邵俊楠，王 燕，黄广龙

（1．新疆电力设计院，乌鲁木齐830002；2．中原工学院，郑州450007）

工频电压对输电线路耐雷水平的影响分析

邵俊楠1，王 燕2，黄广龙1

（1．新疆电力设计院，乌鲁木齐830002；2．中原工学院，郑州450007）

以规程法为基础，推导了计及工频电压的输电线路耐雷水平的计算公式，并结合实际工程计算和分析了各电压等级工频电压对线路耐雷水平的影响．

工频电压；耐雷水平；冲击接地电阻；杆塔呼高

输电线路分布广，纵横交错，一般线路长度较长，尤其是近年来建设的特高压交、直流输电线路，长度可达数千公里．线路在经过多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区时，其遭受雷击的可能性较大．据电网故障分类统计，在高压线路运行的总跳闸次数中，由雷击引起的跳闸次数占40%～70%．衡量和评价输电线路雷击耐受能力的一个重要的性能指标是耐雷水平，它直接影响着电力系统运行的安全性和可靠性．在线路设计阶段，常需要对设计中的线路进行仿真计算，得到其耐雷水平，从而指导、修正线路的设计，因此耐雷水平的计算具有重要的意义［1－4］．

目前，在我国无论是规程法还是借助各种电磁暂态计算软件进行耐雷水平计算的方法，都没有计及线路运行中工频电压的影响［4］．严格地说，作用在线路绝缘子上的电压还有导线上的工频电压．对220 k V及以下的线路，因所占比重不大，工频电压对线路耐雷水平影响不大，计算时可以忽略．但对特高压输电线路来说，该工频电压的存在对绝缘子串的雷击闪络特性会产生很大的影响；如果忽视工频电压的影响，将使计算结果产生误差［5］．因此，在特高压输电线路耐雷水平计算中，需考虑工频电压对线路耐雷水平的影响．本文计算了110 k V、500 k V、750 k V线路在计及工频电压前后的耐雷水平，分析了工频电压对线路耐雷水平的影响．

1 计及工频电压后的耐雷水平分析

当线路有避雷线（又称地线）时，雷击线路部位有3种：雷绕过避雷线而击于导线、雷击杆塔（塔顶）和雷击避雷线档距中央．运行经验表明，雷击避雷线档距中央且与导线发生闪络引起跳闸的情况是极罕见的，可不予考虑［6］．本文只分析雷击杆塔（塔顶）时线路的耐雷水平．不计工频电压时线路的耐雷水平I的计算可参考文献［7］；本文只推导计及工频电压时线路的耐雷水平I′．

雷击塔顶前，雷电通道中的负电荷在杆塔及架空地线上感应正电荷；当雷击塔顶时，雷电通道中的负电荷与杆塔及架空地线上的正感应电荷迅速中和，形成雷电流，如图1（a）所示．雷击瞬间，自雷击点（即塔顶）有一负雷电流波沿杆塔向下运动，另有2个相同的负电流波分别自塔顶沿两侧避雷线向相邻杆塔运动．与此同时，自塔顶有一正雷电流波沿雷电通道向上运动，此正雷电流波的数值与3个负电流波之和相等，线路绝缘子上的过电压即由这几个电流波所引起．对于一般高度的杆塔，在工程上常用图1（b）所示的集中参数等值电路进行分析计算．其中：Lgt为杆塔的等值电感，Rch为被击杆塔的冲击接地电阻，Lb为杆塔两侧一个档距内避雷线电感并联值，i为雷电流．不同类型杆塔的等值电感Lgt可由表1查出．单根避雷线的等值电感Lb约为0．67lμH（l为档距长度，m），双根避雷线的Lb约为0．42lμH．

图1 雷击塔顶时雷电流的分布及等值电路图

表1 杆塔的电感平均值

1．1 杆塔横担高度处电位的幅值Ugh

考虑到雷击点的阻抗较低，故在计算中可略去雷电通道波阻的影响．由于避雷线的分流作用，流经杆塔的电流igt小于雷电流i，igt＝βi，则塔顶电位Ugt为：

横担高度处杆塔电位为：

1．2 导线上的电位幅值Ud

雷击塔顶时导线上的电位包括3个分量：①塔顶电位为Ugt时由避雷线与导线间的耦合作用而产生的耦合分量Uep＝k Ugt，其中k为考虑电晕影响后的耦合系数，此电压与雷电流同极性；②雷电放电先导通道产生的电磁场通过场线耦合到导线上的感应过电压分量Ugy，此电压与雷电流异极性；③导线上的工频电压分量Ugp＝Umcos（ωt＋φ0），其中Um为相电压峰值，ω为角频率，φ0为初始相位角．则计及工频电压后导线上

1．3 绝缘子串上的电压幅值Uj

线路绝缘子上的电压为横担高度处杆塔电位和导线电位之差，故线路绝缘子上的电压幅值为：的电位幅值Ud为：

1．4 耐雷水平I′

当电压Uj未超过线路绝缘水平U50%时，导线与杆塔之间不会发生闪络．由此可得出雷击杆塔时线路的耐雷水平I′为：

因雷电流持续时间极短（约几十μs），故可认为雷击过程中工频电压一直保持不变，其值取雷击开始t0时刻的值，为ωt0＋φ0＝Ф，则式（6）可简化为：

式（1）－式（7）中：β为分流系数；hh为杆塔横担对地高度（杆塔呼高），m；hg为杆塔对地高度（杆塔全高），m；α为雷击杆塔时感应过电压系数；k0为导线与避雷线（地线）间的几何耦合系数；hb为避雷线（地线）平均高度，m；hd为导线平均高度，m．

2 实例计算分析

2．1 计算参数的选取

某110 k V输电线路中，导线采用LGJ－240／30型钢芯铝绞线，避雷线采用GJ－50型钢绞线，导线用悬垂绝缘子串长度取1．7 m，地线悬垂绝缘子串长度取0．3 m，绝缘子50%电压取550 k V；某500 k V输电线路中，导线采用4×LGJ－630／45型钢芯铝绞线，避雷线采用GJ－100型钢绞线，导线用悬垂绝缘子串长度取5．5 m，地线悬垂绝缘子串长度取0．6 m，绝缘子50%电压取2 250 k V；某750 k V输电线路中，导线采用6×LGJ－400／35型钢芯铝绞线，避雷线采用GJ－100型钢绞线，导线用悬垂绝缘子串长度取7．5 m，地线用悬垂绝缘子串长度取0．6 m，绝缘子50%电压取2 700 k V．

2．2 不计工频电压时的雷击塔顶耐雷水平

不计工频电压时雷击塔顶耐雷水平I按文献［7］中的计算公式进行计算．计算结果见表2，其中H 为杆塔呼高．

表2 不计工频电压时的耐雷水平I（R ch＝10Ω，H＝36 m）

2．3 计及工频电压时的雷击塔顶耐雷水平

由式（7）可知，计及工频电压时雷击塔顶耐雷水平I′随雷击时刻工频电压相位角Ф的不同而不同，Ф＝0°时，I′最大，此时工频电压与雷电流i同极性且达到峰值；Ф＝180°时，I′最小，此时工频电压与雷电流i反极性且达到峰值．因雷击时刻是随机的，故Ф值也是在0°～360°之间的一个随机值．但无论Ф取哪个值，三相导线中工频电压等幅值、同频率，而初相依次相错120°［8］，其波形和向量见图2和图3．故三相导线中总有一相的工频电压与雷电流i反极性，使该相的耐雷水平I′降低，并且也总有一相的工频电压与雷电流i同极性，使I′升高．本文只考虑其中一相导线中工频电压在Ф＝0°和180°时的2种极限情况，计算结果见表3．

表3 计及工频电压时的耐雷水平I′（R ch＝10Ω，H＝36 m）

2．4 工频电压对输电线路耐雷水平的影响分析

由表2和表3可以看出，在某一次雷击中，工频电压虽然可以使某一相的耐雷水平提高，但却使线路总的耐雷水平降低．计及工频电压后耐雷水平的变化值ΔImax＝∣I′max－I∣．

图4所示为线路电压等级与ΔImax的关系．由图4可知，随着线路电压等级的提高，线路工频电压对线路耐雷水平的影响越来越大．当电压等级为110 k V时，ΔImax为6 k A；当电压等级为500 k V时，ΔImax为25 k A；而当电压等级为750 k V 时，ΔImax可达39 k A．

图4 电压等级与ΔI max的关系（R ch＝20Ω，H＝36 m）

图5所示为杆塔冲击接地电阻Rch与ΔImax的关系．由图5可知，在土壤电阻率较高的地区，工频电压对线路耐雷水平的影响比在土壤电阻率较低的地区小．杆塔冲击接地电阻为5Ω时，ΔImax＝42 k A；杆塔冲击电阻为10Ω时，ΔImax＝34 k A；杆塔冲击电阻为15Ω时，ΔImax＝29 k A；杆塔冲击电阻为20Ω时，ΔImax＝25k A；杆塔冲击电阻为 25Ω 时，ΔImax＝23 k A；杆塔冲击电阻为30Ω时，ΔImax＝21 k A．

图6所示为杆塔呼高H 与ΔImax的关系．由图6可知，随着杆塔呼高的增加，工频电压对线路耐雷水平的影响越来越小．当呼高为27 m时，ΔImax＝27 k A；当呼高为30 m时，ΔImax＝26 k A；当呼高为36 m时，ΔImax＝25 k A；当呼高为42 m时，ΔImax＝24 k A；当呼高为48 m时，ΔImax＝23 k A．

图5 冲击接地电阻R ch与ΔI max的关系（电压等级＝500 k V，H＝36 m）

3 结 语

（1）计及导线上工频电压后，雷击杆塔时线路某一相的耐雷水平是雷击时工频电压相位Ф的函数，随着Ф值的不同，耐雷水平可能提高也可能降低，但线路总的耐雷水平降低．

图6 杆塔呼高H与ΔI max的关系（电压等级＝500 k V，R ch＝20Ω）

（2）计及工频电压后，线路耐雷水平降低的数值随着线路电压等级的增大而增大．而工频电压对线路耐雷水平的影响随着杆塔呼高、土壤电阻率的增大而逐渐减小．

［1］ 李小岚，尹小根，余仁山，等．基于改进电气几何模型的绕击跳闸率的计算［J］．高电压技术，2006，32（3）：42－44．

［2］ 寻凯，何成华．绕击是造成湖北地区域500 k V线路雷击跳闸的主要原因［J］．中国电力，2000，33（6）：55－58．

［3］ 胡毅．输电线路运行故障分析与防治［M］．北京：中国电力出版社，2007．

［4］ 贾磊，舒亮，郑士普，等．计及工频电压的输电线路耐雷水平的研究［J］．高电压技术，2006，32（11）：111－114．

［5］ 屠志健，张一尘．电气绝缘与过电压 ［M］．第2版．北京：中国电力出版社，2009．

［6］ 邵俊楠，王燕，李轶．风速对500k V输电线路绕击性能的影响分析［J］．中原工学院学报，2010，21（3）：72－75．

［7］ DL／T620－1997，交流电气装置的过电压保护及绝缘配合［S］．

［8］ 邱关源．电路［M］．北京：高等教育出版社，1999．

Effect Analysis of Power Frequency Voltage to the Withstand Level of Transmission Line

SHAO Jun－nan1，WANG Yan2，HUANG Guang－long1
（1．Xinjiang Electric Power Design Institute，Urumqi 830002；2．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In this paper，computational formula of lightning withstand level considering power frequency voltage is deduced，and effect of power frequency voltage to the withstand level of transmission line is computed and analysed．

power frequency voltage；lightning withstand level；impact earthing resistance；height of iron tower cross arm

TM862

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．03．014

1671－6906（2012）03－0062－04

2012－05－17

邵俊楠（1981－），男，河南淮阳人，工程师．