沖擊電流波頭對桿塔沖擊特性 模型試驗結果的影響研究

阮浩浩 陳 堅 傅正財 江安烽

（電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

雷擊桿塔的沖擊響應是分析桿塔遭受雷擊時瞬態過電壓的重要環節，而桿塔的波阻抗又是分析沖擊特性的重要參數。在輸電線路雷擊反擊耐雷性能的分析計算中，建立合適的桿塔模型以準確評估線路雷電過電壓是非常重要的，同時塔身及各層橫擔的電位分布特性對防雷參數選取也有重要意義，從而國內外學者對桿塔模型開展了大量理論和試驗研究[1-5]。為準確測量桿塔波阻抗，日本實際測量了UHV 和500kV線路桿塔的沖擊特性[1，6]，國內也有對500kV 雙回路鐵塔的波阻抗進行的實際測量[7]。由于測量真型桿塔波阻抗技術難度高、工程量大，而小模型試驗經濟且布線方式更靈活，從而國內外許多學者采用了基于微納秒技術的幾何模型試驗[8-9]。

本文分析了當前國內外常用的集中電感、單波阻抗及多波阻抗3 種桿塔模型，采用ATP-EMTP 計算原型桿塔在模擬雷電流注入塔頂時的塔頂、各橫擔電壓及桿塔分流系數，對比1/40 桿塔模型的沖擊響應小模型試驗結果，選擇了多波阻抗模型。采用該模型計算了不同波頭的沖擊電流下1/40 桿塔模型的沖擊特性，結果表明，沖擊電流波頭對桿塔塔頂及各橫擔電壓影響很大，嚴格按照模型比例尺選取沖擊電流波頭進行小模型沖擊特性試驗研究是合適的。

1 桿塔的計算模型

本文研究的是用于500kV 同塔雙回線路的型號為5F-SJC1 的桿塔，其結構如圖1所示。

圖1 5F-SJC1 桿塔詳細尺寸圖

1.1 等值電感模型

早期輸電線路由于電壓等級較低，桿塔的高度比較低，在桿塔的防雷計算中常忽略桿塔的波過程，用集中電感模擬桿塔。根據我國規程推薦的參數，計算中鐵塔電感取0.50μH/m[10]。

桿塔對應集中電感模型如圖2所示，計算得到各段的等值電感為L1=3.5μH，L2=5.75μH，L3=5.75μH，L4=16.5μH，為與下文小模型試驗作對比，接地電阻Rf=0.1Ω，下文中的接地電阻均取0.1Ω。

圖2 桿塔集中電感模型

1.2 單一波阻抗模型

隨著輸電線路電壓等級不斷提高，桿塔的高度不斷增加，考慮到雷電流從塔的頂部傳到塔基需要時間，提出了用均勻參數的波阻抗Z來模擬桿塔。文獻[2]介紹了目前國內外常用的單波阻抗計算公式有Jordan、Wagner、Sargent、原武久、Yamada、ΙEEE 和CΙGRE 等公式，本文采用ΙEEE 和CΙGRE推薦的計算公式，桿塔以各層橫擔為分界，按四段波阻抗串聯來處理。用于計算每段波阻抗的等效半徑計算如圖3所示。

圖3 等效半徑計算示意圖

等效半徑及桿塔每段波阻抗計算公式如下：

桿塔對應單波阻抗模型如圖4所示，由式（1）及式（2）計算得本文所研究的桿塔的各段波阻抗分別為ZT1=146.3Ω，ZT2=151.6Ω，ZT3=131.2Ω，ZT4=147.1Ω。

圖4 桿塔單波阻抗模型

1.3 多波阻抗模型

多波阻抗模型主要有Hara 無損線桿塔模型和西安交大學者提出的模型等[2]，本文采用Hara 無損線桿塔模型。Hara 提出的無損線桿塔模型如圖5所示，其中ZT對應于塔身，ZL對應于支架，ZA對應于橫擔。對塔高大于50 m 的桿塔模型（本文5F-SJC1 為63m）分為4 個部分，每部分主支架的波阻抗為[2]

其中，桿塔各部分的等效半徑rek用經驗公式求取，hk、rtk、Rtk和rB、RB為圖6各部分所對應的尺寸，其意義如圖6所示。

支架和橫擔部分波阻抗分別為[2]

其中，hk和rAk為第k個橫擔的高度和等效半徑。

圖5 桿塔Hara 無損線模型

圖6 不平行多導體系統中的參數含義圖

5F-SJC1 桿塔的參數及用Hara 無損線模型計算所得的參數見表1。

表1 5F-SJC1 桿塔的Hara 無損線模型參數

2 模型選擇

本文分別采用集中電感、單波阻抗及多波阻抗3種模型，利用ATP-EMTP 計算了雷擊塔頂時的塔頂、各層橫擔電壓及桿塔分流系數，對比1/40 桿塔模型的沖擊響應小模型試驗結果，選擇合適的計算模型。

2.1 計算參數選擇

1）計算用的雷電波有4 種，即斜角波、雙指數波、斜角平頂波和半余弦波。本文選取上升時間為2.6μs 的斜角平頂波作為計算用的雷電波。因要與下文實測作對比，實測電流源無法產生大幅值的電流，而低壓下的桿塔沖擊特性試驗，被測系統不存在電暈效應等非線性因素，響應曲線的形狀與注入電流的幅值無關[11]，從而模擬雷電流幅值采用10A，其雷電通道波阻抗取為300Ω。

2）500kV 輸電線路采用雙避雷線，線路導線為LGJ-400/35 鋼芯鋁絞線，避雷線為JLB40A-150 鋼絞線，檔距為450m。

3）因要與下文實測對比，接地電阻取試驗大廳地網接地電阻Rf=0.1Ω。

4）為消除遠端線路的折反射影響，用三相350Ω的電阻模擬無窮長線路的阻抗匹配，兩根地線上分別串入300Ω 的匹配電阻。

整體線路模型如圖7所示。

圖7 整體線路模型

2.2 計算結果

用不同桿塔模型計算雷擊塔頂時的等效電路如圖8所示。其中A 為桿塔的不同模型，B 為避雷線的等效模型，Ib為流過避雷線模型的電流，Igt為流過桿塔模型的電流，Rf為桿塔接地電阻。桿塔的分流系數β=Igt/(Ib+Igt)。3 種不同模型下1.3μs 及2.6μs時的桿塔分流系數計算見表2。

圖8 分流系數計算等值電路

表2 三種模型下的桿塔分流系數

三種模型下桿塔的塔頂、各層橫擔電壓波形如圖9所示。

圖9 三種模型下塔頂及各層橫擔電壓波形

計算結果表明：①三種模型下的桿塔塔頂及各橫擔電壓差別較大；②不同模型對桿塔分流系數影響不大；③各層橫擔電壓幅值相對于塔頂電位呈線性分布。

2.3 模型試驗

小模型試驗的可行性在國外眾多文獻中已得到驗證[9，12]，本文進行了測量桿塔模型沖擊響應的小模型試驗，用模型試驗結果對比上述三種模型下的計算結果，以選擇合適的桿塔波阻抗模型。試驗布置如圖10所示。

試驗在空曠的高壓試驗大廳進行，為消除電流、電壓引線的電磁耦合影響，測量時使兩者保持互相垂直，桿塔腳與試驗大廳的地網相連，每相線路接地前串入350Ω的匹配電阻，地線上串入300Ω的匹配電阻。電流和電壓信號均采用雙屏蔽電纜饋送至示波器，電流用比例系數為1的Pearson 2877線圈測量，試驗時采用Tek DPO3012示波器，測量時示波器用隔離變供電。試驗所用電流源波形如圖11所示，上升陡度約為65ns，其桿塔塔頂及各層橫擔電壓波形如圖12所示。

圖10 小模型試驗布局圖

圖11 試驗所用電流源波形

圖12 試驗所得塔頂及各層橫擔電壓波形

相比小模型試驗所得的結果，集中電感、單波阻抗和多波阻抗在塔頂及各橫擔電壓上的最大誤差分別為5%、30%和3%，由于集中電感模型下的塔頂及各橫擔電壓最大幅值持續時間過長，與模型試驗結果不符，而多波阻抗模型下的結果與模型試驗結果匹配度最高，因此選擇多波阻抗模型作為計算所用模型是合適的。

3 不同波頭下的小模型計算

幾何模擬的原則是將線路、桿塔的各部分按一定的比例m（m=模型尺寸/實際尺寸，本文取1/40），縮小成幾何模型，模型與原型各參數的比例見表3。小模型采用多波阻抗模型進行計算。由于原型塔計算的時候采用上升時間為2.6μs 的斜角平頂波，則小模型計算時采用上升時間為65ns（比例1/40），幅值為10A 的斜角平頂波。為說明沖擊電流波頭時間對桿塔沖擊特性的影響，還對比計算了上升時間分別為40ns 及100ns 的斜角平頂波情況下的桿塔分流系數和各層橫擔電壓。

表3 縮比模型參數比例

小模型注入3 種相同幅值，不同波頭時間的沖擊電流波形在0.5 倍及1 倍波頭時刻時的桿塔分流系數見表4，塔頂及各層橫擔電壓波形圖如圖13所示。

圖13 相同幅值、不同波頭時間沖擊 電流作用下塔頂及各層橫擔電壓波形

表4 三種不同波頭時間下的桿塔分流系數

計算結果表明：①波頭時間65ns，即嚴格按照比例尺（本文為1/40）時，其塔頂及各橫擔電壓幅值與原型塔計算時基本一致；當波頭時間為40ns（減小38.5%）時，其塔頂及各橫擔電壓升高66%；當波頭時間為100ns（增大53.8%）時，其塔頂及各橫擔電壓降低33%；②波頭時間越小，桿塔分流系數越大。

4 結論

1）小模型試驗的雷電流波頭時間嚴格按照模型比例尺選取是合適的，波頭時間減小會使塔頂及橫擔電壓升高，波頭時間增大會使塔頂及橫擔電壓電壓降低。

2）不同桿塔模型對桿塔的分流系數影響不大；波頭時間越小，桿塔分流系數越大。

3）各層橫擔電位隨橫擔高度呈線性分布。

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