张 杰，阮耀萱，韩永霞，唐 力，刘 刚

（1.华南理工大学电力学院，广州510641；2.南方电网科学研究院，广州510080）

基于雷电流频谱特性研究提高线路耐雷性能的方法

张 杰1，阮耀萱1，韩永霞1，唐 力2，刘 刚2

（1.华南理工大学电力学院，广州510641；2.南方电网科学研究院，广州510080）

输电线路防雷机理和措施一直以来是国内外研究的热点，在输电线路防雷保护基础研究中，雷电流参数具有重要研究意义。针对雷电流基础参数结合雷电流频谱特性，从滤波角度探索研究提高输电线路耐雷性能的新方法。首先，基于各种雷电流模型简要分析雷电流频谱特性。其次，采用3阶巴沃特斯低通滤波器对雷电流进行滤波分析，仿真结果表明，滤波后雷电流波形发生明显变化，波头变平缓即陡度下降但幅值变化较小。最后，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件建立了某110 kV、220 kV和500 kV输电线路耐雷性能仿真模型，仿真分析了雷电流滤波前后对各电压等级输电线路反击耐雷水平的影响。仿真结果表明，雷电流滤波后各电压等级输电线路绝缘子串两端电压波形变得较平缓、光滑，其反击耐雷水平得到了大幅提高。因此，可结合雷电特点及滤波器的可实现性方面设计基于滤波器概念的新型防雷装置。

雷电流波形；频谱分析；滤波分析；反击耐雷水平；PSCAD/EMTDC

0 引言

雷击是输电线路跳闸的主要原因，输电线路防雷机理和措施一直以来是国内外研究的热点。近年来，国内外对雷电观测、特性参数获取及雷电基础数据的研究极为重视[1-5]。与输变电工程雷电防护相关的雷电参数有雷电日、地面落雷密度、雷电流幅值及波形等，三者决定了输电线路雷击跳闸率[6]。其中，雷电流幅值、陡度对输电线路耐雷性能有很大影响，结合雷电流基础数据对雷电流进行滤波分析，对提高输电线路耐雷性能有很大帮助。

各国学者对雷电流参数进行了实测研究，并提出了各种雷电流模型[7-10]。相关学者也针对各种雷电流模型进行频谱特性分析研究[11-14]，也有学者仿真分析了各种雷电流模型对输电线路反击耐雷性能的影响[15-17]。笔者主要针对雷电流频谱特性，从滤波角度探索提高输电线路耐雷性能的机理及方法。

针对上述问题，首先简要分析了各种雷电流模型及频谱特性。其次，对雷电流模型进行滤波分析，仿真分析滤波对雷电流波形及参数的影响。最后，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件建立某110 kV、220 kV和500 kV输电线路耐雷性能仿真模型，仿真分析雷电流滤波后对输电线路反击耐雷性能的影响。

1 雷电流频谱及滤波分析

1.1 各雷电流波形对比

雷电活动具有明显的地域性和活动性，其波形参数监测及波形参数分析是进行雷电防护机理研究的基础。

国内外雷电流波形参数的观测数据表明，雷电流波头时间为1～5 μs，平均为2～2.6 μs，波长20～350 μs。在防雷计算中IEC 60071-4推荐了斜角波和波前凹陷波（concave shape）[9]，我国规程规定电力系统工程计算雷电流为2.6/50 μs斜角波，而Heidler雷电流波形因与实测波形接近也被广泛采用[7-8]。具体各雷电流模型对比如图1所示。

针对上述不同种类雷电流波形，雷电流文献[12]仿真分析了不同雷电流波模型对输电线路耐雷水平的影响，仿真结果表明：不同雷电流波模型计算得到的输电线路反击耐雷水平差异较大。故雷电流波形特点对线路耐雷性能也有一定的影响，而波形的差异也可以看作是频谱分布范围的差异，因此可通过雷电流波形的频谱特性和滤波分析来研究新的防雷机理及防雷措施。

图1 各雷电流模型Fig.1 Models of the lightning

1.2 雷电流滤波分析

由相关研究可知[11-12]，雷电流的频谱分量都是集中在0～100 kHz以内，而能量谱主要集中在0～50 kHz以内。从滤波角度理解，若将雷电流的低频部分滤去可极大地削弱雷电流的能量进而减少对输电线路的危害。但雷电流能量巨大，要滤去其幅值很高的直流和低频部分较为困难。而雷电流高频部分量占比少，本文考虑从滤去雷电流高频部分角度分析滤波后雷电流波形变化及对输电线路耐雷水平的影响。

基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，利用仿真软件自带的3阶巴特沃思低通滤波器对幅值为1 kA的2.6/50 μs双指数波（负极性）和2.0/40 μs Heidler波（负极性）进行低通滤波分析，滤波的截止频率分别设置为50 kHz、100 kHz和150 kHz。得到雷电流滤波前后的对比图见图2，且表1给出了上述2种雷电流模型在滤波前后幅值、波前时间及陡度的变化。

由图2可知，滤波后雷电流波形有明显变化，而幅值变化较小，与1.1节中频谱分析提到的雷电流高频分量占比极小是相对应。结合表1可知，在雷电流波高频分量滤去后，其波头变得相对平缓，雷电流的波前时间增大，陡度降低。由此可知，雷电流高频分量对于雷电流波陡度影响较大。此外，2.6/50 μs双指数波和2.0/40 μs Heidler波滤波后波形及波形参数变化趋势相近，后续仅对2.6/50 μs双指数波作进一步分析。

图2 雷电流波滤波前后波形对比图Fig.2 Comparison of lightning current before and after filtering

表1 雷电流波滤波前后幅值和波前时间Table 1 The amplitude and front time of lightning current before and after filtering

2 雷电过电压建模方法

由1.2节中分析可知，雷电流波在滤去高频分量后可削弱其陡度，且输电线路雷电反击过电压受雷电流陡度影响大，因此可尝试将雷电流高频分量滤去进而提高输电线路反击耐雷水平。为验证雷电流滤波后其对输电线路反击耐雷水平的影响，基于PSCAD/EMTDC电磁暂态程序建立了某110kV、220 kV及500 kV交流输电线路雷电过电压仿真模型，仿真分析雷电流滤波后对不同电压等级输电线路反击耐雷水平的影响。

2.1 雷电参数模拟

国内外在雷电过电压的工程计算中常采用的雷电流波形有双指数波、余弦波、Heidler波形和斜角波。本文根据我国规程规定选取2.6/50 μs双指数波，且雷电流通道波阻抗取300 Ω，雷电流模型如图1所示。

2.2 输电线路模拟

在雷电过电压研究中，需充分考虑线路的频率响应特性，因此仿真计算中线路采用频率相关（相位）模型。选取精确模拟110 kV、220 kV及500 kV交流输电线路的6个档距进行反击耐雷水平研究，为了消除电源处折反射的影响，两端边缘杆塔距离电源30 km，如图3所示；其中l为档距，各电压等级输电线路均取350 m。

图3 输电线路结构示意图Fig.3 Schematic diagram of transmission line

由于交流线路工作电压高，雷击塔顶反击时，其在绝缘子两端电压中占比对输电线路反击耐雷水平有很大影响，在仿真计算时应予以考虑[18-19]。且导线上工频电压瞬时值（相角）具有随机性，笔者从严考虑，取雷击塔顶时刻为线路耐雷水平最低时刻，即三相交流电压某相为正峰值时刻。

2.3 杆塔的模拟

杆塔模型在输电线路的防雷计算中至关重要，目前国内外防雷计算分析中对杆塔的模拟主要包括集中电感模型、单一波阻抗模型及多波阻抗模型[20-21]。本文计算分析中采用由Yamada T和Hara T等提出的多导体分层波阻抗模型，该模型考虑横担和支架对杆塔波阻抗的影响，因此其波响应特性更接近真实杆塔模型[22-23]。杆塔分层多波阻抗模型如图4所示。

图中，ZTK为塔身第k段主材波阻抗，ZA为铁塔横担波阻抗；ZLK为塔身第k段斜材的等效波阻抗。

2.4 绝缘子串模拟

采用可控理想开关模拟绝缘子串的闪络，其开断状态受绝缘子串两端的电压与闪络判据控制。国内外在计算线路耐雷水平时采用的绝缘子或空气间隙的闪络判据包括U50%法、伏秒特性法、积分法和先导发展法等[24]。相关研究表明，先导发展法考虑了雷击情况下绝缘子两端不同种类（非标准）过电压波形的影响，在理论上更符合绝缘子闪络放电的实际物理过程[25-27]。本文采用CIGRE推荐的先导发展法作为本文的闪络判据。

图4 杆塔分层多波阻抗模型Fig.4 Hierarchical multi-surge impedance model of towers

2.5 线路参数模拟

笔者所选取各电压等级输电线路均为单回线路，沿线大地电阻率取平均值为1 000 Ω·m，接地电阻取15 Ω。其中110 kV线路绝缘子有效绝缘距离为1.15 m，架空地线型号为JLB4-150，架空导线型号为LGJ-240/40；220 kV线路绝缘子有效绝缘距离为2.24 m，架空地线型号为JLB4-150，架空导线型号为2×LGJ-300/50；500 kV线路绝缘子有效绝缘距离为4.8 m，架空地线型号为JLB4-150，架空导线型号为4×LGJ-630/55。

3 雷电流滤波对输电线路耐雷性能的影响

基于上述建模方法在PSCAD/EMTDC建立了各电压等级输电线路反击耐雷性能仿真程序，仿真步长取为0.008 μs。根据1.2节滤波分析中所得雷电流波形，分别注入4号杆塔塔顶仿真分析雷电流滤波后对输电线路反击耐雷水平的影响。

3.1 110 kV输电线路

通过仿真分别得到滤波和未滤波雷电流波击于塔顶时输电线路的耐雷水平，进而将该幅值雷电流波注入4号杆塔塔顶仿真分析雷电流滤波前后对耐雷性能的影响。仿真分析表明：雷电流滤波后，反击塔顶在绝缘子两端形成电压呈下降趋势，对输电线路耐雷水平有很大提高。图5给出了绝缘子临界闪络时两端电压波形且表2给出了未滤波及不同截止频率下输电线路反击耐雷水平。

图5 绝缘子串临界闪络两端电压波形Fig.5 The voltage waveform across insulator with critical flashover

表2 110 kV输电线路反击耐雷水平Table 2 The back flashover level of 110 kV transmission line

由图5可知，雷电流波反击塔顶时在绝缘子两端形成的过电压均为短尾波。相比而言，滤波后雷电流反击塔顶时形成的过电压幅值均比未滤波低，且随着截止频率降低呈下降趋势。其次，滤波后雷电流在绝缘子两端形成的电压波较未滤波其波前时间有所增大即电压波陡度变缓，也随着截止频率的降低而下降。另外，滤波后绝缘子两端过电压波形变得很平滑，截止频率为150 kHz时仅在10 μs左右（截止频率为100 kHz时为13 μs和截止频率为50 kHz时为25 μs）绝缘子两端电压波形有所凹陷。这是由于滤波后雷电流波波头变缓波前时间增大即相邻杆塔负反射电压波传播到雷击杆塔时注入塔顶雷电流峰值还处于上升阶段。结合表2可知，滤波后，输电线路反击耐雷水平有显著提高且随着截止频率降低而升高，雷电流滤波截止频率为50 kHz时，110 kV输电线路反击耐雷水平较未滤波提高约27.7%，由此说明，雷电流滤波后，可有效降低其在绝缘子两端过电压，即提高输电线路反击耐雷水平。

3.2 220 kV和500 kV输电线路

进一步分析雷电流滤波前后对不同电压等级的影响，同3.1节所述仿真计算出滤波前后各雷电流波反击塔顶输电线路耐雷水平，进而将该幅值滤波前后雷电流模型注入220 kV及500 kV输电线路模型4号杆塔塔顶仿真分析雷电流滤波前后对耐雷性能的影响。仿真结果表明，滤波后输电线路反击耐雷水平有很大提高，具体波形如图6所示，表3和表4分别给出了220 kV、500 kV输电线路在雷电流未滤波及不同截止频率下滤波后输电线路反击耐雷水平。

图6 绝缘子串临界闪络两端电压波形Fig.6 The voltage waveform across insulator with critical flashover

表3 220 kV、500 kV输电线路反击耐雷水平Table 3 The back flashover level of 110 kV/500 kV transmission line

由图6可知，滤波后雷电流反击塔顶时形成的过电压幅值均比未滤波低，且随着截止频率降低呈下降趋势。其次，滤波后雷电流在绝缘子两端形成的电压波较未滤波其波前时间有所增大即电压波陡度变缓，也随着截止频率的降低而下降。结合表3可知，雷电流滤波后对提高220 kV及500 kV输电线路反击耐雷水平同样有很显著效果，且雷电流滤波截止频率为50 kHz时，220 kV和500 kV输电线路反击耐雷水平较未滤波提高约34.91%和34.35%。

4 对防雷器件的启示

基于上述分析可知，雷电流经滤波后能有效提高输电线路反击耐雷水平，由此可设想在输电线路塔顶加装滤波装置将能有效降低雷击杆塔引发的输电线路跳闸等雷害事故。

通常滤波器分为有源滤波（APF）和无源滤波（FC），而无源滤波器（也称LC滤波器）在功能上可分为低通、高通、带通及带阻等形式。结合1.2节可知，本文所研究对象旨在将雷电流高频分量滤去，即采用低通无源滤波形式。实际的无源滤波器是按它对频率成份的过滤特性和设计滤波器所用函数形式组合来区分的，1.2节中所提到的巴特沃思型滤波器也是常用的一种。在滤波器的设计中，电感线圈是LC滤波器不可或缺的元件，可分为空心线圈和磁芯线圈[28]。较理想电感器而言，由于线圈匝间存在分布电容和导线对地存在分布电容，故电感线圈在低频和高频情况下表现为不同的等效电路。在高频情况下，电感线圈分布参数将不能忽略，此时电感线圈等效电路如图7所示。其中L为电感参数，K为匝间分布电容参数，C为对地分布电容参数。

图7 电感线圈等效电路Fig.7 Equivalent circuit of Inductance coil

由图7可知，电感线圈高频下的等效电路与椭圆函数型滤波器在结构上极为相似[27]。因此，在设计滤波型避雷器件时，可从电感型避雷针角度进行分析研究。但滤波器通常是用于对信号进行处理，对于雷电流如此高幅值、高频率的冲击波能否有滤波效果应进一步进行研究。

5 结论

笔者针对雷电流进行了频谱及滤波分析，并基于PSCAD/EMTDC建立了不同电压等级雷电反击耐雷水平的电磁暂态仿真程序仿真，计算了雷电流波滤波前后对线路耐雷水平的变化，得出以下结论：

1）雷电流波高频分量滤去后，其幅值变化较小，但波头变得相对平缓，雷电流的波前时间增大，陡度降低，即雷电流高频分量对于雷电流波陡度影响较大。

2）雷电流滤波后能有效提高各电压等级输电线路绝缘子串两端电压波形变得较平缓、光滑，可以有效提高其反击耐雷水平。

3）在实际防雷器件设计中，可从椭圆形滤波器的概念出发探索新型防雷装置，如电感型避雷针。

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ResearchontheMethodtoImprovetheLightningProtectionPerformance Based on Spectral Characteristics of Lightning Current

ZHANG Jie1，RUAN Yaoxuan1，HAN Yongxia1，TANG Li2，LIU Gang2
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China;2.Electric Power Research Institute，China Southern Power Grid Co，.Ltd，.Guangzhou 510080，China）

Lightning is the main cause of transmission line tripping.The mechanism and the mea⁃sures of transmission line lightning protection has been a hot spot of research at home and abroad.In the research of basic lightning protection of transmission line，the parameters of lightning current，including the amplitude，wave front time and steepness，are significant.Based on the parameters above and com⁃bined with the lightning current spectrum characteristics，this paper studies the new method to improve the performance of transmission line lightning protection from the aspect of filtering.Firstly，the spec⁃trum features based on the lightning current waveform is introduced briefly.Secondly，the filtering analy⁃sis of the lightning current is carried out by the 3-order Butterworth low-pass filter.The result shows that the waveform of lightning current changes obviously after filtering，and the wave front becomes gentle，which means the gradient declines，however，the amplitude has a smaller change.Finally，based on the electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC，the lightning protection performance sim⁃ulation model of 110 kV，220 kV and 500 kV transmission line are established，and the influence of the lightning current filter before and after on the lightning protection level of transmission line is studied.The results show that the voltage on the insulator of each voltage classes become gentler，smoother and the lightning protection levels are improved to a great degree after filtering.Therefore，combined with the characteristics of lightning current and the feasibility of filter，the new lightning protection device can be designed based on the concept of filtering.

lightning current waveform；spectral analysis；filtering analysis；lightning withstand level；PSCAD/EMTDC

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.013

2017-03-28

张杰（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为输电线路防雷。

广东省自然科学基金（编号：2014A030313249）；特高压工程技术（昆明、广州）国家工程实验室开放基金（编号：NEL201404）。