220 kV输电线路耐雷水平及防雷措施研究.pdf

8第 51 卷2023 年 8 月Vol.51 No.4Aug.2023云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER220 kV输电线路耐雷水平及防雷措施研究何光层，宫贺，段新杏，罗刚（云南电网有限责任公司保山供电局，云南 保山 678000）摘要：针对规程法计算的保守性，本文使用电磁暂态分析软件对某220 kV输电线路建立雷电流、杆塔、输电线路、绝缘子串和避雷器等输电线路雷击仿真模型。基于电磁暂态分析软件，分析接地电阻和安装避雷器对输电线路耐雷水平的影响。仿真结果表明，电磁暂态分析软件法计算耐雷水平更加真实，利于降低防雷成本；降低接地电阻和装设避雷器能有效提高耐雷水平，提高电力系统的安全性和经济型。关键字：输电线路；耐雷水平；电磁暂态分析软件Study on Lightning Withstand Level and Lightning Protection Measures of 220 kV Transmission LineHe Guangceng,Gong He,Duan Xinxin,Luo Gang（Baoshan Power Supply Bureau,Yunnan Power Grid Co.,Ltd,Baoshan 678000,China）Abstract:In view of the conservatism of the code method calculation,this paper uses electromagnetic transient analysis software to establish a lightning current,tower,transmission line,insulator string and lightning arrester simulation model for a 220 kV transmission line.Based on electromagnetic transient analysis software,the influence of grounding resistance and installation of lightning arrester on lightning withstand level of transmission line is analyzed.The simulation results show that the electromagnetic transient analysis software is more realistic in calculating the lightning withstand level,which is conducive to reducing the cost of lightning protection;Reducing the grounding resistance and installing lightning arrester can effectively improve the lightning withstand level and improve the safety and economy of the power system.Key word:Transmission line;Lightning withstand level;electromagnetic transient analysis software中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2023）04-0008-040前言我国架空输电线路杆塔的耐雷水平大多采用规程法计算，规程法是按照中华人民共和国电力行业标准DL/T 6201997计算，具有简单和实用的特点，但没有考虑雷电流在线路和杆塔中的传播过程，也没有考虑导线之间的耦合效应，由于很多因素都是取平均导致计算结果偏于保守，导致防雷工程造价增加1。国际上已经广泛使用电磁暂态分析软件对输电线路各部分建模2-3，其仿真精度都要优于规程法。使用双指数波模拟的雷电流模型虽然拟合程度较高4，但其调制过程复杂；采用单一波阻抗模型建立的杆塔模型虽建模简单，但随着杆塔的复杂程度变高忽略了波的传播过程，使用多波阻抗模型对杆塔建模考虑了雷电流在杆塔中传播的波阻抗差异5；输电线路采用电磁暂态分析软件中的 JMarti 模型，考虑了波在传播过程中的频变过程6；绝缘子串 U50%闪络电压没有考虑绝缘子串伏秒特性随时间的变化7，与真实情况有差异，IEEE 绝缘子串闪络电压公式有较好的模拟效果8；由于避雷器的过压保护特性，在电磁暂态分析软件中采用多段非线性电阻模拟9。基于上述分析，本文通过电磁暂态分析软件建立输电线路雷击一体化模型，对输电线路的各相进行耐雷水平仿真，并分析不同接地电阻和不同避雷器安装方式对耐雷水平的影响。1仿真模型构建本文采用电磁暂态分析软件对某 220 kV 单回输电线路进行耐雷分析，建立的综合模型包9第 51 卷2023 年第 4 期220 kV 输电线路耐雷水平及防雷措施研究 括雷电流、杆塔、架空线路、绝缘子串、避雷器等模型。1.1雷电流模型本文采用 Heilder 函数模拟雷电流。表达式为：（1）式中，I0为雷电流峰值，A；1为波前时间 常 数，取 2.6 s；2为 延 迟 时 间 常 数，取50 s；n 为电流陡度因子，取 2；为雷电流幅值校正系数，=nn11221exp。在雷击分析中，将雷电流模型视为电流源接入，波阻抗取 300。1.2杆塔模型本文所研究杆塔型号为 LTZM4-39，全高为46.35 m。由于杆塔高度超过 40 m，采用多波阻抗模型建模1。多波阻抗模型将杆塔分为主材、斜材和横担三个部分，在电磁暂态分析软件中使用无损线路模型模拟。如图 1 所示为杆塔及多波阻抗等效模型。h1h2h3ZA1ZA2ZT1ZL1ZA3ZA4ZT2ZL2Rch 图1杆塔及多波阻抗等效模型主材计算公式：（2）（3）式中：hk为第 k 段导体的对地高度，m；rek为 k 段导体的等效半径，m。斜材计算公式：ZLk=9ZTk(k=1,2,3,4)（4）横担计算公式：ZAk=60ln2hkrAK(k=1,2,3,4)（5）式中：rAK为横担和主材链接长度的 1/4，m。杆塔多波阻抗模型参数见表 1。表1杆塔多波阻抗模型参数 k1234ZAk377.856166.812317.899161.342ZTk297.358237.766ZLk2676.2222139.8941.3架空线路模型雷击发生过程中其频率变化范围广，故线路模型采用与频率有关的 JMarti 模型。JMarti模型是由 J.R.Marti 博士提出的参数依频电力线路计算方法，其基本思想是在考虑线路损耗的基础上，通过多项式拟合线路的特性阻抗，然后结合有理函数的特点利用电阻、电容串并联建立等效的特性阻抗等值电路。得到等效的特性阻抗后便可以通过历史电流源和电阻的形式，最终将包含电容、电感等元件的分布参数电路，变为含电流源的电阻网络模拟电力线路进行计算。1.4绝缘子串模型电磁暂态分析软件中利用 TACS 开关模块和 MODEL 编程模块共同模拟绝缘子串的伏秒特性。采用相交法模拟绝缘子串的闪络过程10。当杆塔横担与导线之间的电位差大于绝缘子串伏秒特性值时，绝缘子串发生闪络。本文绝缘子串闪络模型采用国际标准 IEEE绝缘子串闪络电压公式：V(t)=L(400000+710000/t0.75)（6）式中：V 为绝缘子串两端电压，V；L 为绝缘子串有效长度，m；t 为雷电冲击发生到绝缘子串发生的时间，s。1.5避雷器模型电磁暂态分析软件中，避雷器模型并联于绝缘子串。金属氧化物避雷器的特性采用多段指数来模拟，每段特性表达式如下：i=p(V/Vref)q（7）式中：p 和 q 为特性常数；Vref为参考电压，通常取额定电压的两倍或直流1 mA下的参考电压11。10云南电力技术第 51 卷2023 年第 4 期本文使用避雷器非线性参数如表 2 所示。表2避雷器非线性参数 额定电压/kV标称放电 电流/kA直流1 mA参考电压/kV操作电流（500 A）冲击残压/kV最大雷电冲击电流残压/kV216103144785622实例仿真本文对某 220 kV 单回输电线路拉线自立式猫头直线杆塔（LTZM4-39）进行仿真。根据规程法计算该线路反击耐雷水平为 61.257 kA。线路相序为 C、A、B（左中右）。2.1耐雷水平其中冲击接地电阻采用计及冲击火花效应的冲击接地电阻模型，其阻值与雷电流、土壤电阻率和工频接地电阻相关。土壤电阻率固定为 100/m，工频接地电阻为 25。按照第 1 章建模方法建立模型，线路工频电压源220 kV，频率 50 HZ，在一个工频周期 360全相位内按 60的间隔等分，逐一计算耐雷值。为简化模型，只有中间一基杆塔考虑火花效应，前后杆塔忽略火花效应。发生反击时，雷电流从杆塔顶部避雷线注入，如图 2 所示为单相和多相反击闪络波形（初相角 0），如表 3 所示为反击耐雷水平计算结果。图2反击闪络波形图表3反击耐雷水平 工频 相位/单相闪络双相闪络三相闪络耐雷水平/kA闪络相规程法耐雷水平/kA耐雷 水平/kA闪络相耐雷 水平/kA闪络相073.0A61.25786.7B、C177.0A、B、C6066.8A61.257107.5B、C199.7A、B、C12054.7A61.257111.4B、C189.0A、B、C18048.7A61.25795.9A、B96.0A、B、C24054.8A61.257111.5B、C186.5A、B、C30066.9A61.257107.5B、C199.3A、B、C如图 2（a）所示，当 t=10.33 s 时，A 相发生反击闪络，临界闪络雷电流幅值为 73 kA；如图 2（b）所示，当 t=0.57 s 时，B 相发生反击闪络，当 t=0.58 s 时，C 相发生反击闪络，临界闪络雷电流幅值为 86.7 kA；如图 2（c）所示，当 t=0.29 s 时，B、C 相发生反击闪络，当 t=15.12 s 时，A 相发生反击闪络，临界闪络雷电流幅值为 177.0 kA。可见随着雷电流幅值的上升，发生闪络的过程较为复杂，某项发生闪络时，雷电流会通过击穿的绝缘子侵入导线，由于导线之间存在耦合效应，未闪络相的绝缘子串两端电压急速下降，使得闪络电压值增高。不同工频相位下的耐雷水平计算结果，如表 3 所示，可以看出：1）在相同相角情况下，从单相至两相、三相闪络的雷电流幅值逐渐增大，说明更多相数的闪络需要更大的雷电流才能实现；2）不同相角情况下，反击耐雷水平和闪络相均发生变化，多相闪络中多为线路的同位相；3）在单相闪络中，规程法计算耐雷水平小于电磁暂态分析软件法，采用规程法计算耐雷水平明显偏于保守，且无法计算出各相的耐雷水平，造成防雷工程的资金投入，采用电磁暂态分析软件法可计算出单相和多相耐雷水平，使防雷建设更合理、成本更低。2.2耐雷水平影响因素2.2.1接地电阻雷电流雷击杆塔时杆塔各部位的电位受杆塔接地电阻的影响，改变接地电阻值，计算所得的耐雷水平也随之改变，计算结果如图3所示。从图中可以看出，当杆塔接地电阻从 5 增加到 25 时，耐雷水平从 92.4 kA 降低到 73.0 kA。进一步分析可知，接地电阻和耐雷值成线性关11220 kV 输电线路耐雷水平及防雷措施研究 第 51 卷2023 年第 4 期系，因此降低接地电阻能有效提高耐雷水平。510152025接地电阻/707580859095耐雷水平/kA 图3耐雷水平随接地电阻变化2.2.2避雷器安装线路避雷器可以提高线路反击耐雷水平。杆塔在遭受雷击时，雷电流值超过避雷器动作值后，雷电流值经避雷器流入导线进入下一基杆塔，使得导线电位得到提高12。此时绝缘子串两端电压差值会小于绝缘子串 50%放电电压，避免绝缘子串发生闪络。表4装设避雷器反击耐雷水平 安装方式耐雷水平/kA提升率/%未安装73.00方式1100.938.2方式2112.754.3方式3112.754.3方式4122.868.2方式5122.868.2方式6205.6181.6方式7300.0310.9如图 4 所示为绝缘子串不同的安装方式（黑色圆圈为安装避雷器，白色圆圈为未安装避雷器），表 4 为绝缘子串各安装方式的耐雷水平。由图 4 和表 4 可知，方式 1 方式 3 为单相装设避雷器，其耐雷水平平均提高了 48.93%；方式4 方式 6 为两相装设避雷器，其耐雷水平平均提高了 106.00%；方式 7 为三相均装设避雷器，取雷电流为 300 kA（自然界平均最大雷电流）时未发生闪络现象。由此可知，两相装设避雷器的耐雷水平比单相装设避雷器的耐雷水平提高了 57.07%，三相装设避雷器的耐雷水平比单相装设避雷器的耐雷水平至少提高了 260.97%，比两相装设避雷器的耐雷水平至少提高了 204.9%。从耐雷水平的角度考虑，三相均装设避雷器防雷效果最好，但考虑到成本因素以及该地区近年来平均落雷幅值不会超过 300 kA，在 B 相（右）和 C 相（左）装设避雷器其防雷效果最好。ACB方式1ACB方式2ACB方式3ACB方式4ACB方式5ACB方式6ACB方式7 图4避雷器安装方式3结束语1）通过电磁暂态分析软件对某 220 kV 输电线路建立输电线路雷击模型，计算出不同工频相位下的单相、两相和三相的反击耐雷水平，找到耐雷性能薄弱的相。2）改变接地电阻和绝缘子串并联避雷器对反击耐雷水平均有不同程度地影响。通过仿真可知，降低接地电阻能很好的提高耐雷水平，在 BC 两相（左右）装设避雷器其防雷效果最好，有效提高电力系统的安全性和经济型。参考文献1 张坤,郭建炎.220 kV输电线路耐雷水平仿真研究J.水电能源科学,2016,34(02):182-185.2 沈志恒.同塔双回输电线路雷击同跳保护研究D.杭州:浙江大学,2013.3 李云阁,刘青,王倩,等.ATPEMTP及其在电力系统中的应用M.北京:中国电力出版社,2016:4.4 文艺,李淳,李建明.一种特高压交流输电线路冲击电晕的改进模型J.高压电器,2015,51(02):63-72.5 彭程,阳晋,邹军.共享杆塔时域仿真模型及线缆雷电流分布J.高压电器,2022,58(04):40-46.6 许军,肖佩,傅智为,等.线路避雷器安装布点策略研究J.电瓷避雷器,2019,288(02):152-156+162.7 周顺,周羽生,陈辉,等.酒湖线湖南段特高压直流输电线路耐雷性能分析J.电瓷避雷器,2018,282(02):8-14+19.8 王东举,周浩,陈稼苗,等.特高杆塔的多波阻抗模型设计及雷击暂态特性分析J.电网技术,2007(23):11-16.9 吴文辉,曹祥麟.电力系统电磁暂态计算与EMTP应用M.北京:中国水利水电出版社,2012:71.10 张坤.南平杨北220 kV输电线路关键电气技术设计D.厦门理工学院,2016.11 林新杰,咸日常,咸日明,等.高压补偿电容对配电变压器雷电过电压的影响分析J.变压器,2019,56(09):38-43.12 文清丰,梁泽慧,王晓光,等.雷击引起220 kV架空输电线路地线断线分析J.内蒙古电力技术,2018,36(05):82-85.13 苗丽芳,曹斌,王琪,等.500 kV变电站雷电过电压仿真计算与防雷校核J.内蒙古电力技术,2020,38(04):53-56+72.收稿日期：2023-04-16作者简介：何光层，云南电网有限责任公司保山供电局。