典型單回輸電鐵塔雷電反擊仿真試驗研究

王新陽

（國網南陽供電公司，河南南陽 473000）

輸電線路雷擊跳閘事故對線路地安全穩定運行構成極大的威脅，在雷害高發地區，雷擊跳閘事故是造成線路停電的主要原因。所以，減小輸電線路雷擊事故率對電網的安全運行意義重大。

中國輸電網典型的單回路桿塔型式主要可以分為ZB 酒杯型、ZM2貓頭型、ZH3門型和JG2干字型4 種類型。這些輸電桿塔不僅型式不同，而且導線的排列方式也有所不同，酒杯型塔、門型塔的三相導線呈水平方式排列，干字型塔、貓頭塔的三相導線則呈三角形排列[1]。

目前，輸電線路常采用的防雷措施有減小桿塔接地電阻、加強線路絕緣、塔頭安裝雷電接閃器、絕緣子掛點橫擔上安裝負角保護針、安裝線路氧化鋅避雷器（Zinc Oxide Arrester，ZOA）。對典型單回路桿塔進行雷電反擊仿真試驗，可以獲取提高線路耐雷水平的策略，再根據線路地形地貌特征，采取精準的防雷措施，從而有效降低反擊雷跳閘率。

1 輸電線路桿塔模型研究現狀

架空輸電線的支撐部分主要是線路桿塔，人們統計了輸電線路的運行情況后發現，線路桿塔頂部是最易遭受雷擊的部位，而輸電導線卻很少直接遭受雷擊。所謂反擊閃絡，即雷電流通過塔頂泄放入地的過程中，由于雷電波在桿塔內的傳播特性，導致絕緣子串接地端電位高于懸掛導線端電位，從而使絕緣子串發生閃絡，因此，分析輸電線路反擊耐雷性能時，選擇合適的桿塔模型就顯得十分重要。

國內外學者關于桿塔模型的研究主要集中在3 類桿塔模型上，即等值電感模型、單一波阻抗模型和多波阻抗模型[2]。此外，多波阻抗模型可以分為多層傳輸塔模型和Hara 無損多波阻抗模型。因桿塔類型、塔頭尺寸和高度等桿塔參數都會影響輸電線路耐雷水平的計算，采用等值電感模型和單一波阻抗模型來模擬輸電桿塔將存在較大的計算誤差，所以用多波阻抗模型來模擬桿塔更能反映實際情況[1]。

2 Hara 無損多波阻抗模型

對于結構比較復雜的輸電桿塔，在其建模和仿真時需要考慮橫擔和支架對桿塔波阻抗的影響，從這一點出發，HARA 提出了無損線桿塔模型[3]，如圖1 所示。

圖1 雙回線路桿塔模型

模型中桿塔由塔身、橫擔和支架組成，塔身阻抗、支架阻抗和橫擔阻抗可以用式（1）—式（3）進行計算。

塔身阻抗的計算公式為：

Hara 實驗結果[3]表明，有斜材的支架波阻抗大約為塔身波阻抗的9 倍，其計算公式為：

計算橫擔波阻抗時，可以將其視為水平導體，即：

式（3）中：rAk為等價半徑，取主材和橫擔連接長度的1/4。

3 輸電線路雷擊過電壓仿真計算模型

利用ATP-EMTP電磁暫態程序中的ATPDraw搭建輸電線路雷擊過電壓仿真計算模型。輸電線路采用JMarti 模型；用沖擊接地電阻[4]來表征桿塔實際的接地電阻，以此來建立接地電阻模型；絕緣子串閃絡模型采用相交法作為閃絡判據；氧化鋅避雷器和雷電流分別用ATPDraw 中的MOV 模型和Heidler 模型來模擬，仿真計算出各相絕緣子串的閃絡情況[1]。

3.1 雷電流模型

本文仿真電路中雷電流模型采用Heidler 模型，防雷計算中雷道波阻抗取400 Ω，采用的雷電流波形按照國家標準，τf取2.6 μs，τt取50 μs，表示為2.6/50 μs，其中，定義τf為波前時間，τt為半波峰時間。

3.2 避雷器模型

目前常用的保護絕緣子串的措施是加裝線路型氧化鋅避雷器，氧化鋅避雷器的核心元件是非線性電阻閥片，即氧化鋅壓敏電阻，壓敏電阻閥片具有非線性特性，其電壓電流之間關系通常用指數函數描述[5]。

用指數函數描述ZOA 壓敏電阻的非線性特性，當考慮壓敏電阻在整個范圍內的非線性特性時，僅用一個指數函數是很難描述的，所以，文中利用ATP-EMTP將ZOA 非線性電阻進行分段線性化近似處理，從而方便仿真計算， 線路型 ZOA 采用的型號為HY10WX-204/530，避雷器額定電壓為203 kV，雷電沖擊電流下殘壓為530 kV。

3.3 輸電線路模型

EMTP 仿真計算中可以用π形電路、無畸變分布參數電路、無損分布參數電路、具有頻率相關參數的分布參數電路或者具有集中電阻的分布參數電路來模擬電纜和架空線路。其中，具有頻率相關參數的分布參數電路有Semlyn 模型、Noda 模型和JMarti 模型[5]，JMarti 模型是目前最常用的架空線路模型，該模型也是本文輸電線路的仿真計算模型，輸電導線和地線的結構參數可通過在LCC 中的Data 對話框輸入，利用EMTP 的補助程序“LⅠNECONSTANS”計算。

3.4 接地電阻模型

耐雷水平仿真計算中的桿塔接地電阻與雷電流幅值有關，雷電流注入接地體后，由于接地體的電感效應，以及接地體周圍土壤的強電場火花放電效應[1]，因此，用沖擊接地電阻[4]來表征桿塔實際的接地電阻，即：

式（4）中：R0為低頻率小電流下的接地電阻值；I為通過接地體的雷電流幅值；Ig為土壤電離的臨界電流值。

式（5）中：E0為土壤電離梯度，可以取300～400 kV/m；ρ為土壤電阻率。

所以，桿塔的沖擊接地電阻值與接地體附近的土壤條件和地質地貌也有關系。

3.5 感應電壓模型

式（6）中：k=k1k0，k1為電暈效應校正系數；Uph為導線上工作電壓峰值，kV；hc為導線距地面的平均高度，m；hg為避雷線距地面平均高度，m；I為雷電流幅值，kA。

3.6 絕緣子串閃絡模型

絕緣子串雷電沖擊閃絡現象可以仿照空氣間隙放電模型來模擬，使用的模型主要有電壓閥值模型、伏秒法模型和先導法模型。

先導法模型結合長間隙放電理論來判斷絕緣閃絡，空氣間隙擊穿經歷的過程主要有起始電暈階段、流注發展階段、先導發展階段和主放電階段。

伏秒法模型通過比對絕緣子串兩端電壓波形和伏秒特性曲線判定絕緣子串是否發生閃絡，本文采用伏秒相交法作為絕緣子串的閃絡判據，當絕緣子串兩端電壓波形與其伏秒特性曲線相交時，絕緣子串發生閃絡。因為相交法判據有明確的概念，仿真結果和實際運行情況基本吻合，所以比較適合作為絕緣子串閃絡判據。

ⅠEEE 推薦的220 kV 絕緣子串伏秒特性計算公式為：

式（7）中：t為絕緣子串發生閃絡時刻，一般取0.5～16 μs 之間；Li為絕緣子串長度，m。

根據程序中的TACS 和MODELS 模塊來搭建絕緣子串閃絡模型，當雷擊塔頂或導線時，若絕緣子串兩端電位差大于線路絕緣的50%沖擊放電電壓（U50%），則絕緣子串閃絡，模型中的開關閉合。

4 典型220 kV 輸電塔Hara 模型仿真試驗

參照《輸電線路塔型手冊》[8]中桿塔的具體參數，分別搭建出4 種典型桿塔的雷電反擊仿真電路模型，如表1 所示。由線路桿塔參數計算出典型桿塔的Hara多波阻抗值，然后將阻抗參數輸入到仿真電路模型內進行仿真分析，絕緣子串型號為13×LXP-70[1]。

表1 桿塔和線路基本參數

4.1 桿塔接地電阻與耐雷水平的關系

雷擊塔頂時，通過仿真數據分析，得出典型桿塔的反擊耐雷水平曲線圖，如圖2 所示。

圖2 典型桿塔的反擊耐雷水平曲線圖

當桿塔的接地電阻從8 Ω逐漸增長至30 Ω時，4 種典型線塔所對應的反擊耐雷水平在不斷減小，至接地電阻為30 Ω時，反擊耐雷水平分別減小了大約50%。因此，影響輸電線路耐雷水平的主要因素是桿塔接地電阻的大小，降低桿塔的接地電阻可顯著提高線路反擊耐雷水平。

4.2 線路絕緣對耐雷水平的影響

雷擊塔頂時，通過仿真數據分析，ZB 酒杯型塔、ZH3門型塔和ZM2貓頭型塔由于導線、避雷線間存在耦合作用，致使較高的感應電壓存在于中相導線上，所以，兩邊相絕緣子串兩端電位差高于中相，可以增加兩邊相絕緣子串的片數來加強線路絕緣。仿真數據顯示，JG2干字型塔上相絕緣子串易發生雷擊閃絡，因干字型塔常作為耐張塔，所以可以增加1～2 片下兩相絕緣子串，增加2 片上相絕緣子串，來提高干字型桿塔線路的耐雷水平。

4.3 氧化鋅避雷器的安裝規則討論

桿塔的接地電阻為8 Ω，雷擊塔頂時，仿真數據如表2 所示。

表2 不同ZOA 安裝方式下的反擊耐雷水平（單位：kA）

ZB 塔酒杯型、ZM2塔貓頭型和ZH3門型塔的兩邊相都安裝ZOA，可顯著提高線路的反擊耐雷水平；僅在某一邊相安裝ZOA 可以降低該相絕緣子串兩端的電壓，其他相絕緣子串兩端電壓依舊較高，仍存在較高的閃絡風險。從仿真結果得出，若某一邊相安裝ZOA，雷擊塔頂會造成中相絕緣閃絡，因此，當兩邊相都安裝ZOA 時，應增加1～2 片中相絕緣子串。對于JG2干字型塔，在上相安裝ZOA 的基礎上，下兩相絕緣子串的片數都各增加2 片；或者三相絕緣子串同時安裝ZOA，可以大幅度提高線路反擊耐雷水平。

5 結束語

計算結果表明，降低桿塔接地電阻、增加絕緣子串片數、安裝線路型ZOA 都可以提高輸電線路的耐雷水平。文中利用EMTP 程序，對4 種典型單回路鐵塔進行雷電沖擊仿真試驗，通過試驗結果得到了一般防雷策略及其他高度不同、結構稍有不同的同類型鐵塔的防雷保護配置規律，可以借鑒此策略，對于實際輸電線路防雷保護具有參考價值。

ZB 酒杯型塔、ZH3門型塔和ZM2貓頭型塔在模擬雷電流沖擊仿真試驗中，兩邊相的耐雷水平要低于中間相，因此在防雷措施時，應首先考慮兩邊相；JG2干字型塔上相易發生絕緣閃絡，因此，在防雷措施中應首先考慮上相。

對輸電線路進行防雷改造時，應充分考慮線路走廊的地形地貌特征、改造成本、改造難度和預期效果，并盡量選擇多種防雷措施，且滿足技術經濟性要求，合理有序地開展線路防雷改造。