相交法所得计算结果与实际运行情况相差甚小。图4为相交法闪络判据原理图，t1为闪络时间点，Uf为闪络电压。当绝缘子两端过电压曲线与相应的伏秒特性曲线相交时即判定为绝缘子发生闪络。

图4 绝缘子模型Fig.4 The model of insulator

2.4 输电线路参数及模型

220 kV同塔双回架空输电线路采用型号为LGJ-300/40的二分裂钢芯铝绞线，分裂间距为40 cm，架空地线采用型号为GJ-35的钢绞线，导线的具体参数见表2。

表2 导线参数Table 2 Traverse parameters

3 仿真结果分析

在搭建EMTP电磁暂态仿真模型时，土壤电阻率取500 Ω/m，线路用分布参数模型，每段取5 km，杆塔接地电阻取10 Ω。建立10基杆塔的EMTP模型。图5为220 kV架空输电线路遭受直击雷示意图，笔者计算雷击输电线路档距中央、杆塔塔顶及避雷线中央3种情况下线路过电压值，因为过电压值越大对应危害越大，故后文只给出了过电压最大的一相输电线路电压值。

图5 220 kV架空输电线路遭受直击雷示意图Fig. 5 220 kV overhead transmission line suffer from direct lightning strike

3.1 绕击雷电过电压

为分析输电线路在遭受首次雷击和后续雷击两种情况下的过电压，首先计算了首次及后续雷电绕击输电线路时雷击点处线路上的过电压，见图6。

图6 雷击线路过电压Fig. 6 Lightning strike line overvoltage

由图6(a)可知，首次雷击输电线路后线路上的会产生过电压，经过1.1 μs达到最大值2.18 MV，随后逐渐震荡并衰减，经过约0.3 ms衰减至稳态值。由图6(b)可知，后续雷击输电线路后线路过电压变化趋势与首次雷击的变化规律类似，上升到峰值的时间为0.5 μs，峰值为2.51 MV，衰减时间约为0.15 ms。即使后续雷击的雷电流幅值仅为首次雷击的40%，但在输电线路上产生的雷电过电压却比首次雷击还高15.14%；从雷击瞬间到暂态电位升高至峰值的时间对于输电线路防雷保护具有一定的参考价值，后续雷击的过电压上升时间约等于首次雷击的一半。无论从过电压大小还是从过电压升压时间分析，后续雷击输电线路的危害都比首次雷击大。

3.2 反击时输电线路过电压

雷击杆塔塔顶以及避雷线时，都会在输电线路上产生过电压，图7为雷击塔顶时输电线路的电压，由图7(a)可知，首次雷击杆塔塔顶时，输电线路上产生的过电压经过5.5 μs后上升至最大值1.55 MV，此后电压值震荡衰减，经过约0.8 ms后衰减至稳态，震荡幅度逐渐降低；由图7(b)可知，杆塔塔顶遭受后续雷击后输电线路上产生的过电压经过3.1 μs后上升至最大值0.78 MV，大约经过0.35 ms后震荡衰减至稳态值。比较图7(a)、图7(b)有如下结论：雷击杆塔塔顶时，首次雷击比后续雷击在输电线路中所产生的过电压高一倍左右，且首次雷击时过电压衰减过程中的震荡频率比后续雷击的更高，但是后续雷击所产生的过电压上升至峰值的时间比首次雷击低43.64%，综合考虑以上因素，首次雷击杆塔塔顶时，首次雷击击对输电线路危害更严重，但后续雷击也不可忽视。

图7 雷击杆塔塔顶时线路过电压Fig.7 Overvoltage on the transmission line when the top of the tower is struck by lightning

雷击避雷线档距中央时，计算输电线路中的过电压值见图8。首次雷击避雷线时，输电线路中过电压值经过5.2 μs后上升至最大值1.52 MV，随后逐渐震荡并衰减，经过约0.9 ms衰减至稳态值，比较图7(a)和图8(a)可知，首次雷击杆塔塔顶和首次雷击避雷线档距中央两种情况下线路过电压曲线基本吻合；后续雷击避雷线档距中央时输电线路上的过电压最大值为0.41 MV，仅为正常工作电压幅值的1.32倍，过电压波形最后也没有衰减至零值，即说明后续雷击避雷线时会在线路上产生较小的过电压，但是不会引起线路故障，比较图6(b)和图7(b)可知，后续雷击杆塔塔顶和后续雷击避雷线档距中央两种情况下线路过电压有明显区别。

图8 雷击避雷线档距中央时线路过电压Fig.8 Overvoltage on the transmission line when the Lightning line is struck by lightning

4 结论

1)输电线路遭受雷击时，线路上会出过电压。

2)后续雷击输电线路后线路过电压变化趋势与首次雷击的变化规律类似，即使后续雷击的雷电流幅值仅为首次雷击的40%，但在输电线路上产生的雷电过电压却比首次雷击还高15.14%；后续雷击的过电压上升时间约等于首次雷击的一半。无论从过电压大小还是从过电压升压时间分析，后续雷击输电线路的危害都比首次雷击大。

3)雷击杆塔塔顶时，首次雷击比后续雷击在输电线路中所产生的过电压高一倍左右，且首次雷击时过电压衰减过程中的震荡频率比后续雷击的更高；后续雷击避雷线档距中央时线路过电压仅为工作电压幅值的1.32倍，首次雷击避雷线时与雷击杆塔塔顶的过电压变化规律基本吻合。综合考虑以上因素，反击情况下，首次雷击对输电线路危害更大。

综上所述，绕击时后续雷击对线路危害更大，反击时后续雷击对线路危害更大，在输电线路防雷保护设计时不应只考虑首次雷击，后续雷击危害也应加以考虑。