±660 k V直流输电线路反击耐雷性能研究

袁海燕，刘 民，庄燕飞，姚金霞

（1.山东电力集团公司电力科学研究院，山东 济南 250002；2.山东电力集团公司检修公司，山东 济南 250021）

0 引言

宁东—山东±660 kV高压直流输电线路于2010年投运，是世界上第一条电压等级为660 kV的直流输电线路。虽然高压直流线路的绝缘水平相对较高，发生反击的可能性相对较小，但是其供电可靠性要求提高，杆塔高度增加，线路走廊的尺寸增加，沿途地面状况复杂，气候多变，遭受自然雷害的几率也随之增加，因此，±660 kV高压直流输电线路的防雷工作至关重要。

对于高压直流架空线路，雷击线路杆塔或架空地线时，其中极性与雷击过电压相反的那一极导线，其塔头间隙和绝缘子串承受的电压是雷电冲击电压和直流工作电压之和，而与雷击过电压极性相同的另一极导线，其塔头间隙和绝缘子串承受的电压是雷电冲击电压和直流工作电压之差。直流输电系统的这些特点使得双极具有不平衡绝缘特性，间隙的放电电压也必然与没有直流工作电压的情况大不相同。因此，分析直流线路耐雷水平时应考虑直流工作电压影响。目前国内外对交流输电线路的耐雷性能研究较多，而对直流线路耐雷性能的研究较少。

耐雷水平是衡量输电线路安全性的一个重要指标。一般雷电直击架空导线的发生概率很小，大部分雷击发生在传输线杆塔顶部。雷击杆塔时大部分雷电流沿杆塔泄入大地，使杆塔电位升高，绝缘子串发生反击闪络，因此有必要分析雷击杆塔顶部时线路的耐雷性能。

高压直流输电线路杆塔较高（一般在50 m以上），波沿杆塔传播时，沿塔身的单位长度电感和单位长度电容是变化的，沿杆塔分布的波阻抗也应该是变化的。因此，用简单的集中参数模型［1－2］计算杆塔的波阻抗，并用来评估特高压输电线路的耐雷性能将带来较大的误差。国外一些学者在试验基础上提出了超高压线路杆塔的多波阻抗模型［3－6］，用于改进高压输电线路反击耐雷性能的仿真研究。

本文利用ATP－EMTP对±660 kV高压直流输电线路进行建模，杆塔采用多波阻抗模型，绝缘子闪络判据采用相交法，考虑直流工作电压，在单极运行方式下，雷击直流线路杆塔顶端时，分析线路及杆塔的过电压水平和线路耐雷水平。

1 雷击杆塔模型

杆塔、杆塔冲击接地电阻、雷电流波形和幅值以及绝缘子闪络判据是决定仿真准确性的关键因素。

1.1 杆塔模型

由波阻抗的特性可知，垂直圆柱体的波阻抗值仅依赖于该圆柱体的半径和高度，因此可用式（1）描述单根垂直导体的波阻抗：

式中：h和r分别为圆柱体的垂直高度及半径。

±660 kV直流线路典型杆塔结构如图1，为了便于建模，把杆塔视为圆柱体的组合，示意图如图 2所示。该杆塔为4导体系统，并按几何结构分为3段，每一段都分为主支架和支架部分，并假定每一部分均匀分布，根据各部分的几何尺寸可计算出波阻抗。主支架部分波阻抗由式（2）计算

其中，hk（k＝1，2，3）、rTk（k＝1，2，3）、RTk（k＝1，2，3）、rB、RB分别为图2中对应杆塔部分的高度与长度。

实测得到有支架情况下波阻抗值通常比无支架情况下的波阻抗约小10%［7］，各段支架部分阻抗与主支架部分阻抗属于并联，因此支架每部分波阻抗为

图1 ±660 kV线路典型杆塔

图2 杆塔示意图

式中：hk为第k部分横担所对应的对地高度；rAk为第k部分横担的等效半径，可取为杆塔主体节点处横担宽度的 1／4。

根据以上分析计算建立的直流特高压杆塔多波阻抗模型如图 3 所示。 图中：ZAk（k＝1，2）为对应于图3 中横担的波阻抗；ZTk（k＝1，2，3），ZLk（k＝1，2，3）分别为对应图3中从上到下各部分主支架及支架部分波阻抗。

实测表明，电磁波通过含有支架的多导体系统时需要更长时间，模型支架部分的长度是主支架对应部分的1.5倍。因此，横担的波阻抗可采用式（4）计算［4］

图3 杆塔多波阻抗模型

1.2 雷电流

本文按我国防雷设计中所采用的2.6／50 μs的波形，由于所涉及的杆塔较高，考虑到计算结果的精确度，雷电波取半余弦波头。已有研究表明，雷电流在5～30kA范围时，雷电通道波阻抗为900～600 Ω；雷电流在30～200 kA范围时，雷电通道波阻抗比较稳定，约为 600～300 Ω［8］。本文研究的雷电流在 100 kA以上，因此选雷电通道波阻抗为400 Ω。

1.3 绝缘闪络判据

相交法判断绝缘闪络的方法是只要绝缘子串上的过电压波与伏秒特性曲线相交即判为发生闪络，不相交就判为不闪络。一些国家采用相交法所得的结果与运行经验基本相符合［8］。因此本文的绝缘子闪络判据采用相交法判据。

由于±660 kV线路绝缘子伏秒特性曲线尚未得到确切数据，暂时采用绝缘子50%闪络电压代替绝缘子伏秒特性曲线，即认为当绝缘子串上的过电压幅值超出绝缘子50%闪络电压时，绝缘子闪络。

式中，L为绝缘子绝缘长度。

2 模型验证

为了验证模型的准确性，首先将本模型应用于文献［9］中的±800 kV 高压直流输电线路，±800 kV直流杆塔的结构及几何尺寸如图4。杆塔呼高为65 m。线路绝缘子采用长度为10.880 m的合成绝缘子。

利用所建模型得到±800 kV输电线路的反击耐雷水平为231 kA，文献［9］中的结果为239 kA，两者相近，所以认为本模型是有效的。

图4 ±800 kV直流杆塔的结构及几何尺寸（单位:mm）

3 ±660 kV线路的反击耐雷性能计算分析

按我国±660 kV高压直流输电线路设计参数，导线采用 4×JL／G3A－1000／45 型钢芯铝绞线，分裂导线的分裂间距400 mm；避雷线采用LBGJ－150－20 AC铝包钢绞线；绝缘子绝缘长度为7.3 m，理想经济档距取460 m。以ZP2711杆塔为例，分析杆塔呼称高度和接地电阻对线路反击耐雷水平的影响。±660 kV线路杆塔结构参数如表1。

由于雷电流以负极性居多，雷击塔顶时，正极导线的绝缘子承受的电压较大。所以本模型中雷电流为负极性，导线电压取＋660 kV。

3.1 杆塔高度对±660 kV线路反击耐雷水平的影响

表2为冲击接地电阻为10 Ω，不同杆塔呼称高度时±660 kV输电线路的反击耐雷水平，可以看出，杆塔高度每增加6 m，反击耐雷水平约下降6%。±660 kV输电线路走廊地形差异较大，杆塔呼高从普通地形的42 m到大跨越段的81 m，大跨越段线路的反击耐雷水平显著降低。

这是因为杆塔高度越高，引雷面积增大，落雷次数增加，同时雷击塔顶后沿杆塔传播至接地装置时引起的负反射波返回到塔顶或横担所需时间也变长，使得塔顶或横担电位增高，易形成反击。

表1 ±660 kV杆塔结构参数 m

表2 不同杆塔呼高时线路的耐雷水平

3.2 杆塔冲击接地电阻对输电线路反击耐雷性能的影响

基于±660kV直流输电线路的典型杆塔ZP2711，接地电阻从5 Ω到25 Ω时，线路的耐雷水平如表3。由表3可见：随着杆塔冲击接地电阻的减小，输电线路反击耐雷水平显著提高。冲击接地电阻由10 Ω降低到5 Ω时，反击耐雷水平提高了28%；冲击接地电阻由15 Ω降低到10 Ω时，反击耐雷水平提高了21%。可见，减小杆塔冲击接地电阻是提高±660 kV直流输电线路耐雷水平的有效措施。

表3 不同冲击接地电阻时线路的耐雷水平

3.3 雷击杆塔后的过电压分析

基于典型塔型ZP2711分析线路的过电压情况。图5是雷电流为200 kA时的塔顶电位和绝缘子两端电压，图6是雷电流为250 kA时塔顶电位和绝缘子两端电压。从图中可见，当200 kA的雷电流击于杆塔时，塔顶电位峰值为1900 kV，绝缘子两端承受的最高电压为3850 kV。当雷电流为250 kA时，塔顶电位峰值为2250 kV，绝缘子两端承受的最高电压为4600 kV。

当雷电流超过耐雷水平时，绝缘子两端的电压峰值超过它的50%闪络电压，绝缘子闪络，闪络后两端电压为0；当雷电流小于耐雷水平时，绝缘子两端的电压小于它的50%闪络电压，绝缘子不闪络。另外，由于导线电压较高，绝缘子两端电压远大于塔顶电位，因此导线电压对线路耐雷水平的影响不容忽视。

图5 绝缘子串不闪络时的电压

图6 绝缘子串闪络时的电压

4 结语

利用ATP－EMTP建立计算高压直流输电线路反击耐雷水平的模型，应用于±800 kV线路，所得结果与已有文献相符，证明了本模型的有效性。

利用所建模型，基于典型塔型ZP2711，接地电阻为10 Ω，计算得到±660 kV直流输电线路的反击耐雷水平为232 kA，对于呼称高度较高的大跨越杆塔耐雷水平下降为175 kA。因此在大跨越段应加强线路杆塔的接地电阻排查，以免引起绝缘子闪络。

减小冲击接地电阻比降低杆塔呼称高度能更有效地提高线路耐雷水平。

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