工頻電壓對220 kV同塔雙回輸電線路雷擊閃絡特性的影響

邱建江

（廣東電網有限責任公司肇慶供電局， 廣東 肇慶 526060）

引言

雷擊是造成輸電線路跳閘的首要原因，是各類外因之首[1-3]。隨著電網輸電規模不斷遞增，對線路走廊用地提出了更高的需求，為解決日益緊張的線路用地難題，同塔雙回甚至多回線路已廣泛運用于輸電網絡中[4-6]。然而同塔多回線路平行傳輸線之間的耦合效應較強，且雷擊時刻各相導線幾乎同時承受雷電過電壓作用，極容易產生多相甚至是多回同跳的嚴重事故，造成線路大量有功功率損失，給電網帶來嚴重沖擊[7-9]。

相關研究及應用表明，工頻電壓對同塔多回線路雷擊閃絡特性具有較大影響，然而目前我國輸電線路雷擊防護計算與改造相關研究或是工程應用里較少考慮工頻運行電壓的影響，計算得到的耐雷水平與真實情況存在較大差異，難以解釋實際運行中出現的異常雷擊閃絡跳閘情況。目前美、日等國在防雷計算里已將工頻電壓對雷擊閃絡特性的影響考慮進去，我國規程卻未考慮此因素，存在不合理性。

分析工頻電壓對同塔多回輸電線路雷擊閃絡特性對于掌握雷擊過電壓分布特征、多相或多回同跳形成機理以及制定針對性的防范措施具有重要意義。本文以一條220 kV對稱同塔雙回輸電線路為研究對象，分析了雷擊過電壓分布、不同電源相角下雷擊閃絡次序，以期為220 kV同塔雙回線路防雷帶來一定的指導意義。

1 模型建立

1.1 桿塔模型

式（1）為輸電線路鐵塔主干位置的波阻抗求解方法。該式采用了對稱分布的多導體波阻抗大小的求解原理。

式中，rek為輸電桿塔主干部分的等值半徑，m；hk為輸電桿塔主干半徑，m。

上述式（1）對于計算圓柱狀鋼管結構構成的鐵塔具有較好的適用性，而對于典型的角鋼結構，則需要將式中rTk替換為角鋼寬度的一半進行計算。

已有研究者對桿塔多波阻抗計算方法進行了分析，并對桿塔是否包含支架兩種結構進行了試驗與測量。研究結果表明，當主干上增加支架后，波阻抗相比于之前降低了10%左右。因此模型分析中計及桿塔支架的影響，將支架并聯到主干部分，并將其波阻抗設置為主干部分的9倍，即：

根據上述多波阻抗計算原理，選用了220 kV KII-SZC2桿塔作為研究對象，其結構圖及多波阻抗模型如下頁圖1所示。

1.2 雷電流模型

實測雷電流波形種類較多，防雷應用中普遍采用典型的2.6/50 μs雷電流作為雷電流源，本文也采用此電流源作為激勵。

1.3 絕緣子閃絡模型

圖1 220 kVKII-SZC2桿塔結構圖及多波阻抗模型（mm）

先導法考慮了長空氣間隙放電過程，與實際雷擊絕緣子閃絡過程較為一致。本文采用先導法作為絕緣子閃絡的判別方法，其中先導發展速度如式（3）所示，該公式由CIGRE WG33.01所推薦，目前被廣泛采用。

式中：L為已發展的先導長度，m；u（t）為絕緣子耐受的瞬時電壓值，kV；D為絕緣子高低壓端間隙長度，m；E0為先導起始場強，kV/m；k為一經驗系數，m2/（s·kV2）。

2 仿真結果與分析

2.1 雷擊過程各相絕緣子電壓分布特征

為簡化分析，不考慮工頻電壓的影響，施加雷電流幅值為70 kA，接地電阻保持25 Ω不變，計算結果如圖2～圖5所示。

注：V:A1-#1回A相導線電壓；V:AT1-#1回A相絕緣子懸掛點所的在橫擔處電壓；V:A1-AT1-#1回A相絕緣子承擔電壓。其它相別定義與此類似。

圖2 橫擔電位圖

圖3 三相絕緣子電壓

圖4 A相絕緣子電壓對比圖

圖5 三相導線感應電壓

從圖2—圖5可得到如下基本規律。

1）由于1號回與2號回線路完全對稱，因此相同相別下兩回導線電壓、橫擔電位、絕緣子承受電壓分別相等，波形特征保持完全一致，理論上雷擊作用時刻，相同相別應同時閃絡。

2）沿塔頂向下，桿塔橫擔電位絕對值逐漸降低（圖 2），A、B、C三相橫擔電位絕對值依次為1.57、1.42、1.39 MV。這是因桿塔接地電阻反射波的抑制作用所致，越遠離接地電阻，抑制效應越不明顯，因此上相橫擔電位絕對值總是高于下相。

3）盡管上相橫擔電位高，但上相導線與避雷線距離小，強耦合作用會顯著削弱絕緣子端電壓，使得A、B、C三相絕緣子電壓呈升高趨勢。

2.2 不考慮工頻電壓下雷擊閃絡過程

不斷增大電流，不同雷電流作用下閃絡特性計算結果如圖6、下頁圖7所示。

逐漸增加雷電流幅值，首先C相閃絡，且兩回C相同閃。雷電流從75 kA增加1 kA后，造成雙回B相同閃，進一步增加至80 kA后，所有相別均閃絡，這與2.1過電壓分布特性規律一致。可看出由于相間距離較近，雷電反擊時各相絕緣子電壓水平相近，因此極容易發生同跳事故。

圖6 不同幅值雷電流作用下絕緣子電流

2.3 工頻電壓時雷擊閃絡次序

工頻電壓瞬時值與相角有關，根據三相工頻電源時變規律，當相角α依次取30°、90°、150°、210°、270°、330°時，不同相之間電壓差可達到最大值311.2 kV。不同相角下雷擊閃絡次序見圖8。

從圖8可看出，不同相角下雷擊閃絡次序存在顯著差異。由于工頻電壓在絕緣子兩端耐受總電壓中占據了顯著的比例，因此對雷擊閃絡次序影響較大，在瞬時工頻電壓影響下，任意一相絕緣子均有可能先發生閃絡。

圖7 不同幅值雷電流作用下絕緣子閃絡次序

3 結論

1）由于桿塔的對稱性，在不考慮工頻電壓作用下，左右兩回相同相別耐受電壓一致，總是同時閃絡。

2）雷擊作用時，橫擔電位從上往下依次降低，但A相導線與避雷線距離小，耦合作用較大，在導線上產生同極性感應電壓，使得絕緣子耐受電壓降低，綜合因素使得A、B、C三相雷擊過電壓依次增加。因此不考慮工頻電壓影響下，C相最容易閃絡，B相次之，A相相對較難閃絡。

3）電源相角對不同雷電流下閃絡相別影響顯著，由于工頻電壓的疊加作用，任何相別均有可能最先發生閃絡。

圖8 不同相角下雷擊閃絡次序