窦婷婷，姚元玺，陈 鹏，芦 灯

（1.山东职业学院，济南250014；2.山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

0 引言

对于1 000 kV交流特高压大跨越来说，杆塔及导线高度明显高于附近常规线路，致使线路遭受雷击的概率大大增加，而1 000 kV线路一旦雷击后发生跳闸，将对电力系统造成较大冲击。为使大跨越杆塔的耐雷水平达到一定数值，往往采取增加绝缘子片数、加大空气间隙等手段，这又使得塔头较大、造价过高。因此，有必要采取可行措施，既使线路达到预定的耐雷性能，又能合理控制空气间隙、缩减尺塔头尺寸，降低工程造价。

线路避雷器在常规输电线路中的应用较为广泛，文献[1]对输电线路中应用较多的110～500 kV系统中常用带外串联间隙避雷器（EGLA）的绝缘配合、耐受性能进行了研究。文献[2]对1 000 kV带串联间隙线路避雷器关键技术参数进行分析，并提出了具体数值。文献[3]用ATP-EMTP软件建立仿真模型，对避雷器安装方式、工频电压和接地电阻对反击和绕击影响进行分析，其研究结果表明避雷器可显著提高线路耐雷水平。文献[4]参照官亭-兰州东750 kV大跨越实际参数，研究了线路避雷器对大跨越线路绕击耐雷水平的影响，并提出了避雷器的安装方案。由于1 000 kV特高压大跨越工程并不常见，相关研究也较为缺乏，且不同于500 kV及以下电压等级线路，1 000 kV特高压线路运行电压较高，电压相角及导线相序排列对耐雷性能产生一定影响。

笔者首先按设计规范分析雷电过电压要求的绝缘子串长度及空气间隙，随后利用ATP-EMTP建立具有多波阻抗的铁塔模型、具有频率特性的输电线路模型、基于先导法的空气间隙击穿模型，以及具有大电流冲击特性的电阻模型，系统研究大跨越耐雷性能，并分析避雷器对反击和绕击耐雷性能的影响。

1 雷电过电压要求的串长及空气间隙

1.1 研究对象

以某1 000 kV特高压交流线路黄河大跨越为例，大跨越采用“耐（1号）—直（2号）—直（3号）—耐（4号）”的四塔方式，档距分别为887 m、1 463 m、950 m，铁塔全高分别为84 m、229 m、229 m和84 m。采用同塔双回路架设，导线逆相序排列，自上而下左侧回路相序为A、B、C，右侧回路相序为C、B、A。

大跨越所处位置年雷暴日取40天，工频接地电阻取5 Ω，海拔高度小于500 m。按D级污区配置绝缘，工程设计采用550 kN瓷三伞形绝缘子，结构高度240 mm，爬电距离650 mm。

1.2 雷电过电压要求的绝缘子片数

为使线路满足一定的耐雷性能，设计规范[5]规定：在海拔1 000 m以下，铁塔全高60 m，雷电过电压要求的绝缘子片数不少于43片（结构高度为195mm），全高超过60 m且有地线的杆塔，杆塔高度每增高10 m应增加1片结构高度为146 mm的绝缘子。本文直线塔全高达229 m，需在43片结构高度195 mm绝缘子的基础上，增加17片146 mm结构高度绝缘子，雷电过电压要求的绝缘长度为10.867 m。

1.3 雷电过电压要求的空气间隙

为使绝缘子串和空气间隙的绝缘能力均能够充分发挥，并合理减少绝缘子串的表面闪络从而保护绝缘子，设计规范[5]规定，在雷电过电压情况下，其空气间隙的正极性雷电冲击放电电压应与绝缘子串的50%雷电冲击放电电压相匹配，按绝缘子串的50%雷电冲击放电电压的80%确定间隙。

长绝缘子串的雷电冲击U50%（kV）与绝缘子串长L（m）之间的关系[6]为：

雷电冲击与空气间隙D的关系[6]为：

经计算，雷电过电压空气间隙为8.1 m。同时，规范规定：海拔500 m以下，双回路带电部分与杆塔构件的最小间隙，工频电压为2.7 m，操作过电压为6.0 m[5]。分别根据工频、操作过电压及雷电过电压工况对应的风速计算绝缘子串的风偏角，绘制绝缘子串偏角与空气间隙，见图1。

图1 铁塔尺寸Fig.1 Size of tower

由图1可知，雷击放电途径主要有两个：一是导线与铁塔之间的空气间隙击穿，二是沿绝缘子表面的闪络。具体的放电途径由过电压波形、工作电压相角、绝缘子串长度及空气间隙距离等多种因素共同确定，需通过仿真进行判断。

2 仿真模型的建立

2.1 线路及雷电模型

雷电过电压的频率范围可达几千赫兹，而线路参数随频率的变化而改变，笔者采用具有频率特性的 J.Marti模型[7]。

采用双指数波负极性雷电流模型，波前时间1.2 μs，波尾时间50 μs，考虑雷电流波阻抗Z0的影响[8]，直击杆塔时，Z0取300 Ω，绕击导线时Z0取800 Ω。需要特别指出，与2.6/50 μs的波形相比，1.2/50 μs波形的仿真结果偏于严格。

2.2杆塔及接地模型

雷电波在铁塔内的传播特性对雷电过电压的计算结果影响很大，需建立合理的铁塔模型。本文采用文献[9]的方法，将铁塔细分为主材、斜材和横担，分别用无损线路模拟，由于各段的波阻抗不同，等价的模拟了行波的畸变。把铁塔分为三段，分别计算各段的主材、斜材及横担的波阻抗。

2.3 直流线路空气间隙放电模型

先导发展是长空气间隙的特有现象，本文采用CIGRE推荐的先导模型进行仿真。先导开始时间Ts之后，击穿进入先导发展阶段，先导发展的速率由式（3）计算，当先导发展的长度超过间隙长度时判断闪络发生，当先导发生过程中施加电压下降，先导未达到部分的平均电场降到E0以下时，判断先导发展终止[9]。

式中：E0为试验获取的最小击穿场强，kV/m；L为先导发展的长度，m；u（t）为间隙上的电压，kV；d为空气间隙长度，m；k为常数。

文献[9]认为，沿绝缘子表面的雷电冲击闪络可等同为相同长度的空气间隙的击穿，因此式（3）也适用于沿绝缘子的空气闪络，具体应用时将空气间隙d改为绝缘子串干弧长度，这在仿真中用于判断放电的途径。

本文采用负极性雷电流，流入杆塔的电流为负极性，导线相对于塔顶为正极性，因此U50%取绝缘子串或空气间隙的正极性50%冲击电压。根据CIGRE的推荐取值，在正极性雷电冲击下，对于空气间隙，E0=600，k=0.8，对于瓷盘形绝缘子串，E0=520，k=1.2[10]。

2.4 线路避雷器模型

采用外带串联空气间隙的复合外套金属氧化物避雷器（型号YH30CX1-768/1886K），串联空气间隙的雷电冲击U50%≤2 900 kV，放电电压标称放电电流30 kA，其伏安特性见图2。

图2 避雷器伏安特性曲线Fig.2 V-A characteristic for arrester

3 线路耐雷性能计算

3.1 反击耐雷性能

由于特高压线路运行电压高，因此必须考虑工频电压初相角对耐雷水平的影响，在A相不同的相角下，仿真计算了线路耐雷水平、雷击跳闸率及放电途径。

由表1可知：

表1 A相不同相角下的反击耐雷性能Table 1 Back striking lightning performance in different angles of A phase

1）初相角对线路反击耐雷水平及跳闸率有一定影响。

2）1B、2B均为中相，承受的过电压波形相同，仿真计算时两相同时放电，然而实际情况为两相同时放电的概率非常小。

3）放电途径均为导线与铁塔横担之间空气间隙的击穿，没有发生沿绝缘子表面的闪络，这有利于保护绝缘子。

4）各相平均耐雷水平为189 kA，略低于设计规范规定的200 kA；平均反击跳闸率为0.254 9次/（100 km·年），折合至大跨越实际长度为0.008 412次/（3.3 km·年），大跨越段平均无雷击故障时间为119年。

3.2 绕击耐雷性能

同样，在考虑A相相角影响的情况下，计算了上、中、下三相导线的绕击耐雷水平。

由仿真结果及图3可知：

图3 绕击耐雷水平Fig.3 Shielding lightning withstand level

1）上、中、下相导线绕击耐雷水平的最小值分别为40 kA、40 kA及52 kA，平均值分别为48.17 kA、47.83 kA及59.08 kA，上、中相耐雷水平相基本一致，下相绕击耐雷水平最高。

2）经仿真，上、中相放电途径为导线与其下方横担之间的空气间隙；下相由于雷电空气间隙较大，其放电途径为沿绝缘子串表面的闪络，这对保护绝缘子是不利的。

根据线路绕击的EGM模型[11]，随着绕击雷电流幅值增加，雷电对地线、导线及大地的击距也增大，致使地线屏蔽弧更长，地面屏蔽线更高，上、中相导线的暴露逐步弧减小。以绕击雷电流40 kA、52 kA为例，绘制的EGM模型见图4。

图4 40 kA和52 kA雷电流的绕击EGM模型Fig.4 Shielding EGM model for 40 kA and 52 kA lightning current

由图4以及仿真计算可知：

1）上相绕击耐雷水平最小值为40 kA，在该雷电流下，上相被地线完全保护，上相不会发生绕击放电。

2）中相绕击耐雷水平最小值也为40 kA，在该雷电流下，中相暴露弧长20.37 m，绕击电流增大到50 kA时，中相暴露弧消失。因此，40 kA～50 kA的雷电流可造成中相导线与塔身之间的空气间隙击穿，中相绕击跳闸率为0.167次/（100 km·年）。

3）下相绕击耐雷水平最小值为52 kA，在该雷电流下，上中相均被完全保护，大于52 kA的雷电流仅可使下相沿绝缘子表面闪络，下相绕击跳闸率为0.219次/（100 km·年）。

4）线路总体绕击跳闸率为0.386次/（100 km·年），折合大跨越长度3.3km，绕击无故障时间为78年。

线路运行经验表明，沿绝缘子表面闪络，对绝缘子的安全运行使十分不利的，放电通道产生的高热量可损害其表面釉质降低耐污性能，更甚者使绝缘子炸裂引发掉线等严重事故[6]。而由图1可知，受大风工况工频间隙的控制，下相导线对塔身的雷电过电压间隙无法减小，为保护绝缘子并减小雷击跳闸率，可安装线路避雷器。

4 线路避雷器对防雷性能的影响

安装线路避雷器后，在改善反击耐雷水平方面，避免了避雷器安装相的反击，同时也改善了其他相的耐雷水平。这是因为一方面避雷器动作后，部分雷电流泄入相导线降低了塔顶电位，另一方面安装相导线电压升高，在其他相上感应了较高的电压，两方面共同作用使绝缘子串及空气间隙承受的过电压降低。在改善绕击耐雷水平方面，安装单相避雷器只能保护安装相，不能保护未安装相，因此在容易遭受绕击的相安装避雷器更有意义。

为控制工程造价，减少避雷器安装数量，可在两基跨越直线塔的下相各安装1套，并仿真研究避雷器对线路防雷性能的影响。

直线塔下相安装避雷器后，对反击耐雷性能的影响如图5、图6所示，各相平均反击耐雷水平由189 kA增加到296 kA，各相平均反击雷击跳闸率由0.254/（100 km·年）减小到0.022/（100 km·年）。在绕击方面，下相不再发生绕击跳闸，绕击跳闸只有机会发生在中相，绕击跳闸率由0.386/（100 km·年）降至0.148/（100 km·年）。

图5 避雷器对反击耐雷水平的影响Fig.5 Influence of arrester on back striking lightning withstand level

图6 避雷器对反击跳闸率的影响Fig.6 Influence of arrester on back striking lightning tripping rate

安装避雷器后，总雷击跳闸率由0.641/（100 km·年）降至0.192/（100 km·年），折合到大跨越段实际长度3.3 km，雷击无故障时间由47年增加至146年，这说明下相安装的避雷器显著提高了线路防雷性能。

4 结论

分析了特高压大跨越雷电要求的绝缘子片数和空气间隙，利用ATP-EMTP建立输电线路防雷性能仿真模型，计算了线路避雷器对线路耐雷性能的影响，主要结论如下：

1）为把雷击跳闸率控制在合理水平，在不增加绝缘子片数和雷电空气间隙的情况下，可采取安装线路避雷器的方法。考虑在线路自然耐雷性能基础上，可在直线塔下相左、右侧各1套单相避雷器。

2）避雷器显著提高线路耐雷性能。安装避雷器后，总雷击跳闸率由0.641/（100 km·年）降至0.192/（100 km·年），折合到大跨越段实际长度3.3 km，雷击无故障时间由47年增加至146年。

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