輸電線路繞擊雷電過電壓暫態特征仿真研究

趙紫輝

（廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

0 引 言

國內外超/特高壓輸電線路運行經驗表明，隨著超/特高壓輸電線路的桿塔高度、傳輸容量及傳輸距離的不斷提高，雷擊導致輸電線路跳閘事故已經成為影響輸電線路安全運行的第一因素，其中雷電繞擊占絕大部分[1-3]。因此，探索繞擊雷電過電壓的特性及其在輸電線路中的傳播規律，不僅對現有輸電線路雷電防護水平的提高有著重要的指導意義，而且對新建線路的防雷設計具有重要的理論參考價值。

1 建模方法及參數

輸電線路繞擊雷電過電壓是指雷電擊中導線產生的過電壓。根據繞擊雷電過電壓的發生機理，在考慮沖擊電暈對雷電過電壓影響的同時，基于PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件，對500 kV超高壓交流輸電線路遭受雷電繞擊的情況進行建模仿真。

1.1 雷電流仿真模型

選用一個受控電流源與Z0=300 Ω的雷電通道波阻抗并聯的電路來等效雷電通道[4]。其中，受控電流源波形采用我國規程中推薦的2.6/50 μs雙指數波來模擬。

1.2 桿塔模型

在目前的輸電線路桿塔仿真研究中，常用的兩種桿塔模型為集中電感模型和波阻抗模型（包括單一波阻抗模型和多波阻抗模型）。本文桿塔模型采用500 kV ZB1酒杯塔多波阻抗模型[5-6]，具體參數見圖1。

圖1 ZB1酒杯塔參數

1.3 絕緣子閃絡模型

采用比較法作為仿真研究的絕緣子閃絡判據，比較電壓取我國規程建議的500 kV線路絕緣子U50%沖擊放電電壓2 138 kA[7]。

1.4 輸電線路模型

架空線路根據PSCAD模型庫中的頻率相關模型建立了七基桿塔的線路模型。線路全線水平架設雙回避雷線，線路檔距為500 m，導線與避雷線型號參數[8]見表1。計算時避雷線不做消去處理，以考慮避雷線對雷電流傳播過程的影響；輸電導線末端選用5 km的長線模擬，用以消除雷電流在輸電線路末端的折反射。

表1 輸電線路導線與避雷線參數

1.5 沖擊電暈仿真模型

由于受線路和大地的集膚效應以及沖擊電暈的影響，過電壓波在輸電線路傳播過程中將發生衰減和變形[9-10]，因此仿真中需充分考慮沖擊電暈的影響。相關研究表明，在進行雷電過電壓產生的沖擊電暈模擬時，電導可忽略，只用動態電容模擬電暈引起的衰減和變形即可[11]。因此，本文建立了如圖2所示的沖擊電暈模型，將輸電線路一個檔距分成若干小段，在每一段（100 m）插入如圖2所示的電暈仿真模型來模擬輸電線路的電暈特性。

圖2 沖擊電暈仿真模型

2 輸電線路繞擊耐雷水平仿真

基于模型仿真得出500 kV輸電線路的繞擊耐雷水平，如表2所示。可見，考慮沖擊電暈后，線路的繞擊耐雷水平有所提高。根據輸電線路繞擊情況下的耐雷水平，仿真中發生繞擊故障雷電流幅值取為30 kA，未發生繞擊故障的雷電流幅值取為15 kA。

3 輸電線路發生繞擊故障時雷電過電壓變化特征

3.1 雷擊點處雷電過電壓的變化特征

當雷電流幅值為30 kA時，雷電繞擊A相導線，該線路發生繞擊故障。圖3為考慮沖擊電暈A相導線發生繞擊故障時絕緣子兩端的過電壓波形。可以看出，當發生繞擊時，由于雷電流從雷擊點注入A相線路并向線路兩側傳播，此時A相線路對地電壓驟升。當絕緣子兩端電壓差超過絕緣子U50%，該線路發生閃絡呈現接地故障形式。非故障相（B、C兩相）過電壓隨故障相的短時干擾發生高頻振蕩，并在持續一段時間后恢復正常。

圖3 繞擊故障時絕緣子兩端的過電壓波形

雷擊點處繞擊故障時，三相導線和塔頂的雷電過電壓波形如圖4所示。由圖4及表3可以看出：發生繞擊時，故障相（A相）過電壓幅值最大，峰值為非故障相B相電壓的4倍、C相的2倍；A相導線繞擊時，在塔頂感應出的過電壓幅值較小，僅為故障相過電壓的44.7%，并且出現波頭雙峰現象。由于考慮了沖擊電暈的影響，過電壓波形發生畸變且出現振蕩。

表2 輸電線路耐雷水平及其仿真雷電流取值

圖4 繞擊故障時三相導線和塔頂的過電壓波形

表3 繞擊故障時不同位置的過電壓最大值

3.2 繞擊故障時距離雷擊點不同距離的雷電過電壓變化特征

當30 kA雷電流繞擊A相導線時，A相導線上距離雷擊點不同距離的過電壓變化特征見圖5。從圖5可知，雷擊點處A相導線上過電壓幅值為2 224 kV，在傳播了0.5 km、1 km、1.5 km后，過電壓幅值分別為216 kV、60 kV、34 kV。可見，雷電過電壓波在輸電線路中傳播衰減非常快，且波頭陡度變緩。從雷擊點處傳播3個檔距后，過電壓幅值僅為雷擊點處的1.5%。

圖5 繞擊時A相導線上距離雷擊點不同距離的過電壓波

圖6為雷擊A相導線時第一個檔距內A相導線上過電壓波形。從圖6可知，雷擊點處過電壓幅值為2 224 kV，在傳播了0.1 km、0.2 km、0.3 km、0.4 km、0.5 km后，過電壓幅值分別為1 928 kV、864 kV、680 kV、525 kV、216 kV。可見，過電壓波在一個檔距內幅值衰減變化明顯，從雷擊點到檔距末端過電壓幅值降低了90.3%，且波頭陡度變緩幅度較大。

雷擊A相導線時，致使A相發生閃絡，雷電流沿絕緣子流入避雷線，在避雷線上產生的過電壓波形如圖7所示。雷擊側避雷線上過電壓幅值為995 kV，非雷擊側避雷線上過電壓幅值為901 kV。由圖7可知，繞擊時最初始階段避雷線上存在一個幅值較小的感應過電壓，在閃絡發生并經歷了一定的傳播時間后，避雷線上的過電壓迅速上升。

圖6 繞擊故障時雷擊點處第一個檔距內A相過電壓波形

圖7 繞擊時避雷線上過電壓波形

4 輸電線路雷擊導線但未發生故障時過電壓變化特征

4.1 雷擊導線未故障時過電壓變化特征

根據前述線路的繞擊耐雷水平為28.96 kA，當15 kA的雷電流擊中A相導線時，線路不會發生繞擊跳閘事故。此時，線路絕緣子兩端的過電壓波形見圖8，塔頂和三相導線的過電壓波形見圖9。從圖8可以看出，A相導線絕緣子兩端電壓波頭較其他兩相陡且幅值大，且波形發生了畸變。從圖9可以看出，A相導線過電壓幅值為1 142 kV，B相導線過電壓幅值為277 kV，C相導線過電壓幅值為827 kV。由于雷電流幅值較低，因此在塔頂感應的電壓幅值也較小，僅為153 kV。

圖8 雷擊導線未故障時絕緣子兩端的過電壓波形

圖9 雷擊導線未故障時塔頂和三相導線的過電壓波形

15 kA雷電流擊中A相導線距離雷擊點不同距離的過電壓變化特征見圖10。從圖10可知，雷擊點處A相導線上過電壓幅值為1 142 kV，在傳播了0.5 km、1 km、1.5 km后，過電壓幅值分別為95 kV、39 kV、22 kV。從雷擊點處傳播3個檔距后，過電壓幅值僅為雷擊點處的2%。

圖10 雷擊導線未故障時A相導線距離雷擊點不同距離的過電壓波

圖11為15 kA雷電流擊中A相導線時第一個檔距內A相導線上過電壓波形。從圖11可知，雷擊點處過電壓幅值為1 142 kV，在傳播了0.1 km、0.2 km、0.3 km、0.4 km、0.5 km后，過電壓幅值分別為1 047 kV、613 kV、579 kV、483 kV、124 kV。可見，同發生繞擊故障的情況一樣，過電壓波在一個檔距內幅值衰減變化明顯。

圖11 雷擊A相導線未故障時雷擊點處第一個檔距內A相過電壓波形

因為15 kA的雷電流擊中A相導線不會使其發生閃絡，所以雷電流不會沿絕緣子流入避雷線，此時在避雷線上產生的過電壓應為各相導線在避雷線上感應的電壓，波形如圖12所示。可見，過電壓幅值為153 kV，波形出現較大振蕩。

圖12 雷擊A相導線未故障時避雷線上過電壓波形

5 結 論

通過對500 kV交流輸電線路發生繞擊故障時和雷擊導線但未發生故障時產生的雷電過電壓暫態特征仿真分析發現如下結論。

（1）考慮沖擊電暈后，輸電線路的繞擊耐雷水平有所提高。

（2）在發生繞擊故障后，故障相絕緣子兩端過電壓呈現接地故障形式，而非故障相過電壓隨故障相的短時干擾發生高頻振蕩，并在持續一段時間后恢復正常，但雷擊導線未發生故障時故障相絕緣子兩端過電壓要高于非故障且波頭較陡。

（3）由于沖擊電暈和線路的頻變特性的影響，雷擊輸電導線時產生的過電壓波在輸電線路中傳播要發生衰減和變形。過電壓幅值衰減迅速，從雷擊點處傳播至1.5 km（3個檔距）的距離后，幅值降到雷擊點處幅值的2%。特別是雷擊點所在的第一個檔距內幅值衰減變化明顯，從雷擊點到該檔距末端過電壓幅值降低90%。

（4）在發生繞擊故障時，避雷線上均會產生一定的過電壓。