避雷線及線路耦合作用對(duì)桿塔入地雷電流分流系數(shù)的影響研究

孔憲佐，王一鳴，馬宇麗，孟 軍

（巴彥淖爾電業(yè)局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000）

線路落雷產(chǎn)生的過電壓，包括繞擊和反擊兩類，劃分標(biāo)準(zhǔn)為落雷位置。落雷后雷電流經(jīng)過桿塔和避雷線泄放到大地，雷擊點(diǎn)對(duì)地電位急劇上升。當(dāng)導(dǎo)線與雷擊點(diǎn)之間的電勢差超過絕緣子的沖擊放電電壓時(shí)，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，導(dǎo)線上出現(xiàn)過電壓，稱為反擊。而繞擊是指無架空地線或者雷電繞過架空地線落在導(dǎo)線上。落雷點(diǎn)在桿塔塔頂而導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)時(shí)，經(jīng)過桿塔泄放的電流與雷電流之比，稱為桿塔分流系數(shù)，用β表示。因此這一雷電參數(shù)與反擊密切相關(guān)。集中電感模型、單波阻抗模型、多波阻抗模型是目前輸電桿塔的常用模型，模型的選取依據(jù)為桿塔高度。當(dāng)實(shí)際計(jì)算中對(duì)分流系數(shù)值要求較低時(shí)，可以根據(jù)電壓等級(jí)高低和架空地線根數(shù)直接選擇《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)雷電防護(hù)》中給出的值。如對(duì)220 kV 線路，在單根避雷線設(shè)計(jì)時(shí)，取β=0.92；雙根避雷線設(shè)計(jì)時(shí)，取β=0.88。但實(shí)際上β會(huì)受到雷電流幅值、陡度、被擊桿塔沖擊接地電阻等因素的影響。將桿塔分流系數(shù)定為常數(shù)，使線路防雷設(shè)計(jì)不夠精確，存在一定的安全隱患。耐雷水平和諸多因素相關(guān)，桿塔分流系數(shù)越小，耐雷水平越高。因此，有針對(duì)性地討論β很有價(jià)值。

1 計(jì)算分流系數(shù)的仿真建模

1.1 桿塔模型

桿塔較高時(shí)，在雷擊閃絡(luò)、防雷性能計(jì)算等方面使用多波阻抗模型效果良好、波響應(yīng)特性與所測實(shí)際桿塔近似。在實(shí)際工作電壓為高壓（110 kV，220 kV）和超高壓（500 kV），且模擬的是桿塔塔頂遭受雷擊時(shí)絕緣子反擊閃絡(luò)情況，因此本文采用多波阻抗模型。而多波阻抗模型又有多層傳輸塔模型，Hara無損線桿塔模型等。結(jié)合實(shí)際情況，本文選取第二種。此模型由塔身、支架、橫擔(dān)3 部分組成，每部分波阻抗值可根據(jù)桿塔尺寸和幾何形狀用公式算出得出，模型如圖1所示。

圖1 桿塔結(jié)構(gòu)與無損線模型

圖中Lt為雷擊桿塔的電感等效值；Ls為桿塔兩側(cè)一檔架空地線并聯(lián)的電感等效值；Ri為雷擊桿塔的沖擊接地電阻；τf為常數(shù)2.6 μs；單根避雷線的等值電感約取Ls=0.67l，μH；雙避雷線約取Ls=0.42l，μH；高度為h的桿塔，其等值電感約取Lt=0.5h，μH。須要指出的是，此模型未考慮相鄰桿塔及其接地電阻的影響，且公式中沒有互阻抗等表征避雷線及導(dǎo)線耦合作用的參數(shù)，因此計(jì)算值未考慮耦合作用對(duì)分流系數(shù)的影響。

圖1 中，ZT和桿塔塔身相對(duì)應(yīng)，ZL和支架相對(duì)應(yīng)，ZA和橫擔(dān)相對(duì)應(yīng)。圖示桿塔自上而下的波阻抗分別為

式中：hk，rTk，RTk，rB，RB的取值與圖1中各部分對(duì)應(yīng)，模型中每部分長度與實(shí)際導(dǎo)體長度相等。須要指出的是，工程實(shí)際中輸電桿塔所用的鋼材通常為角鋼，而仿真軟件中的導(dǎo)體默認(rèn)為圓鋼，因此導(dǎo)體半徑通過公式r=0.44b等效，式中的r即rT，b為角鋼寬度。為簡化計(jì)算，當(dāng)桿塔分為幾部分時(shí)，每部分的rTk取相同值，即rTk=r。等邊角鋼的規(guī)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取。

研究表明，桿塔增加了支架后，多導(dǎo)體系統(tǒng)的波阻抗減少了10%，那么支架每部分的波阻抗為

式中：hk和rAk分別是第k橫擔(dān)的高度和等效半徑。模型中橫擔(dān)長度與實(shí)際長度相等，且上式適用于圓柱形橫擔(dān)和橫擔(dān)的等值半徑為橫擔(dān)與桿塔塔身連接處1/4寬度的比例模型。

1.2 輸電線路模型

在ATP-EMTP 中，線路模塊LCC 有Bergeron、PI、JMaiti等多種模型，本文選取最常用的JMaiti模型，相關(guān)參數(shù)及取值如表1所示。

表1 Model欄參數(shù)含義及取值

1.3 絕緣子模型

目前主要有2種模型來模擬絕緣子，壓控開關(guān)模型和絕緣子伏秒特性模型。課題采用第一種，這種模型的原理是：根據(jù)絕緣子串的沖擊放電特性，當(dāng)作用在絕緣子上的電壓大于絕緣子串的伏秒特性時(shí)，絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，壓控開關(guān)閉合。此模型對(duì)應(yīng)于ATP-EMTP仿真軟件中的switch time controlled模塊。根據(jù)我國現(xiàn)行GB/T 21714.1《雷電防護(hù)》的建議，線路繞擊耐雷水平近似計(jì)算公式為：I=U50%/100，且100、220、500 kV 線路繞擊耐雷水平依次為7、12、27.4 kA左右，因此在本文中壓控開關(guān)模型的控制電壓依次取700、1200、2740 kV。

1.4 匹配電阻和桿塔沖擊接地電阻

由波的折反射規(guī)律知，線路末端接有電阻R=Z1時(shí)，折射系數(shù)α=1，反射系數(shù)β=0。這種情況相當(dāng)于線路末端接與另一波阻抗相同（Z2=Z1）的線路，相當(dāng)于均勻線路的延伸，因此波到達(dá)末端后無反射，波形不會(huì)發(fā)生畸變[32]。本文仿真中，為了減小線路末端折反射所引起的誤差，在線路兩端均接入與線路波阻抗相等的電阻，稱為匹配電阻。架空線路的波阻抗可由下式計(jì)算：

式中：r為導(dǎo)線或避雷線半徑，m；h為導(dǎo)線或避雷線對(duì)地高度。需要指出的是，因自身重力和氣候變化的影響，長距離輸電線路有弛垂，用fs表示，上式計(jì)算時(shí)h取平均高度，設(shè)導(dǎo)線或避雷線在桿塔處離地高度為h0，則?。?/p>

對(duì)工作接地和保護(hù)接地來說，接地電阻是指工頻或直流流過時(shí)的電阻，通常稱為工頻接地電阻；在防雷接地中，雷電沖擊電流流過桿塔時(shí)的電阻，稱為桿塔沖擊接地電阻，用Ri表示。山地、平原架設(shè)桿塔時(shí)對(duì)接地電阻的要求不同，這主要是因?yàn)橥寥离娮杪视胁町?。一般情況下，接地電阻取值范圍為7～20 Ω。本文參考相關(guān)文獻(xiàn)[33]，在平原地區(qū)，取Ri=7 Ω；在山地地區(qū)，取Ri=15 Ω。

2 計(jì)及避雷線及線路耦合作用下分流系數(shù)的影響因素分析

選取的13種桿塔所進(jìn)行雷擊模擬，分析以下幾種情況桿塔入地雷電流分流系數(shù)的變化規(guī)律：110、220、500 kV 三種電壓等級(jí)下同一塔型桿塔的分流系數(shù)β；同一電壓等級(jí)下，“貓頭型”“干字型”“酒杯型”“V 型”桿塔的分流系數(shù)β；通過改變桿塔沖擊接地電阻等因素總結(jié)分流系數(shù)β的變化規(guī)律。將測量結(jié)果與規(guī)程計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。仿真中已經(jīng)考慮了避雷線和輸電線路的耦合作用，通過對(duì)比，得出耦合作用對(duì)線路防雷的影響。

2.1 同一塔型不同電壓等級(jí)

課題選取了3 個(gè)電壓等級(jí)，“干字型”“貓頭型”“酒杯型”3 種塔型進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)分析如圖2所示（注：綠色線為仿真計(jì)算值，藍(lán)色線為規(guī)程計(jì)算值，以下類同）。

圖2 同一塔型不同電壓等級(jí)分流系數(shù)β

由圖2 可知，工作在不同電壓等級(jí)下的同一塔型桿塔，塔頂遭受雷擊且絕緣子恰好閃絡(luò)時(shí)，桿塔分流系數(shù)β不同。因?yàn)橐话闱闆r下，桿塔高度隨電壓等級(jí)的提高而增加，等值電感等參數(shù)發(fā)生變化，β規(guī)程計(jì)算值不同；電壓等級(jí)越高，絕緣子恰好閃絡(luò)時(shí)的雷電流越大，為迅速泄流，經(jīng)桿塔入地的雷電流比例有增大的趨勢，分流系數(shù)增大。但圖中這種趨勢并不明顯，因此電壓等級(jí)高低與分流系數(shù)大小沒有密切關(guān)系。

仿真計(jì)算考慮了避雷線和線路的耦合作用，由前文分析可知，此時(shí)桿塔分流系數(shù)較規(guī)程計(jì)算值小，圖中符合情況的桿塔塔型及其對(duì)應(yīng)的工作電壓為：“干字型”塔，110 kV；“貓頭型”塔，500 kV；“酒杯型”塔，220 kV、500 kV。這幾種情形下耦合作用的影響使分流系數(shù)減小，但減小的數(shù)值很小。由于影響分流系數(shù)的因素較多，其他情形下并沒有體現(xiàn)出仿真計(jì)算值比規(guī)程計(jì)算值小這一規(guī)律。因此，耦合作用不是影響分流系數(shù)的主要因素，其他干擾和誤差因素可能掩蓋了耦合的影響。

2.2 同一電壓等級(jí)不同塔型。

同一電壓等級(jí)下，不同塔型桿塔的分流系數(shù)如圖3所示。

圖3 同一電壓等級(jí)下不同塔型分流系數(shù)β

由圖3 可知，同一電壓等級(jí)下，不同塔型桿塔的分流系數(shù)存在較大差異，這與桿塔結(jié)構(gòu)、高度、避雷線根數(shù)等因素有關(guān)。如上字型桿塔，采用單根避雷線，這與采用雙避雷線的塔型相比，塔頂遭受雷擊時(shí)，電流少了一個(gè)泄放通道，經(jīng)桿塔入地的雷電流比例大，分流系數(shù)大，線路耐雷水平低，因此使用時(shí)需謹(jǐn)慎，一般在少雷區(qū)才考慮。在220 kV、500 kV 線路中，“酒杯型”桿塔用途廣泛，種類多樣。由圖可知，分流系數(shù)值比其他幾種塔型桿塔稍低，說明同一電壓等級(jí)下用酒杯型桿塔具有優(yōu)越性，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，多雷區(qū)可以考慮用這種塔型桿塔。符合仿真計(jì)算值比規(guī)程計(jì)算值小這一規(guī)律的情形，其中電壓等級(jí)110 kV、220 kV、500 kV 的β規(guī)程計(jì)算值和β 仿真計(jì)算值間的差值平均值分別為-0.045、-0.038、-0.0849，可知耦合作用使分流系數(shù)的減小量在0.03～0.09 之間，考慮到其他情形下仿真計(jì)算值并不比規(guī)程計(jì)算值小，以及一些誤差因素，比如：仿真電路桿塔選取的是Hara無損線模型，但“酒杯型”“貓頭型”等桿塔結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)中用于搭建模型的桿塔結(jié)構(gòu)不同，參數(shù)計(jì)算時(shí)可能帶來不準(zhǔn)確因素。因此，減小量取0.1以內(nèi)。

2.3 桿塔接地電阻

選取110 kV、220 kV、500 kV 三種電壓等級(jí)下的JG1“干字型”桿塔，改變仿真電路中的桿塔接地電阻，測量反擊時(shí)的分流系數(shù)如圖4所示。

圖4 JG1型桿塔不同接地電阻阻值下分流系數(shù)β

由圖4 可知，隨著桿塔接地電阻值減小，規(guī)程計(jì)算和仿真計(jì)算所得分流系數(shù)均增大，這是因?yàn)槔讚魲U塔塔頂時(shí)，接地電阻越小，雷電流可以通過桿塔迅速有效泄流，減小雷擊跳閘率。對(duì)圖4 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值分析，如表2所示。

表2 差值分析

從表2可知電壓等級(jí)提高，規(guī)程計(jì)算均值下降，這是因?yàn)楣接?jì)算中，桿塔等值電感采用估計(jì)值，一般情況下電壓等級(jí)越高，桿塔高度越大，等值電感增大，公式計(jì)算的分流系數(shù)下降。而仿真測量發(fā)現(xiàn)，電壓等級(jí)提高，分流系數(shù)增大，在110 kV、220 kV時(shí)增大不明顯，但對(duì)于500 kV線路，仿真測量和規(guī)程計(jì)算值差值為0.075，且測量均值為0.9094，這比工程參考值大，這是因?yàn)殡妷旱燃?jí)提高，耐雷水平上升，雷擊桿塔時(shí)的雷電流幅值增大，經(jīng)桿塔入地是最迅速的路徑，因此500 kV時(shí)絕大部分雷電流是經(jīng)過桿塔入地的，分流系數(shù)很大。此時(shí)考慮耦合作用雖然使分流系數(shù)降低，但由于不是主要影響因素，最終所得值上升。由上述研究可得，對(duì)于500 kV線路，雙避雷線時(shí)，桿塔分流系數(shù)可以由0.88提高到0.90。

選取110 kV 線路ZS2“上字型”、ZM1“貓頭型”、Z2“酒杯型”、JG1“干字型”4 種塔型桿塔，改變仿真電路中的桿塔接地電阻，測量反擊時(shí)的分流系數(shù)，所得數(shù)據(jù)如圖5 所示，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行差值分析，如表3所示。

圖5 4種塔型不同接地電阻值下分流系數(shù)β

表3 差值分析

從規(guī)程計(jì)算均值來看，4 種塔型桿塔分流系數(shù)取值與工程值接近；從仿真計(jì)算均值來看，“貓頭型”和“干字型”桿塔，差值很小，說明仿真參數(shù)設(shè)置和模型選取較合理；“上字型”桿塔測量均值小，耐雷水平高，說明對(duì)于110 kV線路，采用這種塔型桿塔效果較好；相反，“酒杯型”桿塔分流系數(shù)測量均值高，說明不宜在110 kV線路上應(yīng)用。由上述研究可得，對(duì)于110 kV線路“上字型”桿塔，桿塔分流系數(shù)可以由0.90下降到0.88。

2.4 雷電流波形

選取110 kV ZS2“上字型”、220 kV JG1“干字型”、220dz“上字型”500 kV JG1“干字型”4種桿塔，保持2.6/50μs 波形不變，改變雷電流幅值，得到數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 不同雷電流幅值下分流系數(shù)β

由圖6可知，在一定區(qū)域內(nèi)，雷電流幅值變化，桿塔分流系數(shù)保持不變。因?yàn)椴ㄐ尾蛔儠r(shí)，雷電流幅值增大僅僅使流過避雷線和桿塔的電流等比例增大，阻波效果相同，故β保持為定值。但雷電流增大過程中，在某處分流系數(shù)發(fā)生突變，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)沖擊電流波對(duì)仿真電路的分布參數(shù)值產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致桿塔和避雷線分流比例發(fā)生變化。綜上，在雷擊桿塔反擊閃絡(luò)的臨界雷電流之前的一定區(qū)間內(nèi)，雷電流幅值不影響桿塔分流系數(shù)。

選取1.5/50μs、2/50μs、2.6/50μs、3/50μs 4種不同陡度的波形，對(duì)110 kV、220 kV、500 kV JG1型桿塔分別進(jìn)行反擊模擬，測得分流系數(shù)如圖7 所示。

圖7 不同雷電流陡度下分流系數(shù)β

由圖7 可知，桿塔遭受雷擊時(shí)，隨著雷電流陡度的增加，絕緣發(fā)生閃絡(luò)時(shí)雷電流為了迅速泄放到大地，經(jīng)過桿塔的路徑最短，分流比例增大，避雷線分流比例減少，因此桿塔分流系數(shù)β增大。

3 防雷措施

針對(duì)上述對(duì)分流系數(shù)影響因素的研究，提出以下防雷措施：

降低桿塔接地電阻。由上文仿真結(jié)果可知，桿塔沖擊接地電阻值由4 Ω 增加到20 Ω 過程中，雷擊閃絡(luò)的臨界雷電流幅值減小，即耐雷水平下降，因此降低桿塔接地電阻可以有效減小雷擊跳閘率。

架設(shè)耦合地線。桿塔接地電阻難以降低的區(qū)域，可以考慮這種方法。耦合地線既可以分流，又可以加強(qiáng)避雷線和導(dǎo)線之間的耦合作用，降低雷擊過電壓。為了提高線路的耐雷水平，可在容易遭受雷擊的地段架設(shè)耦合地線，但這種方法并不適宜全線使用，且設(shè)計(jì)中必須考慮桿塔所能承受的荷載。對(duì)于直線桿塔，宜采用釋放線夾架設(shè)方式，以減輕事故斷線產(chǎn)生的張力，改善直線桿塔的受力情況。對(duì)于承力桿塔，在耦合地線的懸掛點(diǎn)需要加裝拉線。

疏堵共治，因地制宜。輸電線路的耐雷水平不可能無限提高，因此采用間隙裝置允許線路有一定的雷擊跳閘率而減小事故率不失為一種方法。在輸電線路防雷設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)芈淅酌芏鹊葘?shí)際情況，如在少雷區(qū)，可以考慮使用“上字型”桿塔，節(jié)省材料；對(duì)500 kV線路，可以稍微降低防雷設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文在仿真軟件ATP-EMTP 中進(jìn)行桿塔、輸電線路、絕緣子以及匹配電阻、桿塔沖擊接地電阻參數(shù)的設(shè)置。并選取了多波阻抗模型之一的Hara無損線桿塔模型，輸電線路選用了LCC 模塊中的JMaiti模型，絕緣子選用了壓控開關(guān)模型。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)所選取的13種桿塔，進(jìn)行雷擊桿塔塔頂反擊模擬。在電壓等級(jí)、桿塔塔型、沖擊接地電阻、雷電流幅值等因素變化條件下測量分流系數(shù)，總結(jié)變化規(guī)律，分析耦合作用的影響，并提出了合理的防雷措施。