王飞龙

摘   要：输电线路避雷线保护角，杆塔所在位置地面倾角，杆塔本身的塔型及呼称高，杆塔周围土壤特性，输电线路走廊雷电活动规律及雷电参数均对线路雷击跳闸率有一定的影响。以在运220kV线路为例，运用电磁暂态专用分析工具ATP，逐一分析上述因素对输电线路雷击跳闸率的影响，仿真结果表明相同条件下酒杯塔的防雷性能要优于猫头塔，杆塔呼称高、杆塔接地阻抗、避雷线保护角、杆塔所在位置地面倾角与线路雷击跳闸率均为正相关关系。

关键词：雷击跳闸率  ATP  输电线路  耐雷水平  仿真

中图分类号：TM863                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0030-04

对山区输电线路而言，雷电对其安全稳定运行威胁最大，近几年该领域的研究相对较多，传统的防雷分析对雷电活动特征、地形地貌特征以及杆塔结构等因素考虑不全，分析结果不能准确反映输电线路遭受雷击的概率[1]。本文以在运220kV线路为例，运用ATP逐一仿真分析了输电线路避雷线保护角，杆塔所在位置地面倾角，杆塔本身的塔型及呼称高，杆塔周围土壤特性，输电线路走廊雷电活动规律及雷电参数对线路雷击跳闸率的影响，为降低该输电线路雷击跳闸率提供了依据。

1  背景资料

研究的200kV输电线路在2017年发生了一起雷击边相跳闸事故，事故后相关工作人员对该线路段具有代表性的15#、22#、23#、31#和34#塔进行了实地考察，杆塔所处的地貌地质及接地电阻情况如表1所示。

区域雷电分布特征也是影响输电线路耐雷水平的一个重要因素，该区域雷电情况统计数据显示为负极性雷闪活动区域，雷电流幅值大多在36～48kA之间。

2  模型建立

采用ATP建立模型，仿真分析了本文所研究的输电线路的耐雷水平。考虑到高频雷电波会沿着输电线路传播，因此模型中涉及的导线、避雷线以及杆塔均采用分布参数模型[2]，而且考虑了导线、避雷线修补情况对雷电波传输特性的影响，根据该220kV线路运维记录，导线上有6处大面积修补记录，避雷线上有4处修补记录，而且A相导线在28号杆塔处有搭接情况，上述情况均如实反映在仿真模型中。

建立的EGM電气几何模型是分析输电线路雷击事故的重要计算模型，其最大优势是在分析的过程中充分考虑了输电线路结构尺寸、雷电特征、空间干扰等[3]。

2.1 雷电流模型

仿真过程中在ATP-EMTP软件中采用浪涌源模拟雷电流，雷电流波形为2.6/50 ，幅值为40kA。

2.2 线路模型

220kV架空输电线路采用JMarti模型，该模型中可设置参数更符合实际，可以根据实际情况模拟输电线路的集肤效应，可以设置分裂导线参数，模拟间隔棒位移、脱落等情况下分裂导线的地抵抗雷电的能力，可以设置土壤电阻率，模拟不同接地阻抗情况下避雷线风偏、跳跃等情况下雷击情况[4]。

2.3 杆塔结构模型

为了准确模拟雷电活动中杆塔的特性，仿真中杆塔参数采用各部位真实参数，杆塔波阻抗选择规程推荐值150Ω，电感为0.5μH/m，相应的波速为300m/μs。

2.4 绝缘子模型

绝缘子串的闪络电压与其伏秒特性及绝缘子串上的雷电过电压分布情况密切相关，而其伏秒特性又受到空间自然条件的影响，当绝缘子串的过电压幅值达到闪络电压值而且满足伏秒特性曲线时即发生闪络，专业领域称该方法为相交法，仿真模型中一般选择TACS元件模拟绝缘子闪络。

2.5 变压器等电气设备模型

雷电波可分解为频率丰富的高频分量，而且持续时间极短，因此变电站内的互感器、避雷器、开关类设备以及变压器对高频雷电波均呈现低阻，因此仿真中变电站内的设备均可等值为电容元件[5]。

3  线路耐雷水平分析

以在运220kV线路为例，运用ATP逐一仿真分析了输电线路避雷线保护角，杆塔所在位置地面倾角，杆塔本身的塔型及呼称高，杆塔周围土壤特性，输电线路走廊雷电活动规律及雷电参数对线路雷击跳闸率的影响。

3.1 保护角对耐雷水平的影响

仿真模型中塔型情况均以实际杆塔情况模拟，杆塔的参数也是实际杆塔的真实值，仿真模型中13基杆塔为干字型转角塔，有8基杆塔为猫头塔，20基杆塔为酒杯塔。目前该地区在运220kV输电线路避雷线的保护角一般为-5°～20°，仿真模型中设置保护角增大步长为5°，酒杯塔、猫头塔、干字塔在相同雷电活动情况下发生绕击和绕击跳闸情况如图1所示。

根据图1可知，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，绕击率随着保护角的变化基本稳定，即改变保护角对降低绕击率而言没有直接意义。当保护角为负角度时，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，绕击跳闸率水平相对较低，而且没有增长趋势，当保护角为正角度时，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，绕击跳闸率会线性增大，其增大趋势以酒杯塔最为明显。可见，避雷线保护角的设计值会在一定程度上影响线路的绕击跳闸率，尤其是酒杯塔支撑的线路，尽可能减小保护角以获得雷电绕击保护效果。

3.2 地面倾角对耐雷水平的影响

根据现场测绘数据可知，该线路所有杆塔所处位置地面倾角最小约为2.2°，最大倾角约为37.4°，因此仿真研究将地面倾角的范围设置为0°～40°，仿真模型中设置地面倾角步长为5°，酒杯塔、猫头塔、干字塔在相同雷电活动情况下发生绕击和绕击跳闸情况如图2所示。

根据图2可知，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，绕击率随着地面倾角的变化基本稳定，即改变地面倾角对降低绕击率而言没有直接意义。当地面倾角在15°以下时，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，绕击跳闸率水平相对较低，而且没有增长趋势，当地面倾角大于15°时，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，绕击跳闸率会指数型增大，其增大趋势以猫头塔最为明显。可见，地面倾角会在一定程度上影响线路的绕击跳闸率，尤其是猫头塔支撑的线路，尽可能减小地面倾角以增大线路对地电容，有效发挥地面的屏蔽作用。

3.3 杆塔呼称高对耐雷水平的影响

杆塔的结构直接影响其对雷电波的感抗，从而影响到其本身的反击跳闸率。杆塔的呼称高是其最重要的参数之一，因此呼称高是研究不同类型的杆塔雷击反击跳闸率的重点。研究的输电线路杆塔呼称高最小值为17.4m，最大值为42.6m，因此仿真研究将杆塔呼称高的范围设置为15～45m，仿真模型中设置杆塔呼称高步长为5m，酒杯塔、猫头塔、干字塔在相同雷电活动情况下发生雷电反击跳闸情况如图3所示。

根据图3可知，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，雷电反击跳闸率随着杆塔呼称高的增大会指数型增大，其增大趋势以干字塔最为明显。可见，杆塔呼称高对杆塔反击跳闸率影响明显，尤其是干字塔的位置一定要优化好，确保干字塔的呼称高合理，以免造成反击跳闸率薄弱环节。

3.4 接地阻抗对耐雷水平的影响

杆塔的接地阻抗会直接影响雷电流顺着杆塔流入大地时杆塔各部位的电位情况，接地阻抗越大，杆塔接地装置的电位被抬高的越明显，从而影响到其杆塔本身的反击跳闸率。研究的输电线路杆塔接地阻抗最小值为6.7Ω，改造后杆塔接地阻抗最大值为18.44Ω，因此仿真研究将杆塔接地阻抗的范围设置为5～20Ω，仿真模型中设置杆塔接地阻抗步长为5Ω，酒杯塔、猫头塔、干字塔在相同雷电活动情况下发生雷电反击跳闸情况如图4所示。

根据图4可知，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，雷电反击跳闸率随着杆塔接地阻抗的增大会增大，其增大趋势以干字塔最为明显。可见，杆塔接地阻抗对杆塔反击跳闸率影响明显，尤其是干字塔的位置一定要优化好，确保干字塔的接地阻抗值尽可能小，必要时采取更换基坑填充土质，扩展接地极，使用接地模块等措施，以免造成反击跳闸率薄弱环节。

3.5 落雷密度对耐雷水平的影响

区域落雷密度对线路的绕击跳闸率和反击跳闸率构成直接影响，研究的线路雷击绕击跳闸率和反击跳闸率需要的落雷密度参数来源于该区域气象预警系统统计值。落雷密度参考值范围为1～5，以0.5为步长，酒杯塔、猫头塔、干字塔绕击跳闸率和反击跳闸率情况如图5所示。

根据图5可知，对酒杯塔、猫头塔、干字塔而言，绕击跳闸率和反击跳闸率均会随着落雷密度的增大线性增加，相同情况下酒杯塔绕击跳闸率和反击跳闸率在三者中最小。可见，在雷电活动频繁的地区，酒杯塔在减小绕击跳闸率和反击跳闸率方面性能最佳。

4  结语

输电线路的耐雷水平受到避雷线保护角，杆塔所在位置地面倾角，杆塔本身的塔型及呼称高，杆塔周围土壤特性，输电线路走廊雷电活动规律及雷电参数的影响。对于在运输电线路而言，减小杆塔接地阻抗是最简单、最经济的提高耐雷水平的方法，必要的情况下可以通过增加外绝缘的强度提高耐雷水平。对于新建的输电线路而言，可以通过优化输电线路走廊，优化干字塔的位置，适当降低呼称高，降低杆塔接地阻抗等方法提高输电线路的耐雷水平。

参考文献

[1] 张志劲， 司马文霞， 蒋兴良， 等. 超/特高压输电线路雷击绕击防护性能研究[J].中国电机工程学报， 2005， 25（10）： 1-6.

[2] 周玉娟.500kV气体绝缘输电线路雷电侵入波暂态特性分析[J].电瓷避雷器， 2017， 277（3）： 113-122.

[3] 黄伟忠.高压输电线路综合防雷措施的研究与应用[J].电工文摘， 2017（7）： 7-10.

[4] 王俊波， 董龍洋， 张志伟，等. 唐山地区220kV输电线路综合防雷模拟仿真研究[J].科学技术与工程， 2014， 22（8）： 116-120.

[5] 曹荣， 刘瀚波， 庄池杰，等.基于先导发展模型的输电线路绕击跳闸率计算[J]. 高电压技术， 2017， 43（5）： 1581-1588.