±800kV特高压输电线路的防雷研究

摘 要：本文分析防雷分布特性，并提出具体的防雷策略。利用电磁暂态程序计算原理，确立暂态计算的初始条件、开关网络的解法及差值处理方法。通过设定激励源模型、杆塔模型以及线路模型，构建仿真环境，以精确模拟直流线路的闪络特性以及雷击时杆塔电位的分布特性。关注直击雷、绕击雷对杆塔电位的影响以及绝缘子串在雷击条件下的过电压表现。研究结果不仅揭示直流线路在雷击时的电位分布和闪络行为，而且还针对雷击造成的过电压问题提供防雷建议，以此增强线路的安全性和稳定性。

关键词：±800kV特高压；防雷；输电线路

中图分类号：TM 86" " " 文献标志码：A

特高压输电线路作为电力系统的主要组成部分，其安全稳定运行对保证国家电力供应具有关键作用。然而，在复杂多变的自然气候条件下，特高压输电线路容易受到雷击等外界干扰，产生过电压、设备损坏等问题，严重影响电网的可靠性和安全性。

陆佳政等[1]指出，随着电力系统向更大规模和更高效率发展，对典型外部灾害如雷电的防治策略需求愈发紧迫。陈卓等[2]详细探讨220kV高压输电线路的防雷接地技术，强调合理接地技术在提升线路防雷性能中的积极影响。王苗[3]则从工程角度出发，分析高压输电线路的设计与施工策略，为防雷措施的实际应用提供结构性建议。赵春宇等[4]认为高压输电线路的防雷技术需要针对直流特性进行优化，以适应特高压输电线路在雷击情况下的独特需求。这些研究为本文提供坚实的理论基础，指导本文中±800kV特高压直流输电线路的防雷分析与策略制定，确保研究的方向与现实需求的对接。

1 参数设置

1.1 电磁暂态程序计算原理

1.1.1 暂态计算初始条件

当对±800kV特高压输电线路进行防雷研究时，针对湖北省特高压输电线路的实际情况，采用表1的参数进行暂态计算的初始条件设定，并通过实际测量和地方气象局获取数据。

1.1.2 具有开关的网络解法

通过在开关两端加入电阻来模拟开关动作的影响。假设开关操作引入的电阻为R，那么开关动作可以表示为电路中的电阻突变。该方法简单，但能有效反映开关操作的即时影响。电阻R的值取决于开关的物理和电气特性。对等值电流源模拟法来说，该方法通过替换网络中的开关为等效的电流源来实现。

节点导纳修改法涉及对开关所在节点的导纳矩阵进行修改。设节点k的导纳Yk需要根据开关状态进行调整。

调整后的导纳如公式（1）所示。

Y'k=Yk+ΔY （1）

式中：ΔY为由开关操作引起的导纳变化，其计算依赖于开关特性和网络配置。

在高压输电线路中，开关操作可能会引起瞬时过电压，使用上述方法模拟开关动作可以帮助分析和设计开关操作引起的电磁暂态效应，从而优化开关设备的选型和操作策略。

1.1.3 差值处理

在电磁暂态程序中，差值处理是关键步骤，用于处理和平滑数据，在时间步进和空间分布中插值未知点的值。差值处理通常涉及时间域和空间域的数据，其主要目的是在已知数据点之间估计未知点的值。为实现这一目的，常用的方法包括线性插值、拉格朗日插值和样条插值等。每种方法有其适用的场景和优缺点。

1.1.3.1 线性插值法

假定2个已知点之间的变量关系是线性的。如果有时间点t1和t2，其对应的变量值为y1和y2，那么在这2个时间点之间任一点t的插值y（t）如公式（2）所示。

（2）

式中：t为插值时间点；y（t）为t时刻的插值结果。

1.1.3.2 拉格朗日插值法

基于多项式插值，允许在多个数据点上构建高阶多项式，以提高插值的准确性。对n+1个数据点来说，拉格朗日插值多项式L（x）如公式（3）所示。

（3）

式中：xi和yi为已知点；x为插值点。

1.1.3.3 样条插值法

通过一系列低阶多项式在各个分段上进行拟合，而在数据点处保持一阶和二阶导数的连续性。样条插值适用于需要平滑曲线表示的场景，例如在电力系统的电磁波传播模拟中。

在电力系统仿真中，差值处理方法可以用于生成更精确的电磁暂态波形，从而提高仿真结果的准确性。

1.2 模型参数

1.2.1 激励源模型

激励源模型旨在提供一个数学描述，用以模拟实际物理事件对电网产生的即时影响。这些模型能够准确地反映外部激励在电力系统中的传播效果，是分析和设计防护措施的基础。

参数的选择基于系统的物理属性和历史测量数据。对雷电冲击模型来说，必须根据地理位置和历史雷电数据调整参数（例如峰值电流I0、时间常数α和β）；对开关操作来说，需要根据具体设备的开关特性和操作条件调整参数。

1.2.1.1 雷电冲击模型

通常采用标准的雷电波形，例如双指数波形，如公式（4）所示。

I（t）=I0（e-αt-e-βt） （4）

式中：I（t）为时间t的瞬时电流；I0、α、β分别为电流峰值、上升、下降的时间常数。

1.2.1.2 开关操作模型

开关操作引起的电磁暂态通常通过模拟开关瞬间的电压或电流变化来实现。例如，可以使用阶跃函数或其他适当的函数来表示开关动作引起的瞬变电流或电压变化。如果以阶跃函数模拟，那么如公式（5）所示。

V（t）=V0‧u（t-t0） （5）

式中：V（t）为在时间t的瞬时电压；V0为电压变化幅度；t0为开关操作时间；u（t-t0）为阶跃函数。

激励源模型参数见表2。

在输电线路的防雷研究中，雷电冲击模型用于模拟雷击时的电流波形，帮助分析雷击对输电线路的影响。开关操作模型则用于评估开关操作对系统稳定性的影响，确保设备在开关操作时不会引起过大的瞬态电压。

1.2.2 杆塔模型

杆塔模型旨在提供一个准确的结构与电气特性描述，用于分析杆塔在电磁暂态事件下的行为，包括对雷电流的响应及其对整体网络安全的影响。结构包括杆塔的高度、型号、材料特性（例如钢材或铝合金）及其地理布置。考虑杆塔的接地电阻、电感和电容。通常模型会包括每个杆塔顶部的电感值L、底部的接地电阻Rg以及与相邻杆塔之间的耦合电容C。

1.2.2.1 电感L1

电感L1通常与杆塔的高度和构造材料有关。考虑杆塔的几何结构和材料特性，应用经典电磁理论，计算垂直杆塔的自感应，通过麦克斯韦方程组和边界条件推导，得到杆塔的电感计算过程，如公式（6）所示。

（6）

式中：μ0为示真空磁导率（约为4π×10-7H/m）；h为杆塔的高度；r1为杆塔腿的平均半径。

公式（6）可用于计算不同高度和直径的杆塔在电磁暂态下的电感。

1.2.2.2 接地电阻Rg

接地电阻Rg由杆塔底部与土壤的接触面积和土壤的电导率决定。假设接地体为垂直圆柱，计算其与土壤的接触电阻，考虑土壤电阻率和几何尺寸，得到简化后的接地电阻，如公式（7）所示。

（7）

式中：ρ1为土壤的电阻率；L为接地体的长度；d为接地体的直径。

公式（7）用于计算不同长度和不同直径的接地体在不同土壤电阻率下的接地电阻。

1.2.2.3 耦合电容C1

耦合电容C1基于杆塔间距及相对位置确定，如公式（8）所示。

（8）

式中：ε为介质的电容率（通常为空气的电容率，约8.854×

10-12F/m）；D1为相邻杆塔的距离。

杆塔模型参数见表3。

1.2.3 线路模型

线路模型用于描述输电线路的电气行为，包括电阻、电感和电容的分布，这些特性直接影响线路在电磁暂态事件（例如雷电和开关操作）下的性能。线路通常被视为具有分布式电阻R、电感L和电容C，每一单位长度的参数通常根据线材材料、截面面积和排列方式进行计算。使用传输线理论，考虑电压和电流的波动以及传播延迟。传输线方程V（x，t）和I（x，t）描述电压和电流如何沿线路传播。

每公里长度的电感L2与导线的物理布局有关，如公式（9）所示。

（9）

式中：μr2为相对磁导率；D2为相邻导线的中心距；r2为导线的半径。

每公里长度的电容C2取决于导线间的相对位置和绝缘材料，如公式（10）所示。

（10）

线路模型参数见表4。

2 ±800kV特高压输电线路的防雷分析

2.1 雷电冲击波形及其对输电线路的影响

2.1.1 计算雷电冲击电流的时间序列

雷电冲击电流的时间序列如图1所示。

由图1可以看出电流如何从零迅速达到一个负峰值。这个初始的急剧下降反映了雷电击中瞬间产生的电流脉冲，电流在约135μs达到最低值。在到达负峰值后，电流逐渐回升，随着时间的推移缓慢向零靠拢。这表明雷电流并不会立即消失，而是逐步减弱，图1中显示，在939μs电流几乎回升到-2 kA。这种波形表现了雷电冲击电流的典型特征，即迅速的电流增加（负向峰值），然后再缓慢衰减。

2.1.2 影响分析

2.1.2.1 直接雷击的影响

当雷电直接击中输电线路或杆塔时，极高的电流会通过杆塔流向地面。这种高电流可以导致严重的热和电磁损伤，包括绝缘子损坏、导线断裂以及杆塔本身的结构损伤。此外，雷电流还会在整个系统中引起电压冲击，可能导致保护装置动作或失效，进而影响电网的稳定性和安全性。

2.1.2.2 感应效应

即使雷电没有直接击中输电线路，附近的雷电活动也会通过电磁感应在输电线路中诱发电压和电流。这些感应的电流和电压冲击可以在电网中传播，影响电子设备的运行，导致敏感设备损坏或误动作。

2.2 开关操作引起的电磁暂态

2.2.1 计算开关操作引起的电压变化

开关操作引起的电压变化见表5。

从时间0开始，电压突然从0kV跳至115.6kV，并保持不变直到33μs。这种突变的电压变化可能会在电网中引起电流的瞬时变化，产生电磁暂态效应。

2.2.2 影响分析

2.2.2.1 过电压问题

开关操作引起的电压突变可能导致过电压问题。当电压突然升高时，系统中的电压可能超过设备的额定耐压水平，导致设备损坏或失效。过电压问题可能会引发设备故障，增加维护成本，并对电网的可靠性和稳定性产生负面影响。

2.2.2.2 电压稳定性

电压突变可能影响系统的电压稳定性。突然的电压变化可能导致系统电压波动，影响供电质量。针对敏感设备和系统，例如计算机、通信设备等，需要关注电压稳定性。因此，需要适当地调节和控制开关操作引起的电压变化，以确保系统的稳定运行。

2.3 杆塔和线路模型对电磁暂态的响应分析

2.3.1 杆塔模型响应分析

2.3.1.1 结构特性影响

杆塔的结构特性直接影响其对电磁暂态事件的响应。例如，杆塔的高度、形状、材料等参数会影响其对雷电冲击的承载能力和分布。较高的杆塔能够更好地承受雷击，并将电流安全地引导至地面。

2.3.1.2 接地系统影响

杆塔的接地系统对电磁暂态事件的响应至关重要。良好的接地系统能够有效地将雷电冲击引导至地下，减少对线路和相关设备的损害。接地电阻和导体的选择及布置方式对系统的安全性和稳定性具有重要影响。

2.3.2 线路模型响应分析

2.3.2.1 电气特性影响

输电线路的电气特性，例如电阻、电感和电容等参数，会影响其对电磁暂态事件的响应。电阻决定线路的电流承载能力，电感和电容则影响电流和电压的分布和传播速度。合理设计线路参数能够提高系统的稳定性和抗干扰素力。

2.3.2.2 传输特性影响

线路的传输特性决定电磁波在线路上的传播方式和延迟情况。解线路的传输特性有助于预测电磁暂态事件的传播路径和影响范围，为系统保护和运行提供参考。

3 结语

综上所述，本文对±800kV特高压输电线路的防雷研究进行深入探讨。通过电磁暂态程序计算原理的分析能够准确设置暂态计算的初始条件，以确保计算结果的可靠性。激励源模型的建立为模拟实际物理事件提供重要依据，而杆塔模型和线路模型的分析揭示系统对电磁暂态的响应特性。在对电磁暂态事件的影响分析中，着重考虑过电压问题、电压稳定性、保护装置响应和绝缘问题等。

参考文献

[1]陆佳政，皮新宇，朱思国，等.新型电力系统源网设备典型外部灾害防治挑战与展望[J].新型电力系统，2024，2（1）：36-51.

[2]陈卓，陈嘉康.220kV高压输电线路防雷接地技术探析[J].电气技术与经济，2024（1）：338-339，342.

[3]王苗.高压输电线路工程的设计与施工策略分析[J].集成电路应用，2023，40（11）：356-357.

[4]赵春宇，吴红石，熊志群，等.高压输电线路的防雷技术[J].模具制造，2023，23（11）：175-177.