超高壓交流輸電線路雷電過電壓特性及其影響因素

摘要：輸電線路常受到各種雷電過電壓的襲擊，引發(fā)停電事故，危害很大，雷擊故障已成為影響輸電線路安全工作的關(guān)鍵因素。為了制定防雷措施以防止雷害事故發(fā)生，準(zhǔn)確評價輸電線路上雷電過電壓的性能，找到雷電過電壓的影響因素，具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵字：超高壓交流輸電線路；雷電過電壓；防雷措施；影響因素

一、研究背景及意義

隨著超高壓電網(wǎng)的飛速發(fā)展，通過長距離輸送，分配，互相支援，彼此配合，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)生雷電的瞬間電壓和電流很大。有些處于地形、氣象條件復(fù)雜的地區(qū)常遭受各種雷電過電壓的侵襲，引發(fā)停電事故。在系統(tǒng)的電力設(shè)備上，可能造成設(shè)備絕緣故障，因此必須防止雷電的破壞。對變電站直擊雷防護(hù)主要采用避雷針和屏蔽地線，或者兩者混合使用的方法來進(jìn)行防護(hù)[2]。為了合理制定防雷措施以防止雷害事故發(fā)生，準(zhǔn)確評價輸電線路上雷電過電壓的性能，找到雷電過電壓的影響因素，具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值。

二、輸電線路雷電過電壓機(jī)理

（一）輸電線路雷電過電壓分類

輸電線路雷電過電壓分為兩種：一種是由雷擊線路附近大地，通過空間電磁感應(yīng)作用在導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓。另一種是由雷電直接擊中桿塔、避雷線或?qū)Ь€產(chǎn)生直擊雷過電壓。直擊雷過電壓對電力系統(tǒng)的危害極大。

直擊雷過電壓根據(jù)雷電擊中線路部位的不同分為兩種：反擊雷電過電壓是雷擊線路桿塔或避雷線時，由于接地電阻以及桿塔波阻抗的作用產(chǎn)生的過電壓。繞擊雷電過電壓是雷電擊中導(dǎo)線產(chǎn)生的過電壓。

（二）反擊雷電過電壓

桿塔塔頂受到?jīng)_擊電流作用時，存在著本身的電阻和一個接地的電抗。作用于桿塔的雷電流若是反擊則包括桿塔的電位增加和絕緣子串上的電壓高至引發(fā)閃絡(luò)并被擊穿兩個過程。當(dāng)發(fā)生反擊時塔頂會出現(xiàn)一個很高的暫態(tài)負(fù)電位，由于正極絕緣子的電壓更高，閃絡(luò)會先在正極絕緣子上發(fā)生。目前輸電線路反擊特性的計算方法有規(guī)程法、行波法、蒙特卡洛法、EMTP和PSCAD仿真等。

（三）繞擊雷電過電壓

雷電流注入線路并向線路兩側(cè)傳播后，與輸電線路波阻抗共同作用產(chǎn)生過電壓，當(dāng)其超過絕緣子閃絡(luò)電壓后，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，電流沿避雷線波阻抗及桿塔波阻抗和接地電阻入地，呈現(xiàn)接地故障特征。目前輸電線路繞擊特性計算方法有：規(guī)程法、經(jīng)典電氣幾何模型（EGM）、改進(jìn)電氣幾何模型、分形先導(dǎo)發(fā)展模型等。

1、規(guī)程法

輸電線路的雷電繞擊公式如下：

式中：a避雷線對邊導(dǎo)線的保護(hù)角；h桿塔高度；Pa線路雷電繞擊率

此方法計算簡單且能夠滿足一般線路的防雷設(shè)計要求。但規(guī)程法針對特定的地形、地貌、線路構(gòu)造及雷電活動的分析能力較弱。

2、改進(jìn)電氣幾何模型

吸引半徑是雷電流幅值和結(jié)構(gòu)物高度的函數(shù)，表示為：

式中：H為結(jié)構(gòu)物高度（m）；I為雷電流幅值（KA）

此方法考慮了結(jié)構(gòu)物高度對引雷作用的影響，但沒考慮放電隨機(jī)性和分散性，影響模型的計算精確性。

三、對輸電線路雷電過電壓的影響

（一）沖擊電暈

隨著輸電線路電壓等級提高，沖擊電暈帶來的影響將越來越嚴(yán)重，會造成雷電過電壓波幅值的衰減和波形的畸變，同時使輸電導(dǎo)線波阻抗減小，對地電導(dǎo)和對地電容增大等。沖擊電暈只與電壓瞬時值有關(guān)。沖擊電暈的伏庫特性是指在波傳播的過程中，導(dǎo)線的沖擊電壓瞬時值u與導(dǎo)線上及其周圍電暈套內(nèi)的總電荷q的關(guān)系：

是研究和計算波衰減與變形的基礎(chǔ)。

（二）工頻電壓對輸電線路雷電過電壓的影響

工頻電壓對輸電線路雷電過電壓的影響隨輸電線路電壓等級的提高而變大。從絕緣子串閃絡(luò)的判據(jù)來看，正極性的工頻電壓更容易發(fā)生閃絡(luò)；綜合考慮，最大過電壓值并不一定出現(xiàn)在工頻電壓處于負(fù)半周時，還與絕緣子串閃絡(luò)的時刻有關(guān)。

四、線路防雷的措施

（一）改變避雷線根數(shù)

避雷線是基本防雷措施之一?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中指出110KV以上線路一般應(yīng)整個都架設(shè)避雷線。避雷線可防止雷電沖擊直接作用到導(dǎo)線上；將電流分流，使得流經(jīng)桿塔并到大地，塔頂電位降低；可利用導(dǎo)線之間的耦合作用，減小線路絕緣承受的電壓，由此來降低導(dǎo)線上感應(yīng)過電壓。

（二）改變導(dǎo)線的排列

由于導(dǎo)線是雷電過電壓波傳輸?shù)闹饕ǖ溃瑢?dǎo)線間的耦合作用使其空間位置影響雷電過電壓。雷電流幅值比耐雷水平低時，水平方式排列導(dǎo)線反擊過電壓比三角方式排列低；絕緣子串被擊穿后，水平布置要高一些。但這些變化并不明顯，在考慮防雷措施的時候可忽略導(dǎo)線排列方式的影響。不論是采用三角形還是水平布置，繞擊過電壓隨著雷電沖擊電流幅值增大而增加。

（三）改變接地電阻

桿塔接地電阻對輸電線路耐雷性能有重要影響。繞擊時接地電阻值對過電壓的影響比反擊小。線路的反擊耐雷水平與接地電阻成反比。接地電阻的大小對線路遭受雷電反擊時產(chǎn)生的過電壓有一定的影響。采取措施降低桿塔旳接地電阻可有效降低過電壓幅值。接地阻值過大時，雷擊時會引起塔頂電位升高，若雷電流較大，可能導(dǎo)致反擊發(fā)生。

（四）加裝線路避雷器

無論是一相、兩相還是三相裝設(shè)線路避雷器后耐雷水平都會提高，但是兩相和三相裝設(shè)避雷器比單相提高的更多。盡管線路避雷器的造價較高，但在很難降低接地電阻的地區(qū)，裝設(shè)避雷器可很好的限制電位，因此建議在易

受雷電侵襲的地區(qū)或者地形采用。

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作者簡介：馮燁（1992—），女，河北唐山人，沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院2016級電氣工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。