考慮后續雷擊的高壓架空輸電線路雷電過電壓研究

賈培躍

（寧夏送變電工程有限公司，寧夏 銀川 750000）

0 引 言

近年來，由于雷擊災害引起的輸電線路跳閘、短路等故障頻發，已經嚴重影響到電力系統的正常運營。結合多重雷擊理論原理，雷云放電實質是一種長時間的氣體放電，即電暈在雷云底部發生，產生對流柱，隨著氣溫不斷上升，雷云在云層中不斷聚集形成先導，先導逐漸擴大最終形成雷電通道。傳統觀點認為，雷擊對地表目標的影響主要來自地表物質的上行先導，上、下行先導在相遇的某一時刻會瞬間呈現雷云放電現象，即首次雷擊，同時伴隨后續多次雷擊的可能[1]。

結合多重雷擊發生原理來看，多重雷擊大多存在2 個及以上多個落點。一般來講，線路中同一點受到多次雷擊的概率極小，但并非完全沒有，由于多重雷擊發生概率多呈現線性分布，在實際情況下，極有可能發生多個輸電線路落點多重雷擊情況。為此，在高壓架空輸電線路保護設計中應充分考慮后續雷擊情況。基于此，文章特開展考慮后續雷擊的高壓架空輸電線路雷電過電壓研究，以期為高壓架空輸電線路保護設計提供參考。

1 計算模型及參數設計

1.1 雷電流模型及參數

雷電流模型中的主要參數包括波前時間Tf、波長時間Tt、雷電流幅值Im等。在雷擊作用下，輸電線衰減到穩態所需的時間為1 ms，明顯小于后續雷擊發生的時間間隔60 ms，為此可一次只施加一次雷擊，且三重及以上雷擊規律與首次雷擊和第二次雷擊規律完全一致。文章在研究中僅考慮2 種情況，即首次雷擊、二次雷擊。雷電流表達主要借助雙指數函數，具體表達式為

式中：K為雷電流幅值修整后的系數；Im為雷電流峰數值；α為波前衰減系數；β為波尾衰減系數。

以相關國家標準作為雷電量的參照標準，分別將首次雷擊與后續雷擊2 項指標的參量指數設為10/350 μs 和0.25/100 μs。基于后續雷擊電流強度高這一特點，本次研究將雷電流幅值設定為100 kA，將后續雷擊的雷電流幅值設定為40 kA。

1.2 桿塔模型

基于電磁暫態穩定原理，所構建的模型應伴隨頻率范圍的變化而變化。網絡國際大電網委員會（Network International Large Power Grid Committee，GIGRE）中提及暫時過電壓、緩波前過電壓、快波前過電壓、特快波過電壓4 個領域[2]。以往對高壓輸電線過電壓的研究可忽略桿塔對過電壓的影響，然而在開展雷電流頻率研究時，必須考慮雷電通過桿塔傳輸所產生的過電壓效應。因此，需要建立桿塔數學模型，設計220 kV 同塔雙回輸電線路桿塔。為更好地表現塔形，將桿塔細分為3 個部分，即主材、斜材、橫擔，并采用無損線條來描述。

1.3 絕緣子閃絡模型

在對輸電線路進行雷電災害研究時，必須充分考慮到絕緣子的閃絡特性。常用絕緣子的閃絡特性分析方法包括規程法、先導法、交叉法3 種。實踐證明，應用規范法得到的預測值與實測值相差甚遠；先導法的設定參數較為煩瑣，存在較大誤差；而應用交叉法得到的數值與實際數值差異較小[3]。

1.4 輸電線參數

220 kV 同塔并回線采用LGJ-300/40 型鋼芯鋁合金絞線，其分束間隔為40 cm，采用GJ-35 鋼絞線作為架空地線，輸電線參數如表1 所示。

表1 輸電線參數

2 仿真結果分析

在建立電磁暫態程序（Electromagnetic Transient Program，EMTP）的電磁暫態模擬模型時，將土壤電阻率設為500 Ω/m，導線長5 km，并將桿塔接地電阻設為10 Ω。對輸電線路進行電磁暫態仿真，在分析220 kV 架空線路雷電作用機理的基礎上，計算桿塔中部、頂部以及底部線路的過電壓。過電壓值越大相應的危害越大，因此文章僅計算了過電壓最大一相輸電線路的電壓值。

2.1 繞擊雷電過電壓

為了更好地了解首次雷擊和后續雷擊繞擊后的過電壓數值，本研究對首次雷擊和后續雷擊繞擊后的過電壓進行計算，具體結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 首次雷擊后輸電線路的過電壓

圖2 后續雷擊后輸電線路的過電壓

由圖1 可知，首次雷擊后，高壓輸電線將發生過電壓，第一次雷擊后1 ms 內的過電壓峰值為2.18 MV，隨后逐漸下降，0.3 ms后逐漸恢復到穩定狀態。由圖2 可知，曲線會隨著數值的改變而發生微小的變化，證明過電壓的數值和曲線并不會因為是首次雷擊還是后續雷擊而發生明顯改變。后續雷擊5 ms 后過電壓達到峰值2.51 MV，隨后過電壓值呈現震蕩衰減趨勢，約0.15 ms 后輸電線路過電壓值逐步回到穩態數值。可見，后續雷擊輸電線路上所產生的雷電流幅值明顯低于首次雷擊，降低幅度約為首次的60%左右，但是后續損害后的過電壓數值明顯高于首次雷擊。后續雷擊輸電線路的過電壓上升時間大致為首次雷擊的1/2，后續雷擊損害結果要比首次雷擊更為嚴重[4]。

2.2 雷電反擊時輸電線路過電壓

2.2.1 雷擊桿塔頂部時輸電線路過電壓

桿塔和避雷線都是主要雷擊目標，受到雷擊后會導致高壓架空輸電線路產生過電壓。雷擊桿塔塔頂時，可得到如圖3、4 所示的過電壓變化趨勢。

圖3 首次雷擊桿塔頂后輸電線路的過電壓

由圖3 可知，首次雷擊后，架于桿塔頂部的輸電線路會在該過程產生持續性的過電壓，首次雷擊5.5 ms 后過電壓達到峰值1.55 MV，隨后過電壓值呈現震蕩衰減趨勢，約0.5 ms 后輸電線路過電壓值逐步回到穩態數值。由圖4 可知，高壓架空輸電線路桿塔頂在遭受后續雷擊3.1 ms 后過電壓達到峰值0.78 MV，隨后過電壓值呈現震蕩衰減趨勢，約0.35 ms 后輸電線路過電壓值逐步回到穩態數值。比較首次雷擊、后續雷擊桿塔頂后輸電線路過電壓數值可知，后續雷擊桿塔頂后輸電線路過電壓顯著低于首次雷擊，首次雷擊過電壓的衰減過程中，沖擊頻率顯著大于后續雷擊，但是當過電壓達到最大值時，后續雷擊過電壓到達最大值的時刻間隔較首次雷擊更短。綜合以上各種原因，首次雷擊對高壓架空輸電線造成的破壞要遠大于后續雷擊造成的破壞[5]。

圖4 后續雷擊桿塔頂后輸電線路的過電壓

2.2.2 雷擊避雷線時輸電線路過電壓

當雷擊避雷線時，可得到如圖5 和圖6 所示的過電壓變化趨勢。

圖5 首次雷擊避雷線后輸電線路的過電壓

圖6 后續雷擊避雷線后輸電線路的過電壓

由圖5 可知，高壓架空輸電線路避雷線在遭受首次雷擊后，線路上會產生過電壓，首次雷擊5.2 ms后過電壓達到峰值-1.50 MV，隨后過電壓值呈現震蕩衰減趨勢，約0.5 ms 后輸電線路過電壓值逐步回到穩態數值。由圖6 可知，高壓架空輸電線路避雷線在遭受后續雷擊后過電壓峰值可達0.41 MV，過電壓峰值為正常工作狀態下過電壓數值的1.32 倍。從震蕩衰減曲線的變化可以看出，直至最后，波形也未觸及0 點，證明全過程的工作狀態下，始終存在震蕩現象。該結果說明了后續雷擊對輸電線路避雷線的影響要相較于電壓要更小，但并不會引起嚴重的線路故障。

3 結 論

結合文章研究可得到以下結論，基于反擊條件，首次雷擊較后續雷擊對于高壓架空輸電線路的破壞性更大。但基于繞擊條件，后續雷擊對于高壓架空輸電線路正常運行過程中的影響更大。因此，在對高壓架空輸電線路進行保護相關的設計時需要將后續雷擊作為關鍵性因素進行合理規劃，希望通過該研究為高壓架空輸電線路保護設計提供借鑒。