孙建领

SUN Jian-ling

（南京化工职业技术学院，南京 210048）

0 引言

架空输电线路遭雷击跳闸一直是困扰安全供电的一个难题，雷害事故几乎占具线路全部跳闸事故的2/3。寻求更有效的线路防雷保护措施，一直是世界各国电力工作者关注的课题，尤其是35kV及以下电压等级的配电线路绝缘性能较差、耐雷水平较低，防雷的问题更为突出。本文选择了11条典型的不同塔杆型式的35KV线路并对其线路基本参数进行分析，采用ATP－EMTP软件仿真法对这三种塔形的耐雷水平进行了仿真计算，得出杆塔接地电阻降低、输电线路绝缘子调爬及加装线路型氧化锌避雷器以提高防雷耐雷水平并进行了应用。

1 基本概况

1.1 线路基本参数分析

根据11条35kV输电线路的资料，这些线路杆塔型式有水泥杆塔、铁塔和钢管塔。这11条线路每条的长度都不超过10km长，杆塔数不超过51基，变电所进出线段设计有架空避雷线。2003年至2006年遭受雷击次数最多是G线，共遭受6次雷击，其次是CI线，为3次，有的线路遭受雷击未找到雷击点，相关线路基本参数及线路雷击次数统计如表1所示。

表1 线路雷击次数统计表

1.2 线路雷害情况分析

经收集整理，这11条线路自2003年至2006年共遭受20次雷击，其中有6次找到了故障杆塔号（6次雷击情况如表2所示），由于当时遭受雷害情况记录不详细，难以准确判断雷害方式，但从绝缘子损坏情况可以看出，CI线3#杆塔遭受雷击是由于雷击东相导线，导致绝缘闪络，CI线3＃、F线11＃杆塔遭受雷电绕击，D线23＃、CII线27＃塔遭受雷电反击。

表2 6次雷击情况

2 典型杆塔耐雷水平的计算分析

2.1 软件仿真法计算线路耐雷水平分析

所研究的这11条35kV输电线路大致可分为3种塔形，分别为铁塔，水泥塔和钢管塔，利用ATP－EMTP法对这三种塔形的耐雷水平进行仿真计算。

ATP(即Alternative Transient Program)是目前国际上计算电磁暂态现象以及电机原理应用最广泛的数字仿真软件之一，是道梅尔于20世记50年代末在美国伯尼维尔电力管理局（简称BPA）工作期间编制的BPA EMTP(Electromagnetic Transient Program)程序的继续和发展。这两个程序在功能和输入数据卡片的填写上大体相仿，主要用于模拟计算电力系统的电磁暂态过程，为电力系统的科研，设计和安全运行提供可靠的依据。

ATP的基本原理是：根据元件的不同特性，建立相应的代数方程，常微分方程和偏微分方程，形成节点纳矩阵。采用优化节点编号技术和稀疏矩阵算法，以节点电压为未知量，利用矩阵三角分解求解，最后求得各支路的电流，电压和所有消耗的功率，能量。在稳态计算中应将非线性元件线性化，包括利用简单的迭代进行潮流计算。在暂态计算中非线性特性可以用分线段线性化来处理，也可以进行迭代求解。

ATP程序可以求解包括旋转电机，电源，变压器，避雷器，线性与非线性元件，控制系统，输电线和电缆等多种模型组成的大型电力系统的稳态和暂态过程。凡是可用电路来模拟的其它系统，如机械系统的稳态和暂态过程，均可用此程序来计算。用此数字程序可以仿真任意结构的复杂网络，分析控制系统，电力电子设备以及非线性的元器件例如电弧和电晕。允许对称或不对称干扰，如故障，雷电浪涌，各种各样的开关操作，包括换流阀。还支持相量网络的频率相应的计算。

目前，在国内的输电线路防雷计算中，杆塔的模拟通常由两种模型：一个是采用集中电感进行模拟，另一种就是当杆塔高度较高时，根据杆塔结构，把杆塔看作一个均匀参数，用一个波阻抗来模拟。但是，近年来的研究显示，只用一个集中电感模拟杆塔，忽略杆塔对地电容，由此得出的结果误差较大并且计算时接地电阻的影响被夸大。超高压输电线路越来越多，杆塔高度也越来越高，继续将整个杆塔视为均匀参数模拟与事实不符。

在最初建立的输电线路中，通常都采用集中电感来模拟杆塔，忽略了杆塔上的波过程。前人在集中电感模拟上做了一系列的工作，得出了不同结构的杆塔单位长度的电感值。但是，随着输电系统电压等级的不断提高，采用集中电感模拟杆塔进行防雷计算的弊端也越来越明显，计算结果的准确度也有一定的降低。

采用单一波阻抗来模拟杆塔是由于高杆塔的出现，考虑到雷电波从塔的顶部运动到塔基是需要时间的，在这点上它优越于集中电感模拟。目前，采用单一波阻抗来模拟杆塔（垂直导体），把杆塔看作一个均匀参数，取值仅仅是根据杆塔自身结构确定，相对于目前杆塔高度很高的情况下，这个取值显然是不准确的。

用EMTP模型计算耐雷水平是通过把线路、杆塔按分布参数进行模拟，考虑雷电波在线路中的波过程和杆塔及相邻杆塔波过程及波的折反射来进行的，同时考虑线路的工频电压及感应过电压更加逼近实际。线路和杆塔分布参数由EMTP中LINE CONSTANTS子程序计算得到。

图1 模拟雷电流波形

2.2 模型的建立

2.2.1 雷电流的模型

雷电流幅值、波头时间均按规程规定处理，取雷电流波型为2.6／50μs、负极性，作为研究中的主要波型。用简炼的数学表达式来描述典型的雷电流波形，显然有助于定量分析，以便于进行许多相关的计算。Stekolnikov（1941）以及Bruce和Golde（1941）同时提出了双指数表达式：

经计算，其双指数波形的表达式为：

2.2.2 杆塔模型

在工程近似计算上，杆塔常被等效为集中参数的电感或分布参数长线。波速为300m/μs，模型如图2所示。

图2 杆塔分布参数模型

2.2.3 TACS子程序模拟绝缘子串闪络的过程

绝缘子串两端的电压和绝缘子串的伏秒特性分别是时间的函数，可以用一个或者多个FORTRAN表达式来表示。如图3所示，52＃中的驱动信号模拟绝缘子串两端的电压曲线，有名＋固定阙限值模拟绝缘子串的伏秒特性曲线，当某一时刻驱动信号≥有名＋固定阙限值时，52＃特殊装置内部的开关闭合，其输出为一正数，将一个由其输出控制开关状态的13＃TACS开关闭合。此TACS开关相当于绝缘子串，打开状态为绝缘子串正常状态，闭合状态为绝缘子串闪络状态。由于TACS开关时闭时合，而绝缘子串闪络后不会恢复正常，所以要采取措施，必须使TACS开关一次闭合后就不再打开。可行的方法是在52＃特殊装置的输出端，即在TACS开关的控制端前加一个64＃特殊装置。这样，52＃特殊装置输出一旦为正数，就始终为此数不变，从而TACS开关一次闭合后就不再打开，正确地模拟了绝缘子串的闪络特性，如图3所示。

图3 TACS组合控制模型模拟绝缘子串闪络特性

2.2.4 仿真等值电路

采用EMTP－ATP对线路耐雷水平进行计算的等值仿真电路如图4所示。

图4 仿真等值电路

2.3 带避雷线三种塔的ATP仿真

2.3.1 带避雷线上字型铁塔ATP仿真

分别计算该塔形接地电阻不同时（5Ω、7Ω、10Ω、15Ω、25Ω），装设或不装设三相避雷器，调爬或不调爬的耐雷水平。

选取三片绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%350kV，四片绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%460kV；波阻抗150Ω；铁塔高度15m；横担高度为10.8m；横担宽度取5m。

图5 铁塔分布参数模型

图6 线路仿真模型

图7 计算过程

图8 计算输出

2.3.2 带避雷线带拉线门型水泥杆ATP仿真

分别计算该塔形接地电阻不同时（5Ω、7Ω、10Ω、15Ω、25Ω），装设或不装设三相避雷器，调爬或不调爬的耐雷水平。

选取三片绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%350kV，四片绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%460kV；波阻抗125Ω；铁塔高度18m；横担高度为15m；横担宽度取6m。

图9 杆塔分布参数模型

图10 线路仿真模型

图11 计算过程

图12 计算输出

2.3.3 带避雷线钢管塔ATP仿真

分别计算该塔形接地电阻不同时（5Ω、7Ω、10Ω、15Ω、25Ω），装设或不装设三相避雷器，调爬或不调爬的耐雷水平。

选取三片绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%350kV，四片绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%460kV；波阻抗180Ω；铁塔高度11m；横担高度为6.5m；横担宽度取4.5m。

图13 杆塔分布参数模型

图14 装设三相避雷器线路仿真模型

图16 计算输出

2.4 计算结果

表3 耐雷水平仿真计算结果 单位：kA

在接地电阻为10Ω时，铁塔、水泥杆和管型塔的耐雷水平计算值分别为32.8kA、30 kA和36.7KA，而当接地电阻增大到25Ω时，铁塔、水泥杆和管型塔的耐雷水平计算值分别为15.1 KA、14.6 kA和17.3KA。

根据以上线路耐雷水平的计算，可以看出不论铁塔、水泥杆还是管型塔，其耐雷水平随着接地电阻的升高而降低，因此，降低杆塔接地电阻是提高耐雷水平的有效方法，将接地电阻降到5Ω以下，并且同时采取调爬、加装避雷器等措施，能够更好的提高线路耐雷水平。

3 提高某区35kV输电线路耐雷及防雷水平方法的应用

采用ZC-8摇表对某区以下线路部分杆塔接地电阻进行了测量，测量结果为：

从抽查测量的情况来看，目前某区35kV输电线路杆塔接地存在以下问题：

1）部分杆塔接地电阻偏大；

2）部分杆塔接地引下线连接不好、螺栓松动、锈蚀、引下线过长、连接不好；

3）很多水泥杆的接地引下线未敷设。

通过上述杆塔接地电阻抽查测量发现，杆塔接地电阻偏高易遭受雷击，结合ATP－EMTP软件仿真计算结果，对某区35kV输电线路采取降低接地电阻、调爬以及加装避雷器的方法，可提高某区35kV输电线路耐雷及防雷水平。

3.1 降低接地电阻的方法

根据杆塔接地电阻测量情况，对所选择的某区11条35kV输电线路中杆塔接地电阻值偏大的进行开挖检查并进行处理：

1）对接地极锈蚀但未锈断的杆塔，用防腐涂料或沥青处理；

2）对接地极锈断的杆塔，重新敷设接地极进行修复或者从新焊接，并用防腐涂料或沥青处理；

3）对部分钢筋混凝土杆重新敷设接地引下线代替电杆内接地方式；

4）对利用内筋接地的电杆检查内筋、横担、避雷支架与接地螺栓的连接情况，确保连接可靠。

3.2 输电线路绝缘子调爬

雷击跳闸主要是由于雷击杆塔顶部引起的，增加3片绝缘子可使雷击跳闸率降低27%；雷击跳闸主要是由于雷绕击线路引起的，那么增加3片绝缘子可使雷击跳闸率降低13.2%。

在线路上采用的绝缘子按电介质材料分类，有瓷、玻璃、有机合成绝缘子三种类型。从防雷保护的角度看，无论采用哪一种类型的绝缘子，都要确保绝缘子串足够的冲击耐受水平(U50%)，不出现低值或零值绝缘子，检出零值后尽早更换，就可以保证线路杆塔有足够的耐雷水平。

3.3 加装线路型氧化锌避雷器应用后的效果

根据线路耐雷水平的计算结果，可以看出不论铁塔、水泥杆还是管塔，在装设三相避雷器后，其杆塔耐雷水平较未装设三相避雷器时均提高一倍以上。通过对输电线路的易遭雷击区安装线路型氧化锌避雷器，使线路杆塔的耐雷水平得到了提高，大大降低了线路雷击跳闸率。

4 结论

本研究说明了35KV线路可以采用模型通过仿真计算，得出防雷避雷应该降低接地电阻、输电线路绝缘子调爬、加装线路型氧化锌避雷器的办法；从理论上解决了防雷避雷的方法并对此方法利用典型的线路采用模型通过仿真计算得到了验证，本研究的不足之处没有对非典型的线路进行验证。

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