避雷線絕緣架設(shè)對桿塔雷電流分配的影響

陳 奎 ，曹曉斌，吳廣寧 ，易志興，馬御棠 ，范建斌

（1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；2.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院，云南 昆明 650051；3.中國電力科學研究院，北京 100192）

0 引言

輸電線路覆冰后由于線路荷載過重、不均勻脫冰、覆冰導線舞動等會造成輸電線路倒桿和斷線事故［1-3］。當架空避雷線上的覆冰達到一定程度后，將嚴重危害輸電線路安全［4-7］。為了利用直流對架空避雷線融冰，對輸電線路避雷線進行了全線絕緣化架設(shè)，絕緣間隙達到了120 mm，遠大于為了減小避雷線損耗而采用的絕緣間隙值（10～40 mm）［8-9］。120mm絕緣間隙應(yīng)用在避雷線中將改變輸電線路耐雷水平和塔頂電位。輸電線路耐雷水平和塔頂電位直接與桿塔分流系數(shù)相關(guān)［10-11］。為了防止輸電線路雷擊閃絡(luò)和避免雷擊跳閘，需要深入研究絕緣避雷線桿塔分流系數(shù)。

國內(nèi)學者對絕緣化輸電線路避雷線問題進行了大量的研究，這些研究主要集中在不同避雷線絕緣方式、輸電線路和避雷線換位、避雷線回路數(shù)、避雷線材料、桿塔等因素對輸電線路避雷線損耗［12-15］、短路時的避雷線分流系數(shù)［16-19］和避雷線感應(yīng)電壓［20-23］影響?；诶讚糨旊娋€路時桿塔分流系數(shù)的研究較少，而桿塔分流系數(shù)對于分析桿塔頂端電位、探討絕緣配合和開展輸電線路防雷接地保護有著重要的意義。

為此，本文利用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立了全線絕緣化避雷線的輸電線路雷擊模型，研究了在不同雷電流幅值下絕緣架設(shè)避雷線和桿塔中雷電流分配問題，探討了不同雷電流幅值、桿塔接地電阻和桿塔檔距對直接接地避雷線和絕緣架設(shè)避雷線中的桿塔分流系數(shù)的影響，得到了相關(guān)變化規(guī)律。相關(guān)結(jié)論可為工程設(shè)計和相關(guān)技術(shù)規(guī)范提供參考。

1 雷擊桿塔模型

1.1 雷電流在輸電線路分配模型

避雷線全線絕緣化架設(shè)方式為：架空線路每隔30 km設(shè)置1個接地點，線路終端桿塔均設(shè)置接地點；非覆冰季節(jié)接地點進行可靠接地，融冰季節(jié)來臨前將線路接地點接地裝置打開，本文討論了非融冰季節(jié)避雷線情況。輸電線路正常運行時，流過桿塔和絕緣避雷線的電流基本為0。當發(fā)生雷擊故障時，雷電流將擊穿絕緣避雷線間隙，并經(jīng)桿塔和絕緣避雷線流回大地。雷電流在輸電線路分配模型如圖1所示。

圖1 雷電流分布模型Fig.1 Model of lightning current distribution

圖1 中，Ji、J′i（i=1，2，…，n-1）表示對應(yīng)桿塔的絕緣避雷線間隙；Jn表示雷擊桿塔處的絕緣避雷線間隙；IK為雷擊點的全部雷擊電流；IK1、IK2為流過雷擊點兩側(cè)絕緣避雷線的雷電流；Id為雷擊點擊穿避雷線絕緣間隙的桿塔入地雷電流；Id1為雷擊點相鄰擊穿避雷線絕緣間隙的兩基桿塔雷電流；Iz1、Iz2為流經(jīng)絕緣避雷線返回變電站地網(wǎng)的雷電流；Ri、R′i為接地電阻?；诶纂娏鞣峙淠Ｐ?，本文研究了雷電流在輸電線路桿塔的分配問題。

1.2 雷電流桿塔分流系數(shù)

當雷電擊中輸電線路桿塔及附近時，足夠大的雷電流幅值將擊穿雷擊點附近桿塔的絕緣間隙。擊穿絕緣間隙的桿塔和絕緣避雷線將對雷電流分流。雷電流在桿塔中的分流如圖2所示。

圖2中，J對應(yīng)桿塔上的絕緣間隙；D對應(yīng)桿塔上的絕緣子。基于雷電流桿塔分流模型，本文研究了絕緣避雷線中雷電流桿塔分流系數(shù)。

桿塔分流系數(shù)是反映雷電流在避雷線和桿塔中分布情況的重要參數(shù)，與輸電線路反擊耐雷水平關(guān)系密切。在本文中桿塔分流系數(shù)β定義為經(jīng)桿塔入地的電流Id與雷擊桿塔的總雷電流IK的比值，即：

圖2 桿塔分流模型Fig.2 Model of tower lightning current shunt

2 實際線路雷電流分配的仿真分析

2.1 線路計算條件

南方電網(wǎng)某超高壓輸電線路為了利用直流直接融冰，架空避雷線進行了全線絕緣化設(shè)計。避雷線絕緣間隙為120 mm，對于間隙擊穿建模時作了理想化的假設(shè)，當間隙兩端電壓達到間隙U50%即試驗數(shù)值83.4 kV時，間隙擊穿。線路仿真計算條件為：土壤電阻率為200 Ω·m，變電站接地網(wǎng)等效電阻為0.5 Ω；每檔線路檔距為500 m；線路鐵塔等效接地電阻為15 Ω，鐵塔波阻抗為150 Ω。導、避雷線排列如圖3所示。導線參數(shù)：相導線型號為4×JL/G1A-400/50-54/7，分裂間距為400mm；避雷線型號為LBGJ-120；光纜型號為OPGW-100。

圖3 線路的幾何結(jié)構(gòu)Fig.3 Geometric structure of transmission line

2.2 輸電線路雷電流分配規(guī)律分析

利用已建模型，對雷擊桿塔條件下桿塔分流情況進行了仿真。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當雷電流幅值小于441 A時，沒有絕緣間隙擊穿；雷電流幅值在441～4 300 A時，只有雷擊點桿塔絕緣間隙擊穿；當雷電流幅值大于20 kA時，靠近雷擊點的5基桿塔絕緣間隙擊穿；雷電流幅值大于50 kA時，靠近雷擊點的12基桿塔絕緣間隙擊穿。以下分別討論不同雷電流幅值條件下的桿塔分流情況。

雷電流幅值為1 kA時，雷擊點桿塔絕緣間隙擊穿。雷電流從擊穿絕緣間隙的桿塔、絕緣避雷線和線路終端接地桿塔分流，與直接接地時分流情況的對比如圖4所示。圖中，Id1、Id2為雷擊點相鄰擊穿避雷線絕緣間隙的4基桿塔雷電流。

圖4 雷電流幅值為1 kA時分流情況Fig.4 Lightning current distribution when its amplitude is 1 kA

由圖4可見，絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流作用大于直接接地時分流作用。因為雷電流幅值為1 kA時，絕緣架設(shè)避雷線情況下只有雷擊點桿塔擊穿，雷擊點桿塔分走97%的雷電流。

雷電流幅值為50 kA時，雷擊點附近12基桿塔的絕緣間隙擊穿。雷電流從擊穿絕緣間隙的12基桿塔、絕緣避雷線和線路終端接地桿塔分流，與直接接地時分流情況的對比如圖5所示。

圖5 雷電流幅值為50 kA時分流情況Fig.5 Lightning current distribution when its amplitude is 50 kA

由圖5可見，直接接地與絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流峰值都為57 kA，并且桿塔入地雷電流波形相似，分流作用相近。因為桿塔絕緣間隙達到12基，絕緣架設(shè)避雷線與直接接地避雷線一樣能起到良好的分流作用。與圖4中絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流相比，更多的桿塔絕緣間隙擊穿，擊穿間隙的桿塔分流作用加強。同時雷擊點附近3基桿塔分流較多，隨后4、5基桿塔分流較少。

雷電流幅值為150 kA時，雷擊點附近12基桿塔的絕緣間隙擊穿。雷電流從擊穿絕緣間隙的12基桿塔、絕緣架設(shè)避雷線和線路終端接地桿塔分流，與直接接地時分流情況的對比如圖6所示。

圖6 雷電流幅值為150 kA時分流情況Fig.6 Lightning current distribution when its amplitude is 150 kA

由圖6可見，直接接地與絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流峰值都為170 kA，并且桿塔入地雷電流波形相似，分流作用幾乎相同。與圖5中絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流相比，每基桿塔分得了更多的雷電流。

由圖5、圖6發(fā)現(xiàn)：當雷擊桿塔時，雷擊點兩邊擊穿絕緣間隙的桿塔分流呈對稱分布；兩邊對應(yīng)桿塔分流幾乎相同，線路末端接地桿塔和絕緣避雷線分流較小。雷電流在避雷線和桿塔中的分配與桿塔絕緣間隙的擊穿個數(shù)有關(guān)，桿塔入地電流峰值與絕緣間隙的擊穿個數(shù)關(guān)系不大。

由此可知，在實際輸電線路中雷擊點處的雷電流主要由絕緣間隙擊穿的桿塔分流，并且桿塔分流達到80%以上。這說明在絕緣架設(shè)避雷線-桿塔接地系統(tǒng)中，從雷擊點看進去的輸入阻抗要比絕緣架設(shè)避雷線阻抗小得多。絕緣架設(shè)避雷線在足夠大的雷電流擊穿絕緣間隙后，其雷電流分配與直接接地避雷線差別不大，都主要由雷擊點附近桿塔分流。絕緣架設(shè)避雷線對雷電流桿塔分流影響不大。當避雷線絕緣間隙可靠擊穿后，絕緣架空避雷線接地，發(fā)揮避雷線在防雷時的分流及耦合作用。

3 雷電流幅值對桿塔分流系數(shù)和波長的影響

雷電流幅值是影響絕緣避雷線中桿塔分流系數(shù)和波長的重要因素。變動雷電流幅值，保持其他仿真條件不變，分別得到絕緣避雷線和直接接地避雷線在1.3 μs時的桿塔分流系數(shù)和波長，所得結(jié)果如圖7、8 所示。

圖7 不同雷電流幅值下的桿塔分流系數(shù)Fig.7 Tower shunt coefficient for different lightning current amplitudes

圖8 不同雷電流幅值下的波長Fig.8 Wave length for different lightning current amplitudes

由圖7、圖8可知：隨著雷電流增大，不同避雷線架設(shè)方式下桿塔分流系數(shù)和波長變化趨勢并不相同。絕緣架設(shè)避雷線中桿塔分流系數(shù)和波長隨著雷電流幅值增大而減小，避雷線直接接地方式的桿塔分流系數(shù)和波長保持定值。絕緣架設(shè)避雷線中雷電流幅值小于20 kA時，雷擊點附近2基桿塔分流，分流系數(shù)保持在90%以上，波長為2 μs以上；雷電流幅值大于50 kA時，雷擊點附近12基桿塔分流，分流系數(shù)保持在88%左右，波長為1.67 μs；而在直接接地方式下無論雷電流幅值變化多少，桿塔分流系數(shù)都維持在88%左右，波長為1.67 μs。這是因為在直接接地避雷線中，雷電流幅值增加而輸電線路分流電路結(jié)構(gòu)沒有改變。在絕緣避雷線系統(tǒng)中，隨著雷電流增大，擊穿避雷線絕緣間隙個數(shù)增加，桿塔接地的數(shù)目增加，更多的桿塔參與分流，桿塔分流系數(shù)減小且波長變短。隨著雷電流幅值增大，擊穿個數(shù)達到一定程度后，分流系數(shù)和波長將不再減少，絕緣避雷線桿塔分流系數(shù)和波長最終趨于直接接地時的分流系數(shù)和波長。與避雷線直接接地相比，當雷電流幅值超過20 kA時，絕緣架設(shè)避雷線對輸電線路桿塔雷電分流系數(shù)和波長影響不大。

4 桿塔分流系數(shù)的規(guī)律分析

4.1 桿塔接地電阻的影響

桿塔接地電阻對絕緣避雷線中桿塔分流系數(shù)有很大的影響。在雷電流幅值為150 kA時，改變桿塔接地電阻的值，保持其他仿真條件不變，得到不同桿塔接地電阻在1.3 μs時的分流系數(shù)，所得結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同桿塔接地電阻下的桿塔分流系數(shù)Fig.9 Tower shunt coefficient for different tower grounding resistances

由圖9可以看出雷電流幅值為150 kA時，直接接地與絕緣避雷線2種方式在不同接地電阻時的分流系數(shù)近似。桿塔接地電阻為5 Ω時，直接接地和絕緣架設(shè)避雷線桿塔分流系數(shù)為95%左右；桿塔接地電阻增大到100 Ω時，已經(jīng)下降到65%左右。隨著接地電阻增大，不同避雷線架設(shè)方式下桿塔分流系數(shù)變化趨勢相同，即隨著接地電阻增大，分流系數(shù)減小。這是因為幅值為150 kA時雷電流擊穿絕緣間隙較多，絕緣避雷線分流作用與直接接地時差別不大。桿塔接地電阻越大，雷電流從桿塔分流越小，桿塔分流系數(shù)減少。同時桿塔接地電阻增大，還會影響地電位升高。

4.2 桿塔檔距的影響

桿塔檔距對絕緣避雷線中桿塔分流系數(shù)有一定的影響。在雷電流幅值為150 kA的情況下，改變桿塔檔距的值，保持其他仿真條件不變，得到不同的桿塔檔距在1.3 μs時的分流系數(shù)，所得結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同檔距下的桿塔分流系數(shù)Fig.10 Tower shunt coefficient for different tower spans

由圖10可以看出雷電流幅值為150 kA時，直接接地方式與絕緣架設(shè)方式在不同桿塔檔距的分流系數(shù)幾乎一樣。700 m檔距時分流系數(shù)為95%左右，200 m檔距時分流系數(shù)下降到75%左右。隨著檔距增大，不同避雷線架設(shè)方式下桿塔分流系數(shù)變化趨勢相同，分流系數(shù)都隨著檔距增大而增大。隨著檔距的增大，雷電流從桿塔分流得越多，桿塔系數(shù)越大。輸電線路設(shè)計時可以適當增大檔距，以增大桿塔雷電流分流系數(shù)。

5 結(jié)論

本文對比分析了避雷線直接接地和絕緣架設(shè)的雷電流分配情況及影響因素，得出結(jié)論如下。

a.避雷線絕緣架設(shè)時，雷電流的分配與桿塔絕緣間隙的擊穿個數(shù)有關(guān)，通過桿塔入地的雷電流幅值受間隙擊穿個數(shù)影響較少，而波長受間隙擊穿個數(shù)的影響較大。

b.雷電流幅值小于20 kA，避雷線絕緣架設(shè)與直接接地相比，由于雷電流的桿塔分流系數(shù)受間隙擊穿個數(shù)的影響，二者的差別較大，其中雷電流幅值為1 kA時分流系數(shù)相差達到9%。

c.當雷電流幅值大于20 kA，絕緣間隙擊穿5級以上時，避雷線絕緣架設(shè)與直接接地時的分流系數(shù)基本相同，此時桿塔分流系數(shù)主要受桿塔接地電阻的影響。

通過上述研究，避雷線絕緣架設(shè)時，輸電線路的雷擊分流系數(shù)主要受雷電流的影響，當雷電流幅值遠大于20 kA時，計算線路的耐雷水平時不需要考慮避雷線融冰絕緣架設(shè)的影響。

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