王新阳

（国网南阳供电公司，河南南阳 473000）

输电线路雷击跳闸事故对线路地安全稳定运行构成极大的威胁，在雷害高发地区，雷击跳闸事故是造成线路停电的主要原因。所以，减小输电线路雷击事故率对电网的安全运行意义重大。

中国输电网典型的单回路杆塔型式主要可以分为ZB 酒杯型、ZM2猫头型、ZH3门型和JG2干字型4 种类型。这些输电杆塔不仅型式不同，而且导线的排列方式也有所不同，酒杯型塔、门型塔的三相导线呈水平方式排列，干字型塔、猫头塔的三相导线则呈三角形排列[1]。

目前，输电线路常采用的防雷措施有减小杆塔接地电阻、加强线路绝缘、塔头安装雷电接闪器、绝缘子挂点横担上安装负角保护针、安装线路氧化锌避雷器（Zinc Oxide Arrester，ZOA）。对典型单回路杆塔进行雷电反击仿真试验，可以获取提高线路耐雷水平的策略，再根据线路地形地貌特征，采取精准的防雷措施，从而有效降低反击雷跳闸率。

1 输电线路杆塔模型研究现状

架空输电线的支撑部分主要是线路杆塔，人们统计了输电线路的运行情况后发现，线路杆塔顶部是最易遭受雷击的部位，而输电导线却很少直接遭受雷击。所谓反击闪络，即雷电流通过塔顶泄放入地的过程中，由于雷电波在杆塔内的传播特性，导致绝缘子串接地端电位高于悬挂导线端电位，从而使绝缘子串发生闪络，因此，分析输电线路反击耐雷性能时，选择合适的杆塔模型就显得十分重要。

国内外学者关于杆塔模型的研究主要集中在3 类杆塔模型上，即等值电感模型、单一波阻抗模型和多波阻抗模型[2]。此外，多波阻抗模型可以分为多层传输塔模型和Hara 无损多波阻抗模型。因杆塔类型、塔头尺寸和高度等杆塔参数都会影响输电线路耐雷水平的计算，采用等值电感模型和单一波阻抗模型来模拟输电杆塔将存在较大的计算误差，所以用多波阻抗模型来模拟杆塔更能反映实际情况[1]。

2 Hara 无损多波阻抗模型

对于结构比较复杂的输电杆塔，在其建模和仿真时需要考虑横担和支架对杆塔波阻抗的影响，从这一点出发，HARA 提出了无损线杆塔模型[3]，如图1 所示。

图1 双回线路杆塔模型

模型中杆塔由塔身、横担和支架组成，塔身阻抗、支架阻抗和横担阻抗可以用式（1）—式（3）进行计算。

塔身阻抗的计算公式为：

Hara 实验结果[3]表明，有斜材的支架波阻抗大约为塔身波阻抗的9 倍，其计算公式为：

计算横担波阻抗时，可以将其视为水平导体，即：

式（3）中：rAk为等价半径，取主材和横担连接长度的1/4。

3 输电线路雷击过电压仿真计算模型

利用ATP-EMTP电磁暂态程序中的ATPDraw搭建输电线路雷击过电压仿真计算模型。输电线路采用JMarti 模型；用冲击接地电阻[4]来表征杆塔实际的接地电阻，以此来建立接地电阻模型；绝缘子串闪络模型采用相交法作为闪络判据；氧化锌避雷器和雷电流分别用ATPDraw 中的MOV 模型和Heidler 模型来模拟，仿真计算出各相绝缘子串的闪络情况[1]。

3.1 雷电流模型

本文仿真电路中雷电流模型采用Heidler 模型，防雷计算中雷道波阻抗取400 Ω，采用的雷电流波形按照国家标准，τf取2.6 μs，τt取50 μs，表示为2.6/50 μs，其中，定义τf为波前时间，τt为半波峰时间。

3.2 避雷器模型

目前常用的保护绝缘子串的措施是加装线路型氧化锌避雷器，氧化锌避雷器的核心元件是非线性电阻阀片，即氧化锌压敏电阻，压敏电阻阀片具有非线性特性，其电压电流之间关系通常用指数函数描述[5]。

用指数函数描述ZOA 压敏电阻的非线性特性，当考虑压敏电阻在整个范围内的非线性特性时，仅用一个指数函数是很难描述的，所以，文中利用ATP-EMTP将ZOA 非线性电阻进行分段线性化近似处理，从而方便仿真计算， 线路型 ZOA 采用的型号为HY10WX-204/530，避雷器额定电压为203 kV，雷电冲击电流下残压为530 kV。

3.3 输电线路模型

EMTP 仿真计算中可以用π形电路、无畸变分布参数电路、无损分布参数电路、具有频率相关参数的分布参数电路或者具有集中电阻的分布参数电路来模拟电缆和架空线路。其中，具有频率相关参数的分布参数电路有Semlyn 模型、Noda 模型和JMarti 模型[5]，JMarti 模型是目前最常用的架空线路模型，该模型也是本文输电线路的仿真计算模型，输电导线和地线的结构参数可通过在LCC 中的Data 对话框输入，利用EMTP 的补助程序“LⅠNECONSTANS”计算。

3.4 接地电阻模型

耐雷水平仿真计算中的杆塔接地电阻与雷电流幅值有关，雷电流注入接地体后，由于接地体的电感效应，以及接地体周围土壤的强电场火花放电效应[1]，因此，用冲击接地电阻[4]来表征杆塔实际的接地电阻，即：

式（4）中：R0为低频率小电流下的接地电阻值；I为通过接地体的雷电流幅值；Ig为土壤电离的临界电流值。

式（5）中：E0为土壤电离梯度，可以取300～400 kV/m；ρ为土壤电阻率。

所以，杆塔的冲击接地电阻值与接地体附近的土壤条件和地质地貌也有关系。

3.5 感应电压模型

式（6）中：k=k1k0，k1为电晕效应校正系数；Uph为导线上工作电压峰值，kV；hc为导线距地面的平均高度，m；hg为避雷线距地面平均高度，m；I为雷电流幅值，kA。

3.6 绝缘子串闪络模型

绝缘子串雷电冲击闪络现象可以仿照空气间隙放电模型来模拟，使用的模型主要有电压阀值模型、伏秒法模型和先导法模型。

先导法模型结合长间隙放电理论来判断绝缘闪络，空气间隙击穿经历的过程主要有起始电晕阶段、流注发展阶段、先导发展阶段和主放电阶段。

伏秒法模型通过比对绝缘子串两端电压波形和伏秒特性曲线判定绝缘子串是否发生闪络，本文采用伏秒相交法作为绝缘子串的闪络判据，当绝缘子串两端电压波形与其伏秒特性曲线相交时，绝缘子串发生闪络。因为相交法判据有明确的概念，仿真结果和实际运行情况基本吻合，所以比较适合作为绝缘子串闪络判据。

ⅠEEE 推荐的220 kV 绝缘子串伏秒特性计算公式为：

式（7）中：t为绝缘子串发生闪络时刻，一般取0.5～16 μs 之间；Li为绝缘子串长度，m。

根据程序中的TACS 和MODELS 模块来搭建绝缘子串闪络模型，当雷击塔顶或导线时，若绝缘子串两端电位差大于线路绝缘的50%冲击放电电压（U50%），则绝缘子串闪络，模型中的开关闭合。

4 典型220 kV 输电塔Hara 模型仿真试验

参照《输电线路塔型手册》[8]中杆塔的具体参数，分别搭建出4 种典型杆塔的雷电反击仿真电路模型，如表1 所示。由线路杆塔参数计算出典型杆塔的Hara多波阻抗值，然后将阻抗参数输入到仿真电路模型内进行仿真分析，绝缘子串型号为13×LXP-70[1]。

表1 杆塔和线路基本参数

4.1 杆塔接地电阻与耐雷水平的关系

雷击塔顶时，通过仿真数据分析，得出典型杆塔的反击耐雷水平曲线图，如图2 所示。

图2 典型杆塔的反击耐雷水平曲线图

当杆塔的接地电阻从8 Ω逐渐增长至30 Ω时，4 种典型线塔所对应的反击耐雷水平在不断减小，至接地电阻为30 Ω时，反击耐雷水平分别减小了大约50%。因此，影响输电线路耐雷水平的主要因素是杆塔接地电阻的大小，降低杆塔的接地电阻可显著提高线路反击耐雷水平。

4.2 线路绝缘对耐雷水平的影响

雷击塔顶时，通过仿真数据分析，ZB 酒杯型塔、ZH3门型塔和ZM2猫头型塔由于导线、避雷线间存在耦合作用，致使较高的感应电压存在于中相导线上，所以，两边相绝缘子串两端电位差高于中相，可以增加两边相绝缘子串的片数来加强线路绝缘。仿真数据显示，JG2干字型塔上相绝缘子串易发生雷击闪络，因干字型塔常作为耐张塔，所以可以增加1～2 片下两相绝缘子串，增加2 片上相绝缘子串，来提高干字型杆塔线路的耐雷水平。

4.3 氧化锌避雷器的安装规则讨论

杆塔的接地电阻为8 Ω，雷击塔顶时，仿真数据如表2 所示。

表2 不同ZOA 安装方式下的反击耐雷水平（单位：kA）

ZB 塔酒杯型、ZM2塔猫头型和ZH3门型塔的两边相都安装ZOA，可显著提高线路的反击耐雷水平；仅在某一边相安装ZOA 可以降低该相绝缘子串两端的电压，其他相绝缘子串两端电压依旧较高，仍存在较高的闪络风险。从仿真结果得出，若某一边相安装ZOA，雷击塔顶会造成中相绝缘闪络，因此，当两边相都安装ZOA 时，应增加1～2 片中相绝缘子串。对于JG2干字型塔，在上相安装ZOA 的基础上，下两相绝缘子串的片数都各增加2 片；或者三相绝缘子串同时安装ZOA，可以大幅度提高线路反击耐雷水平。

5 结束语

计算结果表明，降低杆塔接地电阻、增加绝缘子串片数、安装线路型ZOA 都可以提高输电线路的耐雷水平。文中利用EMTP 程序，对4 种典型单回路铁塔进行雷电冲击仿真试验，通过试验结果得到了一般防雷策略及其他高度不同、结构稍有不同的同类型铁塔的防雷保护配置规律，可以借鉴此策略，对于实际输电线路防雷保护具有参考价值。

ZB 酒杯型塔、ZH3门型塔和ZM2猫头型塔在模拟雷电流冲击仿真试验中，两边相的耐雷水平要低于中间相，因此在防雷措施时，应首先考虑两边相；JG2干字型塔上相易发生绝缘闪络，因此，在防雷措施中应首先考虑上相。

对输电线路进行防雷改造时，应充分考虑线路走廊的地形地貌特征、改造成本、改造难度和预期效果，并尽量选择多种防雷措施，且满足技术经济性要求，合理有序地开展线路防雷改造。