季 坤，严 波，操松元，陈 伟，汪 伟，张 莹

（1.国网安徽省电力有限公司，合肥 230022；2.国网安徽省电力有限公司淮南供电公司，安徽淮南 232000）

0 引言

随着经济社会的不断发展，电网的建设规模也不断扩大，线路走廊越来越紧张。同塔多回输电技术因其能够有效缓解输电走廊紧张、节约土地资源、提高输电容量等优点得到了广泛的应用[1]。相关统计数据[2]表明，雷电是影响输电线路安全稳定运行的主要威胁之一。同塔多回输电技术的应用导致杆塔高度增加，增大了遭受雷击的概率，也给线路绝缘配合与防雷性能研究提出了新的要求[3-4]。

为了有效提升同塔多回线路的耐雷水平，一系列措施被采用，如：降低杆塔接地电阻[5]、敷设避雷线[6]、安装线路避雷器[6-7]等。实际运行经验[8]和仿真结果[9-10]都表明这些措施具有明显效果，其中安装线路避雷器的防护效果最为显著。但是对于具体避雷器的防护配置方式，如安装数量、安装位置、与绝缘子串最小间距等仍然不是十分清晰，对避雷器防护效果影响因素研究也相对较少。对此进行相关综合研究，对于确保同塔多回输电线路安全可靠运行具有重要意义。

笔者利用EMTP软件[11]搭建220 kV同塔双回输电线路模型，分析线路发生雷击反击时，不同避雷器配置方式下的线路耐雷水平，讨论杆塔接地电阻、线路工频电压相位角对避雷器防护效果的影响，最后计算不同配置方式下，避雷器与绝缘子串防止发生侧向闪络的最小安全间距，为同塔双回线路的雷电防护提供一定参考。

1 仿真模型

1.1 雷电流模型

较为常用的雷电流模型有3种：双指数函数波形、Heidler函数波形、脉冲函数波形，Heidler函数更为符合通道底部电流波形[12]，因此利用Heidler函数模拟雷电流波形，表达式如下：

式中：I0为雷电流峰值；τ1和τ2分别为波头和波尾时间常数；n为电流陡度因子，IEC推荐值取10。雷电流波形参数相关规范[13]取2.6/50 μs，雷电通道等值波阻抗根据电流幅值选取[13]。

1.2 线路及杆塔模型

在EMTP中搭建220 kV同塔双回输电线路模型，线路全线敷设双避雷线，档距为500 m，导线型号为LGJ-400/50，避雷线型号GJ-50。为降低雷电流高频成分对线路参数的影响，导线与避雷线均采用Jmarti模型来反映频率与线路参数间关系及分布损耗特性[14]。

为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，采用Hara提出的无损多阻抗杆塔模型[15]。图1给出了杆塔结构及其等效电路模型。

图1 杆塔结构及其等效模型Fig.1 Structure of tower and its circuit mode

图1 中，Zt为杆塔主干波阻抗，ZL为杆塔支架波阻抗，ZA为杆塔横担波阻抗。

主干波阻抗Ztk通过下式计算[11]：

式中，

实验测量数据表明，支架的存在使得波阻抗下降10%左右，支架波阻抗ZLk可以通过下式估算：

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。

1.3 绝缘子串模型

绝缘子串闪络的常见判据有规程法[13]、相交法[12]和先导法[16]。规程法应用于同塔多回线路双回同时闪络判断与实际运行结果差别较大，先导法考虑了闪络整个物理过程，分析结果十分精确，但模型参数过于设置复杂，因此本文选用较为精确，模型相对简单的相交法。

220 kV等级线路绝缘子串采用18片XWP2-70型绝缘子，绝缘子串的伏秒特性根据文献测算而得。

1.4 冲击接地模型

杆塔工频接地电阻模型无法体现雷电流对土壤的电离效应。当雷电流幅值较大时，接地体周围土壤被击穿导致电离，这种效应相当于增加了接地体的尺寸，从而降低接地体电阻。为体现电离效应，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存在如下关系[17]：

式中：I为流过接地体的雷电流；Ig为土壤临界击穿电流；R0为接地体工频接地电阻。

土壤临界击穿电流Ig通过下式计算：

式中：ρs为土壤电阻率；r为表面积相等的半球电极半径，；Ec为土壤临界击穿场强，与土壤电阻率有关[11]：

1.5 避雷器模型

由于EMTP自带的避雷器模型无法准确表示避雷器带串联间隙，仿真中用压控开关与非线性电阻串联模型来模拟，见图2[18]。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。避雷器动作后，其两端电压与电流符合下式关系[19]：

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。

图2 串联间隙避雷器模型Fig.2 Equivalent model of the line arrester

220 kV线路安装带串联间隙线路型金属氧化物避雷器，型号为YH10CX-180/520，避雷器额定电压为180kV，直流参考电压U1mA不小于260kV，8/20μs 10 kA雷电流冲击下残压为520 kV。

2 仿真结果分析

2.1 避雷器配置方式

图3给出了雷击杆塔塔顶时双回线路未安装避雷器与各相均安装避雷器时绝缘子串电压波形。雷电流幅值150 kA，杆塔工频接地电阻取4 Ω。

图3 安装避雷器前后绝缘子串电压波形Fig.3 Voltage across the insulator string without and with line arresters

由图3可看出，雷电流幅值为150 kA时，同一横担处线路A、B两相均发生了闪络，即线路发生了四相闪络。当线路各相均安装避雷器后，绝缘子串两端过电压得到了有效抑制，各相均未发生闪络，安装避雷器的防护效果较明显。

图4给出了分别安装4支、5支、6支避雷器的配置方式。安装4支方式有6种，安装5支避雷器配置方式有3种，安装6支避雷器配置方式有1种，分别记为1-10。

图4 避雷器配置方式Fig.4 Configuration method of line arresters

图5 给出了不同避雷器配置方式下线路反击耐雷水平。

由图5可看出，避雷器配置数量越多，线路耐雷水平越高。避雷器安装数量相同情况下，线路耐雷水平受避雷器安装位置影响。4支配置方式下耐雷水平差别较为明显，方式3的耐雷水平最高，即一侧3相与另一侧上相安装避雷器。5支配置方式下耐雷水平差别不大，方式8的耐雷水平最高，即一侧3相与另一侧上相、中相安装避雷器。

图5 给出了同避雷器配置方式下线路反击耐雷水平Fig.5 Lightning protection level due to back flashover in all configurations

2.2 接地电阻影响

图6给出了避雷器配置3、8、10方式下线路反击耐雷水平随杆塔接地电阻变化。

图6 耐雷水平随接地电阻变化Fig.6 Lightning protection level vs tower grounding resistances

图6 表明，无论采取何种避雷器配置方式，线路反击耐雷水平均随着杆塔接地电阻的增大而降低，降低幅度逐渐趋缓。因为接地电阻的增大，导致杆塔横担电位增加，从而增大绝缘子串上的电压，降低了线路耐雷水平，因此需要尽可能降低杆塔接地电阻。

2.3 工频电压影响

图7给出了避雷器配置3、8、10方式下线路反击耐雷水平随线路工频电压相位角变化情况，杆塔工频接地电阻4 Ω，上、中、下相初始相位分别为0°、-120°、120°。

从图7可看出，线路耐雷水平受工频电压相位角变化影响，呈现近似弦波变化，但是受雷电波在杆塔不同位置处传递过程等因素影响，耐雷水平变化幅度不一，且变化幅度均不大。

图7 耐雷水平随工频电压相位角变化Fig.7 Lightning protection level vs the phase angle

2.4 避雷器与绝缘子串最小安全距离

避雷器能够显著提高线路耐雷水平，但当避雷器与绝缘子串并行间距过小时，雷电过电压便会击穿避雷器与绝缘子串间隙空气发生侧向闪络，对绝缘子串造成危害，避雷器也无法起到保护作用[20]。因此，避雷器与绝缘子串存在一个最小安全距离，见图8[20]。

图8 避雷器与绝缘子串间最小安全距离Fig.8 Minimum safety distance required between the line arrester and the insulators string

图9 给出了200 kA雷电流击中杆塔塔顶时，不同避雷器配置方式下，避雷器与绝缘子串间最小安全距离。在仿真中避雷器与绝缘子串并行间距采用压控开关模拟，击穿电压根据相关试验结果选取[20]。

图9 最小安全距离随避雷器配置方式变化Fig.9 Minimum safety distance vs different configurations

从图9可看出，避雷器与绝缘子串间最小安全距离随着避雷器安装数量的增加而降低。因为避雷器数量越多，单个避雷器分流和能量吸收越少。同时，最小安全距离随着接地电阻的增大而增加，最小安全距离的增加给杆塔设计与避雷器的安装带来不便，需要尽量降低杆塔接地电阻。

3 结论

本文在EMTP中建立220 kV同塔双回输电线路模型，分析避雷器配置方式对线路耐雷水平的影响，得到如下结论：

1）安装避雷器后能够显著提升线路耐雷水平，且避雷器安装数量越多，耐雷水平提升越高。

2）4支避雷器配置方式下，推荐在一侧3相与另一侧上相安装；5支配置方式下，推荐在一侧3相与另一侧上相、中相。

3）线路耐雷水平随着杆塔接地电阻的增加而显著降低。

4）线路耐雷水平受工频电压相位角影响，但受影响变化幅度不大。

5）避雷器与绝缘子串最小安全距离随着避雷器安装数量的增加而减小，随着杆塔接地电阻的增加而增大。