基于軟件仿真法計算提高線路耐雷水平的研究和應用

孫建領

SUN Jian-ling

（南京化工職業技術學院，南京 210048）

0 引言

架空輸電線路遭雷擊跳閘一直是困擾安全供電的一個難題，雷害事故幾乎占具線路全部跳閘事故的2/3。尋求更有效的線路防雷保護措施，一直是世界各國電力工作者關注的課題，尤其是35kV及以下電壓等級的配電線路絕緣性能較差、耐雷水平較低，防雷的問題更為突出。本文選擇了11條典型的不同塔桿型式的35KV線路并對其線路基本參數進行分析，采用ATP－EMTP軟件仿真法對這三種塔形的耐雷水平進行了仿真計算，得出桿塔接地電阻降低、輸電線路絕緣子調爬及加裝線路型氧化鋅避雷器以提高防雷耐雷水平并進行了應用。

1 基本概況

1.1 線路基本參數分析

根據11條35kV輸電線路的資料，這些線路桿塔型式有水泥桿塔、鐵塔和鋼管塔。這11條線路每條的長度都不超過10km長，桿塔數不超過51基，變電所進出線段設計有架空避雷線。2003年至2006年遭受雷擊次數最多是G線，共遭受6次雷擊，其次是CI線，為3次，有的線路遭受雷擊未找到雷擊點，相關線路基本參數及線路雷擊次數統計如表1所示。

表1 線路雷擊次數統計表

1.2 線路雷害情況分析

經收集整理，這11條線路自2003年至2006年共遭受20次雷擊，其中有6次找到了故障桿塔號（6次雷擊情況如表2所示），由于當時遭受雷害情況記錄不詳細，難以準確判斷雷害方式，但從絕緣子損壞情況可以看出，CI線3#桿塔遭受雷擊是由于雷擊東相導線，導致絕緣閃絡，CI線3＃、F線11＃桿塔遭受雷電繞擊，D線23＃、CII線27＃塔遭受雷電反擊。

表2 6次雷擊情況

2 典型桿塔耐雷水平的計算分析

2.1 軟件仿真法計算線路耐雷水平分析

所研究的這11條35kV輸電線路大致可分為3種塔形，分別為鐵塔，水泥塔和鋼管塔，利用ATP－EMTP法對這三種塔形的耐雷水平進行仿真計算。

ATP(即Alternative Transient Program)是目前國際上計算電磁暫態現象以及電機原理應用最廣泛的數字仿真軟件之一，是道梅爾于20世記50年代末在美國伯尼維爾電力管理局（簡稱BPA）工作期間編制的BPA EMTP(Electromagnetic Transient Program)程序的繼續和發展。這兩個程序在功能和輸入數據卡片的填寫上大體相仿，主要用于模擬計算電力系統的電磁暫態過程，為電力系統的科研，設計和安全運行提供可靠的依據。

ATP的基本原理是：根據元件的不同特性，建立相應的代數方程，常微分方程和偏微分方程，形成節點納矩陣。采用優化節點編號技術和稀疏矩陣算法，以節點電壓為未知量，利用矩陣三角分解求解，最后求得各支路的電流，電壓和所有消耗的功率，能量。在穩態計算中應將非線性元件線性化，包括利用簡單的迭代進行潮流計算。在暫態計算中非線性特性可以用分線段線性化來處理，也可以進行迭代求解。

ATP程序可以求解包括旋轉電機，電源，變壓器，避雷器，線性與非線性元件，控制系統，輸電線和電纜等多種模型組成的大型電力系統的穩態和暫態過程。凡是可用電路來模擬的其它系統，如機械系統的穩態和暫態過程，均可用此程序來計算。用此數字程序可以仿真任意結構的復雜網絡，分析控制系統，電力電子設備以及非線性的元器件例如電弧和電暈。允許對稱或不對稱干擾，如故障，雷電浪涌，各種各樣的開關操作，包括換流閥。還支持相量網絡的頻率相應的計算。

目前，在國內的輸電線路防雷計算中，桿塔的模擬通常由兩種模型：一個是采用集中電感進行模擬，另一種就是當桿塔高度較高時，根據桿塔結構，把桿塔看作一個均勻參數，用一個波阻抗來模擬。但是，近年來的研究顯示，只用一個集中電感模擬桿塔，忽略桿塔對地電容，由此得出的結果誤差較大并且計算時接地電阻的影響被夸大。超高壓輸電線路越來越多，桿塔高度也越來越高，繼續將整個桿塔視為均勻參數模擬與事實不符。

在最初建立的輸電線路中，通常都采用集中電感來模擬桿塔，忽略了桿塔上的波過程。前人在集中電感模擬上做了一系列的工作，得出了不同結構的桿塔單位長度的電感值。但是，隨著輸電系統電壓等級的不斷提高，采用集中電感模擬桿塔進行防雷計算的弊端也越來越明顯，計算結果的準確度也有一定的降低。

采用單一波阻抗來模擬桿塔是由于高桿塔的出現，考慮到雷電波從塔的頂部運動到塔基是需要時間的，在這點上它優越于集中電感模擬。目前，采用單一波阻抗來模擬桿塔（垂直導體），把桿塔看作一個均勻參數，取值僅僅是根據桿塔自身結構確定，相對于目前桿塔高度很高的情況下，這個取值顯然是不準確的。

用EMTP模型計算耐雷水平是通過把線路、桿塔按分布參數進行模擬，考慮雷電波在線路中的波過程和桿塔及相鄰桿塔波過程及波的折反射來進行的，同時考慮線路的工頻電壓及感應過電壓更加逼近實際。線路和桿塔分布參數由EMTP中LINE CONSTANTS子程序計算得到。

圖1 模擬雷電流波形

2.2 模型的建立

2.2.1 雷電流的模型

雷電流幅值、波頭時間均按規程規定處理，取雷電流波型為2.6／50μs、負極性，作為研究中的主要波型。用簡煉的數學表達式來描述典型的雷電流波形，顯然有助于定量分析，以便于進行許多相關的計算。Stekolnikov（1941）以及Bruce和Golde（1941）同時提出了雙指數表達式：

經計算，其雙指數波形的表達式為：

2.2.2 桿塔模型

在工程近似計算上，桿塔常被等效為集中參數的電感或分布參數長線。波速為300m/μs，模型如圖2所示。

圖2 桿塔分布參數模型

2.2.3 TACS子程序模擬絕緣子串閃絡的過程

絕緣子串兩端的電壓和絕緣子串的伏秒特性分別是時間的函數，可以用一個或者多個FORTRAN表達式來表示。如圖3所示，52＃中的驅動信號模擬絕緣子串兩端的電壓曲線，有名＋固定闕限值模擬絕緣子串的伏秒特性曲線，當某一時刻驅動信號≥有名＋固定闕限值時，52＃特殊裝置內部的開關閉合，其輸出為一正數，將一個由其輸出控制開關狀態的13＃TACS開關閉合。此TACS開關相當于絕緣子串，打開狀態為絕緣子串正常狀態，閉合狀態為絕緣子串閃絡狀態。由于TACS開關時閉時合，而絕緣子串閃絡后不會恢復正常，所以要采取措施，必須使TACS開關一次閉合后就不再打開。可行的方法是在52＃特殊裝置的輸出端，即在TACS開關的控制端前加一個64＃特殊裝置。這樣，52＃特殊裝置輸出一旦為正數，就始終為此數不變，從而TACS開關一次閉合后就不再打開，正確地模擬了絕緣子串的閃絡特性，如圖3所示。

圖3 TACS組合控制模型模擬絕緣子串閃絡特性

2.2.4 仿真等值電路

采用EMTP－ATP對線路耐雷水平進行計算的等值仿真電路如圖4所示。

圖4 仿真等值電路

2.3 帶避雷線三種塔的ATP仿真

2.3.1 帶避雷線上字型鐵塔ATP仿真

分別計算該塔形接地電阻不同時（5Ω、7Ω、10Ω、15Ω、25Ω），裝設或不裝設三相避雷器，調爬或不調爬的耐雷水平。

選取三片絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%350kV，四片絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%460kV；波阻抗150Ω；鐵塔高度15m；橫擔高度為10.8m；橫擔寬度取5m。

圖5 鐵塔分布參數模型

圖6 線路仿真模型

圖7 計算過程

圖8 計算輸出

2.3.2 帶避雷線帶拉線門型水泥桿ATP仿真

分別計算該塔形接地電阻不同時（5Ω、7Ω、10Ω、15Ω、25Ω），裝設或不裝設三相避雷器，調爬或不調爬的耐雷水平。

選取三片絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%350kV，四片絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%460kV；波阻抗125Ω；鐵塔高度18m；橫擔高度為15m；橫擔寬度取6m。

圖9 桿塔分布參數模型

圖10 線路仿真模型

圖11 計算過程

圖12 計算輸出

2.3.3 帶避雷線鋼管塔ATP仿真

分別計算該塔形接地電阻不同時（5Ω、7Ω、10Ω、15Ω、25Ω），裝設或不裝設三相避雷器，調爬或不調爬的耐雷水平。

選取三片絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%350kV，四片絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%460kV；波阻抗180Ω；鐵塔高度11m；橫擔高度為6.5m；橫擔寬度取4.5m。

圖13 桿塔分布參數模型

圖14 裝設三相避雷器線路仿真模型

圖16 計算輸出

2.4 計算結果

表3 耐雷水平仿真計算結果 單位：kA

在接地電阻為10Ω時，鐵塔、水泥桿和管型塔的耐雷水平計算值分別為32.8kA、30 kA和36.7KA，而當接地電阻增大到25Ω時，鐵塔、水泥桿和管型塔的耐雷水平計算值分別為15.1 KA、14.6 kA和17.3KA。

根據以上線路耐雷水平的計算，可以看出不論鐵塔、水泥桿還是管型塔，其耐雷水平隨著接地電阻的升高而降低，因此，降低桿塔接地電阻是提高耐雷水平的有效方法，將接地電阻降到5Ω以下，并且同時采取調爬、加裝避雷器等措施，能夠更好的提高線路耐雷水平。

3 提高某區35kV輸電線路耐雷及防雷水平方法的應用

采用ZC-8搖表對某區以下線路部分桿塔接地電阻進行了測量，測量結果為：

從抽查測量的情況來看，目前某區35kV輸電線路桿塔接地存在以下問題：

1）部分桿塔接地電阻偏大；

2）部分桿塔接地引下線連接不好、螺栓松動、銹蝕、引下線過長、連接不好；

3）很多水泥桿的接地引下線未敷設。

通過上述桿塔接地電阻抽查測量發現，桿塔接地電阻偏高易遭受雷擊，結合ATP－EMTP軟件仿真計算結果，對某區35kV輸電線路采取降低接地電阻、調爬以及加裝避雷器的方法，可提高某區35kV輸電線路耐雷及防雷水平。

3.1 降低接地電阻的方法

根據桿塔接地電阻測量情況，對所選擇的某區11條35kV輸電線路中桿塔接地電阻值偏大的進行開挖檢查并進行處理：

1）對接地極銹蝕但未銹斷的桿塔，用防腐涂料或瀝青處理；

2）對接地極銹斷的桿塔，重新敷設接地極進行修復或者從新焊接，并用防腐涂料或瀝青處理；

3）對部分鋼筋混凝土桿重新敷設接地引下線代替電桿內接地方式；

4）對利用內筋接地的電桿檢查內筋、橫擔、避雷支架與接地螺栓的連接情況，確保連接可靠。

3.2 輸電線路絕緣子調爬

雷擊跳閘主要是由于雷擊桿塔頂部引起的，增加3片絕緣子可使雷擊跳閘率降低27%；雷擊跳閘主要是由于雷繞擊線路引起的，那么增加3片絕緣子可使雷擊跳閘率降低13.2%。

在線路上采用的絕緣子按電介質材料分類，有瓷、玻璃、有機合成絕緣子三種類型。從防雷保護的角度看，無論采用哪一種類型的絕緣子，都要確保絕緣子串足夠的沖擊耐受水平(U50%)，不出現低值或零值絕緣子，檢出零值后盡早更換，就可以保證線路桿塔有足夠的耐雷水平。

3.3 加裝線路型氧化鋅避雷器應用后的效果

根據線路耐雷水平的計算結果，可以看出不論鐵塔、水泥桿還是管塔，在裝設三相避雷器后，其桿塔耐雷水平較未裝設三相避雷器時均提高一倍以上。通過對輸電線路的易遭雷擊區安裝線路型氧化鋅避雷器，使線路桿塔的耐雷水平得到了提高，大大降低了線路雷擊跳閘率。

4 結論

本研究說明了35KV線路可以采用模型通過仿真計算，得出防雷避雷應該降低接地電阻、輸電線路絕緣子調爬、加裝線路型氧化鋅避雷器的辦法；從理論上解決了防雷避雷的方法并對此方法利用典型的線路采用模型通過仿真計算得到了驗證，本研究的不足之處沒有對非典型的線路進行驗證。

[1]吳龍云.關于35 kV輸電線路防雷分析研究[J].機電信息,2009,36,246.

[2]施展鵬,宋剛.桿塔接地電阻的改善及仿真分析[J].機電工程,2007,24(12)：102-105.

[3]平紹勛.周玉芳.高電阻接地的特點和應用[J].高電壓技術,2007,22(11)：245-248.

[4]吳薛紅,濮天偉,廖德利.防雷與接地技術[M].北京：化學工業出版社,2008.

[5]王劍,劉亞新,陳家宏,童雪芳,朱蕓.基于電網雷害分布的輸電線路防雷配置方法[J].高電壓技術,2008,10,31.

[6]林苗.線路避雷器在防雷中的分流系數推導[J].廣西電力,2008,02,29.