改善杆塔波阻抗对110 kV输电线路雷击过电压的影响

陈斯翔，武利会，李恒真，陈道品，刘益军，吴统帅

(1.广东电网股份有限公司佛山市供电局， 广东 佛山 528011； 2.西南交通大学电气工程学院， 成都 611756)

0 引 言

随着我国年用电量逐年增长，高压、特高压架空输电线规模空前。随着电压等级与传输距离的提升，线路防雷问题变得越来越突出，大量统计资料表明：大部分雷害事故是由于雷击输电杆塔顶部或避雷线引起的输电线路反击跳闸事故，尤其是随着输电线路等级的不断提高，杆塔高度不断增高，雷击杆塔顶部或附近避雷线的概率也在相应增加，这极大的影响了电网的安全可靠经济运行[1]。

国内外学者针对输电线路防雷做了大量研究，包括杆塔模型建立以及防雷方法研究，目前杆塔模型主要有：集中电感模型、单一波阻抗模型和多波阻抗模型[1-4]，现有防雷方法主要有：架设避雷线、架设耦合地线[5]、降低接地电阻、安装线路避雷器[6-7]等，架设避雷线已成为一种常规的措施，110 kV以上线路均架设双避雷线；全线架设耦合地线会导致线路投资过大，不满足经济性要求；降低接地电阻，线路防雷效果提升显著，但一味追求极低的接地电阻也会大大增加建设成本；线路避雷器可以有效的防止绝缘子闪络，但如果全线架设，投资过大且维护困难，因而主要用于雷害严重或接地电阻过高的局部输电线路。上述措施均从增加线路耦合作用和降低接地电阻出发，然而并未基于杆塔波阻抗开展相关防雷方法研究，也未提出基于降低杆塔波阻抗的防雷优化方法。

笔者利用有限元法求解出杆塔波阻抗模型[8]，并将仿真结果与Hara的多波阻抗模型对比[9]，以证明本研究杆塔波阻抗模型有效性，然后提出了增设拉线以降低杆塔波阻抗，进而提升线路耐雷水平的方法，并构建了拉线、杆塔、避雷器、输电线路、绝缘子等EMTP联合暂态仿真模型，基于模型分析了工作电压、拉线、接地电阻、避雷器安装方式对线路耐雷水平的影响，并研究了拉线、避雷器以及拉线与避雷器相互配合的防雷效果，为进一步提高线路耐雷水平，降低雷击过电压提供了研究基础与依据。

1 杆塔波阻抗求解

1.1 杆塔波阻抗求解原理

根据电磁场相关理论[10-11]，电场能量We的表达形式及与电容关系如下：

(1)

式中：E是电场强度，V/m；D是电通量密度，C/m。

同理磁场能量Wm的表达式及与电感关系如下：

(2)

式中：H是磁场强度，A/m，B是磁感应强度,T。

杆塔波阻抗表达式下：

(3)

利用ANSYS分别计算杆塔不同高度的电场和磁场能量，然后依据式(1)和式(2)分别求出杆塔不同高度的C和L，最后由式(3)得出杆塔不同高度的波阻抗。

1.2 输电杆塔三维建模

为使仿真结果接近真实，所采用的杆塔在几何和材料上必须和真实杆塔贴近，采用CAD对杆塔进行三维建模，并把建立好的模型导入ANSYS中进行分析。多级杆塔的等效模型见图1。塔顶到上横担对应多级杆塔模型中的第一级，上横担到中横担为第二级，中横担到下横担为第三级，下横担到塔底为第四级。每一级用波阻抗Z、波速取270 m/μs和集中参数R、L组成的并联电路串联而成。Rg为杆塔接地电阻。集中参数R、L的计算如下：

图1 多级杆塔等效电路模型Fig.1 Equivalent circuit model of multistage tower

(4)

R4=-2×Z4×lnα

(5)

这里li是杆塔每级的实际高度，Zi为杆塔每级的波阻抗，α为衰减系数取常数0.89。

Li=2τRi(i=1,2,3,4)

(6)

式中τ为雷电波在塔上的传播时间，τ=h/c0，h为杆塔总高度,c0=270 m/μs。

1.3 输电杆塔电磁场仿真

将输电杆塔3D模型导入到ANSYS中进行仿真，仿真得出的杆塔模型每段的电场能量和磁场能量见表1。

表1 杆塔每层电场能量和磁场能量Table 1 Electric field energy and magnetic field energy of each layer of the towe

依据式(1)-(6)计算出多层杆塔模型中的每层的波阻抗及每级的集中参数R、L见表2。

表2 杆塔的波阻抗及R、L参数Table 2 Wave impedance and R, L parameters of tower

2 输电线路EMTP建模

2.1 电力架空线路建模

本研究是对雷电流进行仿真，由于其频率极高，频率对线路参数影响不可忽略，因此选用了LCC中的J.Marti模型模拟输电线路，该模型的特点是运算中考虑到雷电流的频率特性和杆塔不均匀波阻抗的特性问题。

2.2 绝缘子闪络模型

目前，绝缘子串在雷电冲击下闪络判据有规程法、相交法[12-13]和先导法[14-16]。笔者采用相交法对绝缘子闪络进行建模。相交法即通过比较绝缘子串的伏秒特性曲线与绝缘子串两端雷电过电压波形有无交点来判断绝缘子是否发生闪络，IEEE推荐绝缘子串在标准雷电波下的伏秒特性如下：

(7)

其中：Us-t为杆塔上绝缘子串闪络电压；l为绝缘子串长；t为从雷击开始到闪络所经历的时间(μs)，取0.5～5 μs。

基于绝缘子串伏秒特性，在ATP-EMTP中用MODELS控制TACS开关来模拟绝缘子闪络模型[17]。

2.3 避雷器建模

采用多段指数来模拟[18-19]，并可以用在有间隙的避雷器上。每段特如下：

i=p(V/Vref)q

(8)

式中：p和q为特性常数；Vref为参考电压，通常取额定电压的两倍或者直流1 mA下的参考电压。设计的避雷器参数见表3。在EMTP中常用92型设备来模拟ZnO避雷器[20]。

表3 避雷器参数Table 3 Parameters of arrester

2.4 拉线建模

增设杆塔拉线不仅能增加杆塔的抗风压能力，还能降低杆塔的波阻抗，进而提高线路的防雷性能，而且拉线成本较低，不需要维护。因此笔者提出了增设拉线的防雷方法，研究了在杆塔呼高处增设不同数量拉线对线路防雷性能的影响。选取的拉线半径为20 mm，拉线的上部与杆塔在呼高处连接，下部与杆塔接地装置的外引射线相连，这样不仅可以省去拉线的接地装置，还能大大降低拉线的接地电阻，最大程度提高线路防雷性能。由于拉线垂直高度有十几米，水平距离杆塔接地装置只有几米，其倾斜度很大，几乎与地面垂直因此可以将其等效为垂直圆柱导体，其波阻抗如式(9)：

(9)

其中：μ为磁导率；ε为介电常数；r为拉线半径；l为拉线的长度。

2.5 整体建模

以伞形双回铁塔为例，绝缘子型号为XWP2-70，绝缘子串总长度Ljy=1.022 m，根据公式(7)得到绝缘子串伏秒特性曲线，见图2，由伏秒特性曲线知，绝缘子串0.5 μs时闪络电压U0=1.629 MV，5 μs闪络电压Uinf=625.81 kV，取时间常数t=0.8 μs考虑两基杆塔，其档距为500 m，不考虑拉线和避雷器的整体模型构建见图3。

图2 绝缘子串伏秒特性曲线Fig.2 Voltage second characteristic curve of insulator string

图3 整体模型图Fig.3 Overall model

多层输电塔模型与Hara多波阻抗模型的仿真结果对比见图4，从图中可以看出，两种模型下的第一基杆塔塔顶电压幅值及变化趋势相差不大，这充分证明了采用有限元法求解杆塔波阻抗的正确性。

图4 不同杆塔模型下第一基杆塔塔顶电压Fig.4 Top voltage of the first tower under different tower models

3 输电线路耐雷水平仿真及结果分析

3.1 双回输电线路雷电过电压特性分析

在第一基杆塔塔顶注入2.6/50 μs,幅值为100 kA的雷电流，接地电阻为10 Ω，图5是第一基杆塔不同横担的电位分布，图6是不同相绝缘子两端电压，对比图5、图6易知绝缘子两端电压要比横担电位小很多，这是由于输电线路存在工作电压和感应电压，横担电位越高，绝缘子两端电压也越大，因此降低杆塔横担电位，可以在一定程度上防止绝缘子闪络。

图5 第一基杆塔不同横担的电位分布Fig.5 Potential distribution of different cross arms of the first base tower

图6 不同相绝缘子两端电压Fig.6 Voltage at both ends of different phase insulators

3.2 工作电压对线路耐雷水平的影响

当雷击发生时，作用在绝缘子串上的除了雷电流引起的电压还有工作电压。因此绝缘子串闪络是由线路工作电压和雷电压叠加共同作用的[21-22]。对于高压输电线路，工作电压较高，因此工作电压对线路耐雷水平的作用不可忽略。图7给出了输电线路耐雷水平与工作电压相位角的关系，由图可知输电线路耐雷水平受工频电压相位角变化影响，近似呈现余弦波变化，但整体变化幅度较小，在电压相位角为180°时，输电线路耐雷水平处于最低值，在0°和360°时输电线路耐雷水平处于最高值，基于这一规律，为充分考虑工作电压的影响，后续分析均以电压相位角为180°开展。

图7 输电线路耐雷水平与工频电压相位角关系Fig.7 Relationship between lightning resistance level and power frequency voltage phase angle of transmission line

3.3 拉线对线路耐雷水平的影响

在第一基杆塔注入2.6/50 μs，幅值为100 kA雷电流，图8是接地电阻为10 Ω时，塔顶电位及绝缘子耐雷水平与拉线数量的关系，结果表明：塔顶电位随着拉线数量的增加而减小，A、C两相绝缘子耐雷水平随着拉线数量的增加而增加，但当拉线数量超过4根时，绝缘子耐雷水平增加趋势明显变缓，这是由于拉线的存在相当于减小了杆塔波阻抗，降低了横担电位。

图8 塔顶电位及绝缘子耐雷水平与拉线数量的关系Fig.8 Relationship between tower top potential, lightning resistance level of insulator and number of guy wires

图9是在不同接地电阻下，无拉线和安装4根拉线时，线路整体耐雷水平的对比，结果表明当接地电阻小于20 Ω时，安装拉线可以有效提高线路整体耐雷水平，当接地电阻为5 Ω时，耐雷水平提升了近35%，但当接地电阻大于20 Ω时，拉线的作用不再显著，这是由于在接地电阻较小时，杆塔的波阻抗是影响线路耐雷水平的主要因素，拉线可以降低杆塔的波阻抗，因此效果显著，反之，当接地电阻较大时，接地电阻成为影响线路耐雷水平的主要因素，但拉线仅能降低杆塔的波阻抗，因此效果不再显著。

图9 无拉线和安装4根拉线效果对比Fig.9 Effect comparison between no guy wire and four guy wires

3.4 避雷器对线路耐雷水平的影响

当接地电阻超过20 Ω时，拉线不能明显提高线路耐雷水平，因此针对该工况，研究了如图10中12种避雷器安装方式对线路耐雷水平的影响，●表示避雷器安装位置，方式○表示不装设避雷器：

图10 避雷器安装方式及输电线路耐雷水平Fig.10 Installation mode of arrester and lightning resistance level of transmission line

结果表明，即使在接地电阻较高的条件下，装设避雷器也能较好的提升线路耐雷水平，线路耐雷水平随着避雷器数量的增加而上升，且线路耐雷水平受避雷器安装位置影响，安装两只避雷器时，方式1效果最好，安装3只避雷器时，方式6效果最好，4只配置方式时，方式9和方式10效果相当，安装6只避雷器效果最优，线路耐雷水平提升了近75%。

3.5 拉线配合避雷器对线路耐雷水平的影响

基于前文对拉线及避雷器防雷效果的单独分析易知，拉线对A、C相线路有较好的保护作用，避雷器安装位置会影响线路的耐雷水平，在接地电阻较低时，拉线和避雷器可以相互配合进一步提高线路整体耐雷水平，图11是在接地电阻为10 Ω时，拉线和避雷器不同配合方式下线路的耐雷水平。

图11 避雷器与拉线配合效果Fig.11 Matching effect of arrester and stay wire

由图11可知，当接地电阻为10 Ω时，杆塔安装2～3避雷器就能够将线路耐雷水平较大幅度提高，避雷器安装方式5效果最优。避雷器不论采用何种安装方式，安装拉线均能继续提高线路耐雷水平，且随着拉线数量增加，效果越明显。除此之外，只安装4根拉线的效果比避雷器安装方式2或安装方式3更好，与避雷器安装方式5效果相当，因此在一些接地电阻较低，维护困难的地方可以采用拉线代替避雷器，在雷害严重的地方可以采用拉线配合避雷器安装方式5提高线路耐雷水平。

4 结 论

本研究从降低杆塔波阻抗的角度出发，提出安装拉线提升线路耐雷水平的方法，并利用有限元和EMTP软件完成拉线、杆塔、避雷器、绝缘子、输电线路仿真模型建立，开展拉线、避雷器以及二者相互配合对提升线路耐雷水平的作用研究，并得出如下结论：

1)输电线路耐雷水平受工频电压相位角变化影响，近似呈现余弦波变化，但整体变化幅度较小，在电压相位角为180°时，输电线路耐雷水平处于最低值。

2)低接地电阻区域，安装拉线可以代替避雷器有效提升线路耐雷水平，接地电阻越小，拉线数量越多，拉线的作用越明显，线路耐雷水平越高。在雷害较为严重的地方也可以采用拉线配合避雷器进一步提升输电线路耐雷水平，其中4根拉线配合避雷器安装方式5效果最好。

3)无论接地电阻如何，线路避雷器的钳位作用都能提升线路耐雷水平，但避雷器数量及安装方式不同，效果不同，其中2只时，方式1效果较好；3只时，方式6效果较好；方式12效果最好，但成本最高，因此在接地电阻较高或雷害极其严重的区域可以采用方式12。