±660 k V直流輸電線路反擊耐雷性能研究

袁海燕，劉 民，莊燕飛，姚金霞

（1.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東電力集團(tuán)公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250021）

0 引言

寧東—山東±660 kV高壓直流輸電線路于2010年投運(yùn)，是世界上第一條電壓等級(jí)為660 kV的直流輸電線路。雖然高壓直流線路的絕緣水平相對(duì)較高，發(fā)生反擊的可能性相對(duì)較小，但是其供電可靠性要求提高，桿塔高度增加，線路走廊的尺寸增加，沿途地面狀況復(fù)雜，氣候多變，遭受自然雷害的幾率也隨之增加，因此，±660 kV高壓直流輸電線路的防雷工作至關(guān)重要。

對(duì)于高壓直流架空線路，雷擊線路桿塔或架空地線時(shí)，其中極性與雷擊過電壓相反的那一極導(dǎo)線，其塔頭間隙和絕緣子串承受的電壓是雷電沖擊電壓和直流工作電壓之和，而與雷擊過電壓極性相同的另一極導(dǎo)線，其塔頭間隙和絕緣子串承受的電壓是雷電沖擊電壓和直流工作電壓之差。直流輸電系統(tǒng)的這些特點(diǎn)使得雙極具有不平衡絕緣特性，間隙的放電電壓也必然與沒有直流工作電壓的情況大不相同。因此，分析直流線路耐雷水平時(shí)應(yīng)考慮直流工作電壓影響。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交流輸電線路的耐雷性能研究較多，而對(duì)直流線路耐雷性能的研究較少。

耐雷水平是衡量輸電線路安全性的一個(gè)重要指標(biāo)。一般雷電直擊架空導(dǎo)線的發(fā)生概率很小，大部分雷擊發(fā)生在傳輸線桿塔頂部。雷擊桿塔時(shí)大部分雷電流沿桿塔泄入大地，使桿塔電位升高，絕緣子串發(fā)生反擊閃絡(luò)，因此有必要分析雷擊桿塔頂部時(shí)線路的耐雷性能。

高壓直流輸電線路桿塔較高（一般在50 m以上），波沿桿塔傳播時(shí)，沿塔身的單位長(zhǎng)度電感和單位長(zhǎng)度電容是變化的，沿桿塔分布的波阻抗也應(yīng)該是變化的。因此，用簡(jiǎn)單的集中參數(shù)模型［1－2］計(jì)算桿塔的波阻抗，并用來評(píng)估特高壓輸電線路的耐雷性能將帶來較大的誤差。國(guó)外一些學(xué)者在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了超高壓線路桿塔的多波阻抗模型［3－6］，用于改進(jìn)高壓輸電線路反擊耐雷性能的仿真研究。

本文利用ATP－EMTP對(duì)±660 kV高壓直流輸電線路進(jìn)行建模，桿塔采用多波阻抗模型，絕緣子閃絡(luò)判據(jù)采用相交法，考慮直流工作電壓，在單極運(yùn)行方式下，雷擊直流線路桿塔頂端時(shí)，分析線路及桿塔的過電壓水平和線路耐雷水平。

1 雷擊桿塔模型

桿塔、桿塔沖擊接地電阻、雷電流波形和幅值以及絕緣子閃絡(luò)判據(jù)是決定仿真準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。

1.1 桿塔模型

由波阻抗的特性可知，垂直圓柱體的波阻抗值僅依賴于該圓柱體的半徑和高度，因此可用式（1）描述單根垂直導(dǎo)體的波阻抗：

式中：h和r分別為圓柱體的垂直高度及半徑。

±660 kV直流線路典型桿塔結(jié)構(gòu)如圖1，為了便于建模，把桿塔視為圓柱體的組合，示意圖如圖 2所示。該桿塔為4導(dǎo)體系統(tǒng)，并按幾何結(jié)構(gòu)分為3段，每一段都分為主支架和支架部分，并假定每一部分均勻分布，根據(jù)各部分的幾何尺寸可計(jì)算出波阻抗。主支架部分波阻抗由式（2）計(jì)算

其中，hk（k＝1，2，3）、rTk（k＝1，2，3）、RTk（k＝1，2，3）、rB、RB分別為圖2中對(duì)應(yīng)桿塔部分的高度與長(zhǎng)度。

實(shí)測(cè)得到有支架情況下波阻抗值通常比無支架情況下的波阻抗約小10%［7］，各段支架部分阻抗與主支架部分阻抗屬于并聯(lián)，因此支架每部分波阻抗為

圖1 ±660 kV線路典型桿塔

圖2 桿塔示意圖

式中：hk為第k部分橫擔(dān)所對(duì)應(yīng)的對(duì)地高度；rAk為第k部分橫擔(dān)的等效半徑，可取為桿塔主體節(jié)點(diǎn)處橫擔(dān)寬度的 1／4。

根據(jù)以上分析計(jì)算建立的直流特高壓桿塔多波阻抗模型如圖 3 所示。 圖中：ZAk（k＝1，2）為對(duì)應(yīng)于圖3 中橫擔(dān)的波阻抗；ZTk（k＝1，2，3），ZLk（k＝1，2，3）分別為對(duì)應(yīng)圖3中從上到下各部分主支架及支架部分波阻抗。

實(shí)測(cè)表明，電磁波通過含有支架的多導(dǎo)體系統(tǒng)時(shí)需要更長(zhǎng)時(shí)間，模型支架部分的長(zhǎng)度是主支架對(duì)應(yīng)部分的1.5倍。因此，橫擔(dān)的波阻抗可采用式（4）計(jì)算［4］

圖3 桿塔多波阻抗模型

1.2 雷電流

本文按我國(guó)防雷設(shè)計(jì)中所采用的2.6／50 μs的波形，由于所涉及的桿塔較高，考慮到計(jì)算結(jié)果的精確度，雷電波取半余弦波頭。已有研究表明，雷電流在5～30kA范圍時(shí)，雷電通道波阻抗為900～600 Ω；雷電流在30～200 kA范圍時(shí)，雷電通道波阻抗比較穩(wěn)定，約為 600～300 Ω［8］。本文研究的雷電流在 100 kA以上，因此選雷電通道波阻抗為400 Ω。

1.3 絕緣閃絡(luò)判據(jù)

相交法判斷絕緣閃絡(luò)的方法是只要絕緣子串上的過電壓波與伏秒特性曲線相交即判為發(fā)生閃絡(luò)，不相交就判為不閃絡(luò)。一些國(guó)家采用相交法所得的結(jié)果與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基本相符合［8］。因此本文的絕緣子閃絡(luò)判據(jù)采用相交法判據(jù)。

由于±660 kV線路絕緣子伏秒特性曲線尚未得到確切數(shù)據(jù)，暫時(shí)采用絕緣子50%閃絡(luò)電壓代替絕緣子伏秒特性曲線，即認(rèn)為當(dāng)絕緣子串上的過電壓幅值超出絕緣子50%閃絡(luò)電壓時(shí)，絕緣子閃絡(luò)。

式中，L為絕緣子絕緣長(zhǎng)度。

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，首先將本模型應(yīng)用于文獻(xiàn)［9］中的±800 kV 高壓直流輸電線路，±800 kV直流桿塔的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸如圖4。桿塔呼高為65 m。線路絕緣子采用長(zhǎng)度為10.880 m的合成絕緣子。

利用所建模型得到±800 kV輸電線路的反擊耐雷水平為231 kA，文獻(xiàn)［9］中的結(jié)果為239 kA，兩者相近，所以認(rèn)為本模型是有效的。

圖4 ±800 kV直流桿塔的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸（單位:mm）

3 ±660 kV線路的反擊耐雷性能計(jì)算分析

按我國(guó)±660 kV高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)參數(shù)，導(dǎo)線采用 4×JL／G3A－1000／45 型鋼芯鋁絞線，分裂導(dǎo)線的分裂間距400 mm；避雷線采用LBGJ－150－20 AC鋁包鋼絞線；絕緣子絕緣長(zhǎng)度為7.3 m，理想經(jīng)濟(jì)檔距取460 m。以ZP2711桿塔為例，分析桿塔呼稱高度和接地電阻對(duì)線路反擊耐雷水平的影響。±660 kV線路桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

由于雷電流以負(fù)極性居多，雷擊塔頂時(shí)，正極導(dǎo)線的絕緣子承受的電壓較大。所以本模型中雷電流為負(fù)極性，導(dǎo)線電壓取＋660 kV。

3.1 桿塔高度對(duì)±660 kV線路反擊耐雷水平的影響

表2為沖擊接地電阻為10 Ω，不同桿塔呼稱高度時(shí)±660 kV輸電線路的反擊耐雷水平，可以看出，桿塔高度每增加6 m，反擊耐雷水平約下降6%。±660 kV輸電線路走廊地形差異較大，桿塔呼高從普通地形的42 m到大跨越段的81 m，大跨越段線路的反擊耐雷水平顯著降低。

這是因?yàn)闂U塔高度越高，引雷面積增大，落雷次數(shù)增加，同時(shí)雷擊塔頂后沿桿塔傳播至接地裝置時(shí)引起的負(fù)反射波返回到塔頂或橫擔(dān)所需時(shí)間也變長(zhǎng)，使得塔頂或橫擔(dān)電位增高，易形成反擊。

表1 ±660 kV桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù) m

表2 不同桿塔呼高時(shí)線路的耐雷水平

3.2 桿塔沖擊接地電阻對(duì)輸電線路反擊耐雷性能的影響

基于±660kV直流輸電線路的典型桿塔ZP2711，接地電阻從5 Ω到25 Ω時(shí)，線路的耐雷水平如表3。由表3可見：隨著桿塔沖擊接地電阻的減小，輸電線路反擊耐雷水平顯著提高。沖擊接地電阻由10 Ω降低到5 Ω時(shí)，反擊耐雷水平提高了28%；沖擊接地電阻由15 Ω降低到10 Ω時(shí)，反擊耐雷水平提高了21%。可見，減小桿塔沖擊接地電阻是提高±660 kV直流輸電線路耐雷水平的有效措施。

表3 不同沖擊接地電阻時(shí)線路的耐雷水平

3.3 雷擊桿塔后的過電壓分析

基于典型塔型ZP2711分析線路的過電壓情況。圖5是雷電流為200 kA時(shí)的塔頂電位和絕緣子兩端電壓，圖6是雷電流為250 kA時(shí)塔頂電位和絕緣子兩端電壓。從圖中可見，當(dāng)200 kA的雷電流擊于桿塔時(shí)，塔頂電位峰值為1900 kV，絕緣子兩端承受的最高電壓為3850 kV。當(dāng)雷電流為250 kA時(shí)，塔頂電位峰值為2250 kV，絕緣子兩端承受的最高電壓為4600 kV。

當(dāng)雷電流超過耐雷水平時(shí)，絕緣子兩端的電壓峰值超過它的50%閃絡(luò)電壓，絕緣子閃絡(luò)，閃絡(luò)后兩端電壓為0；當(dāng)雷電流小于耐雷水平時(shí)，絕緣子兩端的電壓小于它的50%閃絡(luò)電壓，絕緣子不閃絡(luò)。另外，由于導(dǎo)線電壓較高，絕緣子兩端電壓遠(yuǎn)大于塔頂電位，因此導(dǎo)線電壓對(duì)線路耐雷水平的影響不容忽視。

圖5 絕緣子串不閃絡(luò)時(shí)的電壓

圖6 絕緣子串閃絡(luò)時(shí)的電壓

4 結(jié)語(yǔ)

利用ATP－EMTP建立計(jì)算高壓直流輸電線路反擊耐雷水平的模型，應(yīng)用于±800 kV線路，所得結(jié)果與已有文獻(xiàn)相符，證明了本模型的有效性。

利用所建模型，基于典型塔型ZP2711，接地電阻為10 Ω，計(jì)算得到±660 kV直流輸電線路的反擊耐雷水平為232 kA，對(duì)于呼稱高度較高的大跨越桿塔耐雷水平下降為175 kA。因此在大跨越段應(yīng)加強(qiáng)線路桿塔的接地電阻排查，以免引起絕緣子閃絡(luò)。

減小沖擊接地電阻比降低桿塔呼稱高度能更有效地提高線路耐雷水平。

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