±800kV特高壓輸電線路的防雷研究

摘 要：本文分析防雷分布特性，并提出具體的防雷策略。利用電磁暫態程序計算原理，確立暫態計算的初始條件、開關網絡的解法及差值處理方法。通過設定激勵源模型、桿塔模型以及線路模型，構建仿真環境，以精確模擬直流線路的閃絡特性以及雷擊時桿塔電位的分布特性。關注直擊雷、繞擊雷對桿塔電位的影響以及絕緣子串在雷擊條件下的過電壓表現。研究結果不僅揭示直流線路在雷擊時的電位分布和閃絡行為，而且還針對雷擊造成的過電壓問題提供防雷建議，以此增強線路的安全性和穩定性。

關鍵詞：±800kV特高壓；防雷；輸電線路

中圖分類號：TM 86" " " 文獻標志碼：A

特高壓輸電線路作為電力系統的主要組成部分，其安全穩定運行對保證國家電力供應具有關鍵作用。然而，在復雜多變的自然氣候條件下，特高壓輸電線路容易受到雷擊等外界干擾，產生過電壓、設備損壞等問題，嚴重影響電網的可靠性和安全性。

陸佳政等[1]指出，隨著電力系統向更大規模和更高效率發展，對典型外部災害如雷電的防治策略需求愈發緊迫。陳卓等[2]詳細探討220kV高壓輸電線路的防雷接地技術，強調合理接地技術在提升線路防雷性能中的積極影響。王苗[3]則從工程角度出發，分析高壓輸電線路的設計與施工策略，為防雷措施的實際應用提供結構性建議。趙春宇等[4]認為高壓輸電線路的防雷技術需要針對直流特性進行優化，以適應特高壓輸電線路在雷擊情況下的獨特需求。這些研究為本文提供堅實的理論基礎，指導本文中±800kV特高壓直流輸電線路的防雷分析與策略制定，確保研究的方向與現實需求的對接。

1 參數設置

1.1 電磁暫態程序計算原理

1.1.1 暫態計算初始條件

當對±800kV特高壓輸電線路進行防雷研究時，針對湖北省特高壓輸電線路的實際情況，采用表1的參數進行暫態計算的初始條件設定，并通過實際測量和地方氣象局獲取數據。

1.1.2 具有開關的網絡解法

通過在開關兩端加入電阻來模擬開關動作的影響。假設開關操作引入的電阻為R，那么開關動作可以表示為電路中的電阻突變。該方法簡單，但能有效反映開關操作的即時影響。電阻R的值取決于開關的物理和電氣特性。對等值電流源模擬法來說，該方法通過替換網絡中的開關為等效的電流源來實現。

節點導納修改法涉及對開關所在節點的導納矩陣進行修改。設節點k的導納Yk需要根據開關狀態進行調整。

調整后的導納如公式（1）所示。

Y'k=Yk+ΔY （1）

式中：ΔY為由開關操作引起的導納變化，其計算依賴于開關特性和網絡配置。

在高壓輸電線路中，開關操作可能會引起瞬時過電壓，使用上述方法模擬開關動作可以幫助分析和設計開關操作引起的電磁暫態效應，從而優化開關設備的選型和操作策略。

1.1.3 差值處理

在電磁暫態程序中，差值處理是關鍵步驟，用于處理和平滑數據，在時間步進和空間分布中插值未知點的值。差值處理通常涉及時間域和空間域的數據，其主要目的是在已知數據點之間估計未知點的值。為實現這一目的，常用的方法包括線性插值、拉格朗日插值和樣條插值等。每種方法有其適用的場景和優缺點。

1.1.3.1 線性插值法

假定2個已知點之間的變量關系是線性的。如果有時間點t1和t2，其對應的變量值為y1和y2，那么在這2個時間點之間任一點t的插值y（t）如公式（2）所示。

（2）

式中：t為插值時間點；y（t）為t時刻的插值結果。

1.1.3.2 拉格朗日插值法

基于多項式插值，允許在多個數據點上構建高階多項式，以提高插值的準確性。對n+1個數據點來說，拉格朗日插值多項式L（x）如公式（3）所示。

（3）

式中：xi和yi為已知點；x為插值點。

1.1.3.3 樣條插值法

通過一系列低階多項式在各個分段上進行擬合，而在數據點處保持一階和二階導數的連續性。樣條插值適用于需要平滑曲線表示的場景，例如在電力系統的電磁波傳播模擬中。

在電力系統仿真中，差值處理方法可以用于生成更精確的電磁暫態波形，從而提高仿真結果的準確性。

1.2 模型參數

1.2.1 激勵源模型

激勵源模型旨在提供一個數學描述，用以模擬實際物理事件對電網產生的即時影響。這些模型能夠準確地反映外部激勵在電力系統中的傳播效果，是分析和設計防護措施的基礎。

參數的選擇基于系統的物理屬性和歷史測量數據。對雷電沖擊模型來說，必須根據地理位置和歷史雷電數據調整參數（例如峰值電流I0、時間常數α和β）；對開關操作來說，需要根據具體設備的開關特性和操作條件調整參數。

1.2.1.1 雷電沖擊模型

通常采用標準的雷電波形，例如雙指數波形，如公式（4）所示。

I（t）=I0（e-αt-e-βt） （4）

式中：I（t）為時間t的瞬時電流；I0、α、β分別為電流峰值、上升、下降的時間常數。

1.2.1.2 開關操作模型

開關操作引起的電磁暫態通常通過模擬開關瞬間的電壓或電流變化來實現。例如，可以使用階躍函數或其他適當的函數來表示開關動作引起的瞬變電流或電壓變化。如果以階躍函數模擬，那么如公式（5）所示。

V（t）=V0?u（t-t0） （5）

式中：V（t）為在時間t的瞬時電壓；V0為電壓變化幅度；t0為開關操作時間；u（t-t0）為階躍函數。

激勵源模型參數見表2。

在輸電線路的防雷研究中，雷電沖擊模型用于模擬雷擊時的電流波形，幫助分析雷擊對輸電線路的影響。開關操作模型則用于評估開關操作對系統穩定性的影響，確保設備在開關操作時不會引起過大的瞬態電壓。

1.2.2 桿塔模型

桿塔模型旨在提供一個準確的結構與電氣特性描述，用于分析桿塔在電磁暫態事件下的行為，包括對雷電流的響應及其對整體網絡安全的影響。結構包括桿塔的高度、型號、材料特性（例如鋼材或鋁合金）及其地理布置。考慮桿塔的接地電阻、電感和電容。通常模型會包括每個桿塔頂部的電感值L、底部的接地電阻Rg以及與相鄰桿塔之間的耦合電容C。

1.2.2.1 電感L1

電感L1通常與桿塔的高度和構造材料有關。考慮桿塔的幾何結構和材料特性，應用經典電磁理論，計算垂直桿塔的自感應，通過麥克斯韋方程組和邊界條件推導，得到桿塔的電感計算過程，如公式（6）所示。

（6）

式中：μ0為示真空磁導率（約為4π×10-7H/m）；h為桿塔的高度；r1為桿塔腿的平均半徑。

公式（6）可用于計算不同高度和直徑的桿塔在電磁暫態下的電感。

1.2.2.2 接地電阻Rg

接地電阻Rg由桿塔底部與土壤的接觸面積和土壤的電導率決定。假設接地體為垂直圓柱，計算其與土壤的接觸電阻，考慮土壤電阻率和幾何尺寸，得到簡化后的接地電阻，如公式（7）所示。

（7）

式中：ρ1為土壤的電阻率；L為接地體的長度；d為接地體的直徑。

公式（7）用于計算不同長度和不同直徑的接地體在不同土壤電阻率下的接地電阻。

1.2.2.3 耦合電容C1

耦合電容C1基于桿塔間距及相對位置確定，如公式（8）所示。

（8）

式中：ε為介質的電容率（通常為空氣的電容率，約8.854×

10-12F/m）；D1為相鄰桿塔的距離。

桿塔模型參數見表3。

1.2.3 線路模型

線路模型用于描述輸電線路的電氣行為，包括電阻、電感和電容的分布，這些特性直接影響線路在電磁暫態事件（例如雷電和開關操作）下的性能。線路通常被視為具有分布式電阻R、電感L和電容C，每一單位長度的參數通常根據線材材料、截面面積和排列方式進行計算。使用傳輸線理論，考慮電壓和電流的波動以及傳播延遲。傳輸線方程V（x，t）和I（x，t）描述電壓和電流如何沿線路傳播。

每公里長度的電感L2與導線的物理布局有關，如公式（9）所示。

（9）

式中：μr2為相對磁導率；D2為相鄰導線的中心距；r2為導線的半徑。

每公里長度的電容C2取決于導線間的相對位置和絕緣材料，如公式（10）所示。

（10）

線路模型參數見表4。

2 ±800kV特高壓輸電線路的防雷分析

2.1 雷電沖擊波形及其對輸電線路的影響

2.1.1 計算雷電沖擊電流的時間序列

雷電沖擊電流的時間序列如圖1所示。

由圖1可以看出電流如何從零迅速達到一個負峰值。這個初始的急劇下降反映了雷電擊中瞬間產生的電流脈沖，電流在約135μs達到最低值。在到達負峰值后，電流逐漸回升，隨著時間的推移緩慢向零靠攏。這表明雷電流并不會立即消失，而是逐步減弱，圖1中顯示，在939μs電流幾乎回升到-2 kA。這種波形表現了雷電沖擊電流的典型特征，即迅速的電流增加（負向峰值），然后再緩慢衰減。

2.1.2 影響分析

2.1.2.1 直接雷擊的影響

當雷電直接擊中輸電線路或桿塔時，極高的電流會通過桿塔流向地面。這種高電流可以導致嚴重的熱和電磁損傷，包括絕緣子損壞、導線斷裂以及桿塔本身的結構損傷。此外，雷電流還會在整個系統中引起電壓沖擊，可能導致保護裝置動作或失效，進而影響電網的穩定性和安全性。

2.1.2.2 感應效應

即使雷電沒有直接擊中輸電線路，附近的雷電活動也會通過電磁感應在輸電線路中誘發電壓和電流。這些感應的電流和電壓沖擊可以在電網中傳播，影響電子設備的運行，導致敏感設備損壞或誤動作。

2.2 開關操作引起的電磁暫態

2.2.1 計算開關操作引起的電壓變化

開關操作引起的電壓變化見表5。

從時間0開始，電壓突然從0kV跳至115.6kV，并保持不變直到33μs。這種突變的電壓變化可能會在電網中引起電流的瞬時變化，產生電磁暫態效應。

2.2.2 影響分析

2.2.2.1 過電壓問題

開關操作引起的電壓突變可能導致過電壓問題。當電壓突然升高時，系統中的電壓可能超過設備的額定耐壓水平，導致設備損壞或失效。過電壓問題可能會引發設備故障，增加維護成本，并對電網的可靠性和穩定性產生負面影響。

2.2.2.2 電壓穩定性

電壓突變可能影響系統的電壓穩定性。突然的電壓變化可能導致系統電壓波動，影響供電質量。針對敏感設備和系統，例如計算機、通信設備等，需要關注電壓穩定性。因此，需要適當地調節和控制開關操作引起的電壓變化，以確保系統的穩定運行。

2.3 桿塔和線路模型對電磁暫態的響應分析

2.3.1 桿塔模型響應分析

2.3.1.1 結構特性影響

桿塔的結構特性直接影響其對電磁暫態事件的響應。例如，桿塔的高度、形狀、材料等參數會影響其對雷電沖擊的承載能力和分布。較高的桿塔能夠更好地承受雷擊，并將電流安全地引導至地面。

2.3.1.2 接地系統影響

桿塔的接地系統對電磁暫態事件的響應至關重要。良好的接地系統能夠有效地將雷電沖擊引導至地下，減少對線路和相關設備的損害。接地電阻和導體的選擇及布置方式對系統的安全性和穩定性具有重要影響。

2.3.2 線路模型響應分析

2.3.2.1 電氣特性影響

輸電線路的電氣特性，例如電阻、電感和電容等參數，會影響其對電磁暫態事件的響應。電阻決定線路的電流承載能力，電感和電容則影響電流和電壓的分布和傳播速度。合理設計線路參數能夠提高系統的穩定性和抗干擾素力。

2.3.2.2 傳輸特性影響

線路的傳輸特性決定電磁波在線路上的傳播方式和延遲情況。解線路的傳輸特性有助于預測電磁暫態事件的傳播路徑和影響范圍，為系統保護和運行提供參考。

3 結語

綜上所述，本文對±800kV特高壓輸電線路的防雷研究進行深入探討。通過電磁暫態程序計算原理的分析能夠準確設置暫態計算的初始條件，以確保計算結果的可靠性。激勵源模型的建立為模擬實際物理事件提供重要依據，而桿塔模型和線路模型的分析揭示系統對電磁暫態的響應特性。在對電磁暫態事件的影響分析中，著重考慮過電壓問題、電壓穩定性、保護裝置響應和絕緣問題等。

參考文獻

[1]陸佳政，皮新宇，朱思國，等.新型電力系統源網設備典型外部災害防治挑戰與展望[J].新型電力系統，2024，2（1）：36-51.

[2]陳卓，陳嘉康.220kV高壓輸電線路防雷接地技術探析[J].電氣技術與經濟，2024（1）：338-339，342.

[3]王苗.高壓輸電線路工程的設計與施工策略分析[J].集成電路應用，2023，40（11）：356-357.

[4]趙春宇，吳紅石，熊志群，等.高壓輸電線路的防雷技術[J].模具制造，2023，23（11）：175-177.