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0 引言

电网的安全稳定运行是经济社会发展的重要保障。然而，随着线路电压等级的不断提高，杆塔高度也不断增加，暴露空间的扩大增大了线路遭受雷击的概率[1]。相关统计数据[2]表明，2011-2013年间国家电网公司输电线路由雷击引起的跳闸次数约占总跳闸次数的46.2%。超高压输电线的绝缘水平很高，雷电反击引发闪络的可能性不大，绕击是引起线路跳闸的主要原因[3]。

为了有效提高线路的防雷水平，降低杆塔接地电阻[4]、敷设避雷线[5]、安装线路避雷器[6，7]等一系列措施被采用。线路运行经验和仿真结果都表明这些措施都十分有效。但是由于线路绝缘子串处于户外工作环境，受到雨、雪等导电尘埃和盐分的污染，在表面形成了一层导电膜，大大降低了其绝缘水平。污秽绝缘子串的雷击闪络过程与清洁绝缘子串存在显著差异[8]，缺乏对污秽绝缘子串状态下保护措施有效性的分析。

笔者利用EMTP软件[9]搭建500 kV同塔双回输电线路模型，分析线路发生雷击绕击时，清洁绝缘子串与污秽绝缘子串对线路闪络的影响，同时比较绝缘子串不同污染程度下的绕击耐雷水平。最后，讨论改变杆塔接地电阻、改变线路绝缘闪络电压和安装避雷器等因素对提高线路绕击耐雷水平的效果，为线路的雷电防护提供相关参考。

1 仿真模型

1.1 雷电流模型

常用的雷电流模型有双指数函数波形、Heidler函数波形、脉冲函数波形3种，Heidler函数更适合描述通道底部电流[10]，笔者利用Heidler函数模拟雷电流波形，具体表达式如下：

式中：I0为雷电流峰值；τ1和τ2分别为波头、波尾时间常数；n为电流陡度因子，IEC推荐取10。雷电流波形取2.6/50 μs[11]，雷电通道等值波阻抗根据相关规范[10]选取。

1.2 线路及杆塔模型

在EMTP中搭建500 kV同塔双回线路模型，线路全线敷设双避雷线，档距为500 m，相线型号为LGJ-630/55，避雷线型号LHAGJ-150/25[12]。为降低雷电流高频成分对线路参数的影响，相线与避雷线均采用Jmarti模型来反映频率与线路参数间关系及分布损耗特性[13]。

500 kV杆塔型号为S1型铁塔，采用Hara提出的无损多阻抗杆塔模型，考虑雷电波在杆塔上的传播过程，同时体现杆塔横担和支架线段等部位及不同高度处阻抗的变化，具体杆塔布置和相应细化模型如图1所示[9]。图1中，Zt为主干波阻抗，ZL为支架波阻抗，ZA为横担波阻抗。

主干波阻抗Ztk通过下式计算：

实验测量结果表明，由于支架的存在使得波阻抗下降10%左右，支架波阻抗ZLk可以通过下式计算：

横担可以看作简单的水平导体来计算其波阻抗，具体计算如下：

式中：hk为第k个横担高度；rAk为等效半径，取横担与主干连接长度的1/4。

图1 杆塔结构布置与细化模型[9]Fig.1 Structure of tower and its circuit model

仿真中杆塔参数设置如下：h1=57 m、h2=55 m、h3=44 m、h4=33 m。

1.3 绝缘子串模型

绝缘子串闪络的常见判断方法有规程法[10]、相交法[14]和先导法[15]。规程法应用于同杆多回线路判断与实际运行结果差别较大，先导法考虑了空气闪络的整个物理过程，分析结果十分精确，但模型参数设置复杂，因此本文线路绝缘闪络判据采用精度较高，模型相对简单的相交法。

图2（a）给出了清洁绝缘子串等效电路模型[16]。压控开关断开时，绝缘子串处于正常状态，压控开关闭合时，绝缘子串闪络。R表征局部放电电弧电阻，C为其对应电容。26片XP-300绝缘子对应的50%冲击放电电压约为2 690 kV，等效电容3.9 pF，等效电阻4 421 MΩ。

图2（b）给出了污秽绝缘子串等效电路模型，非线性电阻表征绝缘子污秽表面。绝缘子串表面的污染程度影响其表面电导，污秽和潮湿程度越严重，表面电导越大，绝缘子串越容易沿污秽体表面放电。

图2 绝缘子串模型Fig.2 Insulator string model

图3给出了轻度污染与重度污染情况下，非线性电阻伏安特性曲线[17-18]。

图3 污染绝缘子串伏安特性Fig.3 V-I characteristics of a lightly or polluted insulator

1.4 冲击接地模型

当雷电流幅值较大时，接地体周围土壤会被击穿导致土壤电离，即产生火花放电效应[4]。火花放电效应相当于增加了接地体的尺寸，从而降低接地电阻。

仿真中接地电阻模型采用CIGRE大电流特性模型，冲击接地电阻与电流关系如下[19]：

式中：I为流过接地体的雷电流；Ig为土壤临界击穿电流。R0为工频接地电阻。

临界土壤击穿场强与土壤电阻率有关，具体计算如下：

式中，ρs为土壤电阻率。

Ig和R0通过下式计算：

式中，r为表面积相等的半球电极半径。

1.5 避雷器模型

500 kV线路三相均安装带串联间隙线路型金属氧化物避雷器，型号为YH20CX-396/1050，避雷器额定电压为396 kV，直流参考电压U1mA不小于561 kV，8/20 μs 10 kA雷电流冲击下残压为1 050 kV。

避雷器的暂态模型对于分析其能量吸收至关重要，EMTP中自带的避雷器模型无法准确表示带串联间隙避雷器，仿真中采用压控开关与非线性电阻串联模型来模拟，如图3所示[20]。

图4 避雷器模型Fig.4 Equivalent model of the line arrester

当避雷器两端电压超过间隙击穿电压时，避雷器动作，相当于开关闭合。避雷器串联放电间隙长度为1 400 mm，击穿电压取其50%雷电冲击放电电压1 760 kV。避雷器动作后，两端电压与电流符合下式关系：

式中：i为流经避雷器的电流；Ur为避雷器两端电压。k与α根据具体参数拟合而得。

2 仿真结果分析

2.1 污秽绝缘子串影响

图5给出了绝缘子清洁、轻度污染、重度污染情况下顶相绝缘子串过电压波形，雷击电流幅值20 kA，杆塔工频接地电阻取4 Ω。

由图5可以看出，雷电流幅值为20 kA时，清洁绝缘子串未发生闪络，轻度和重度污染绝缘子串均发生了闪络。轻度污染绝缘子串闪络电压为2060kV，重度污染绝缘子串闪络电压为1 630 kV。由此可见，绝缘子串污秽越严重，闪络电压降低越明显。因此，污秽绝缘子串的存在降低了线路绕击耐雷水平。

图5 不同污染情况下绝缘子串电压波形Fig.5 Voltage waveform of insulator string under different pollution conditions

由于500 kV线路工作电压较高，必须考虑工频电压对线路绕击耐雷水平的影响。在EMTP软件中，将工作电压相角中从0°依次增大到360°，步长为30°，记录发生闪络时对应的电流值I1、I2、…、I12，则线路平均绕击耐雷水平为

2.2 接地电阻影响

图6给出了不同杆塔接地电阻情况下，线路绕击耐雷水平变化。

图6 绕击耐雷水平随接地电阻变化Fig.6 Lightning shielding failure withstand level vs grounding resistances

由图6可以看出，无论绝缘子串清洁与否，线路绕击耐雷水平均随着杆塔接地电阻的增大而增加，但是增加幅度十分有限。清洁绝缘子串情况下，当接地电阻从10 Ω增大至50 Ω时，绕击耐雷水平仅增加了2.6 kA。

同时，绝缘子串清洁程度严重影响线路绕击耐雷水平。绝缘子串污染程度越严重，线路耐雷水平下降越多。即使接地电阻降低至4 Ω，线路绕击耐雷水平也仅为13 kA。

2.3 绝缘子片数量影响

图7给出了不同绝缘子片数量下，线路绕击耐雷水平变化，杆塔工频接地电阻4 Ω。

图7 绕击耐雷水平随绝缘子片数量变化Fig.7 Lightning shielding failure withstand level vs number of the insulators

从图7可以看出，线路绕击耐雷水平随着绝缘子片数量的增加而提升。重度污染绝缘子串情况下，当绝缘子片数量从26片增至30片时，绕击耐雷水平提升了30.7%。通过增加绝缘子片数量来提升线路绕击耐雷水平是有效的，但是绝缘子串污秽的存在仍然削弱了其保护效果。

2.4 避雷器防护

图8给出了安装避雷器对提升线路绕击耐雷水平效果，杆塔工频接地电阻4 Ω。

图8 安装避雷器后线路绕击耐雷水平Fig.8 Lightning withstand level after installation of lightning arrester

从图8可以看出，线路绕击耐雷水平得到显著提升，因为避雷器的残压一般低于绝缘子串闪络电压。避雷器安装越密，线路绕击耐雷水平提升越明显。每基杆塔均安装避雷器后，重度绝缘子串情况下耐雷水平也超过了100 kA。每两基杆塔安装一组避雷器后，重度绝缘子串情况下耐雷水平提升至51 kA。

根据电气几何模型（EGM）[21]理论，杆塔和避雷线对线路具有屏蔽保护作用，存在一个理论上的临界电流幅值，只有当雷电流幅值小于临界电流时，线路才会发生绕击，否则线路发生反击。每基杆塔均安装避雷器后，线路耐雷水平远大于绕击临界电流，每两基杆塔安装一组避雷器时，线路耐雷水平则仅略大于绕击临界电流。因此，即使安装线路避雷器，也需要尽可能保持绝缘子串的清洁。

3 结论

通过在EMTP中建立500kV输电线路模型，分析线路发生雷电绕击情况下污秽绝缘子串对线路耐雷水平的影响，得到结论如下。

1）污秽绝缘子串冲击放电电压低于正常情况，导致线路绕击耐雷水平减小，绝缘子串污染程度越严重，耐雷水平下降越明显。

2）线路绕击耐雷水平随着杆塔接地电阻的增加而增大，但是这种影响不是十分明显。

3）增加绝缘子片数量能够提高线路绕击耐雷水平，但是绝缘子串污秽的存在削弱了其提升保护效果。

4）安装避雷器后能够显著提升线路绕击耐雷性能。避雷器安装较密时即使绝缘子串污秽严重也能取得较好防护效果。

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