避雷线绝缘架设对杆塔雷电流分配的影响

陈 奎 ，曹晓斌，吴广宁 ，易志兴，马御棠 ，范建斌

（1.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；2.云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院，云南 昆明 650051；3.中国电力科学研究院，北京 100192）

0 引言

输电线路覆冰后由于线路荷载过重、不均匀脱冰、覆冰导线舞动等会造成输电线路倒杆和断线事故［1-3］。当架空避雷线上的覆冰达到一定程度后，将严重危害输电线路安全［4-7］。为了利用直流对架空避雷线融冰，对输电线路避雷线进行了全线绝缘化架设，绝缘间隙达到了120 mm，远大于为了减小避雷线损耗而采用的绝缘间隙值（10～40 mm）［8-9］。120mm绝缘间隙应用在避雷线中将改变输电线路耐雷水平和塔顶电位。输电线路耐雷水平和塔顶电位直接与杆塔分流系数相关［10-11］。为了防止输电线路雷击闪络和避免雷击跳闸，需要深入研究绝缘避雷线杆塔分流系数。

国内学者对绝缘化输电线路避雷线问题进行了大量的研究，这些研究主要集中在不同避雷线绝缘方式、输电线路和避雷线换位、避雷线回路数、避雷线材料、杆塔等因素对输电线路避雷线损耗［12-15］、短路时的避雷线分流系数［16-19］和避雷线感应电压［20-23］影响。基于雷击输电线路时杆塔分流系数的研究较少，而杆塔分流系数对于分析杆塔顶端电位、探讨绝缘配合和开展输电线路防雷接地保护有着重要的意义。

为此，本文利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP建立了全线绝缘化避雷线的输电线路雷击模型，研究了在不同雷电流幅值下绝缘架设避雷线和杆塔中雷电流分配问题，探讨了不同雷电流幅值、杆塔接地电阻和杆塔档距对直接接地避雷线和绝缘架设避雷线中的杆塔分流系数的影响，得到了相关变化规律。相关结论可为工程设计和相关技术规范提供参考。

1 雷击杆塔模型

1.1 雷电流在输电线路分配模型

避雷线全线绝缘化架设方式为：架空线路每隔30 km设置1个接地点，线路终端杆塔均设置接地点；非覆冰季节接地点进行可靠接地，融冰季节来临前将线路接地点接地装置打开，本文讨论了非融冰季节避雷线情况。输电线路正常运行时，流过杆塔和绝缘避雷线的电流基本为0。当发生雷击故障时，雷电流将击穿绝缘避雷线间隙，并经杆塔和绝缘避雷线流回大地。雷电流在输电线路分配模型如图1所示。

图1 雷电流分布模型Fig.1 Model of lightning current distribution

图1 中，Ji、J′i（i=1，2，…，n-1）表示对应杆塔的绝缘避雷线间隙；Jn表示雷击杆塔处的绝缘避雷线间隙；IK为雷击点的全部雷击电流；IK1、IK2为流过雷击点两侧绝缘避雷线的雷电流；Id为雷击点击穿避雷线绝缘间隙的杆塔入地雷电流；Id1为雷击点相邻击穿避雷线绝缘间隙的两基杆塔雷电流；Iz1、Iz2为流经绝缘避雷线返回变电站地网的雷电流；Ri、R′i为接地电阻。基于雷电流分配模型，本文研究了雷电流在输电线路杆塔的分配问题。

1.2 雷电流杆塔分流系数

当雷电击中输电线路杆塔及附近时，足够大的雷电流幅值将击穿雷击点附近杆塔的绝缘间隙。击穿绝缘间隙的杆塔和绝缘避雷线将对雷电流分流。雷电流在杆塔中的分流如图2所示。

图2中，J对应杆塔上的绝缘间隙；D对应杆塔上的绝缘子。基于雷电流杆塔分流模型，本文研究了绝缘避雷线中雷电流杆塔分流系数。

杆塔分流系数是反映雷电流在避雷线和杆塔中分布情况的重要参数，与输电线路反击耐雷水平关系密切。在本文中杆塔分流系数β定义为经杆塔入地的电流Id与雷击杆塔的总雷电流IK的比值，即：

图2 杆塔分流模型Fig.2 Model of tower lightning current shunt

2 实际线路雷电流分配的仿真分析

2.1 线路计算条件

南方电网某超高压输电线路为了利用直流直接融冰，架空避雷线进行了全线绝缘化设计。避雷线绝缘间隙为120 mm，对于间隙击穿建模时作了理想化的假设，当间隙两端电压达到间隙U50%即试验数值83.4 kV时，间隙击穿。线路仿真计算条件为：土壤电阻率为200 Ω·m，变电站接地网等效电阻为0.5 Ω；每档线路档距为500 m；线路铁塔等效接地电阻为15 Ω，铁塔波阻抗为150 Ω。导、避雷线排列如图3所示。导线参数：相导线型号为4×JL/G1A-400/50-54/7，分裂间距为400mm；避雷线型号为LBGJ-120；光缆型号为OPGW-100。

图3 线路的几何结构Fig.3 Geometric structure of transmission line

2.2 输电线路雷电流分配规律分析

利用已建模型，对雷击杆塔条件下杆塔分流情况进行了仿真。由仿真结果发现，当雷电流幅值小于441 A时，没有绝缘间隙击穿；雷电流幅值在441～4 300 A时，只有雷击点杆塔绝缘间隙击穿；当雷电流幅值大于20 kA时，靠近雷击点的5基杆塔绝缘间隙击穿；雷电流幅值大于50 kA时，靠近雷击点的12基杆塔绝缘间隙击穿。以下分别讨论不同雷电流幅值条件下的杆塔分流情况。

雷电流幅值为1 kA时，雷击点杆塔绝缘间隙击穿。雷电流从击穿绝缘间隙的杆塔、绝缘避雷线和线路终端接地杆塔分流，与直接接地时分流情况的对比如图4所示。图中，Id1、Id2为雷击点相邻击穿避雷线绝缘间隙的4基杆塔雷电流。

图4 雷电流幅值为1 kA时分流情况Fig.4 Lightning current distribution when its amplitude is 1 kA

由图4可见，绝缘架设避雷线杆塔分流作用大于直接接地时分流作用。因为雷电流幅值为1 kA时，绝缘架设避雷线情况下只有雷击点杆塔击穿，雷击点杆塔分走97%的雷电流。

雷电流幅值为50 kA时，雷击点附近12基杆塔的绝缘间隙击穿。雷电流从击穿绝缘间隙的12基杆塔、绝缘避雷线和线路终端接地杆塔分流，与直接接地时分流情况的对比如图5所示。

图5 雷电流幅值为50 kA时分流情况Fig.5 Lightning current distribution when its amplitude is 50 kA

由图5可见，直接接地与绝缘架设避雷线杆塔分流峰值都为57 kA，并且杆塔入地雷电流波形相似，分流作用相近。因为杆塔绝缘间隙达到12基，绝缘架设避雷线与直接接地避雷线一样能起到良好的分流作用。与图4中绝缘架设避雷线杆塔分流相比，更多的杆塔绝缘间隙击穿，击穿间隙的杆塔分流作用加强。同时雷击点附近3基杆塔分流较多，随后4、5基杆塔分流较少。

雷电流幅值为150 kA时，雷击点附近12基杆塔的绝缘间隙击穿。雷电流从击穿绝缘间隙的12基杆塔、绝缘架设避雷线和线路终端接地杆塔分流，与直接接地时分流情况的对比如图6所示。

图6 雷电流幅值为150 kA时分流情况Fig.6 Lightning current distribution when its amplitude is 150 kA

由图6可见，直接接地与绝缘架设避雷线杆塔分流峰值都为170 kA，并且杆塔入地雷电流波形相似，分流作用几乎相同。与图5中绝缘架设避雷线杆塔分流相比，每基杆塔分得了更多的雷电流。

由图5、图6发现：当雷击杆塔时，雷击点两边击穿绝缘间隙的杆塔分流呈对称分布；两边对应杆塔分流几乎相同，线路末端接地杆塔和绝缘避雷线分流较小。雷电流在避雷线和杆塔中的分配与杆塔绝缘间隙的击穿个数有关，杆塔入地电流峰值与绝缘间隙的击穿个数关系不大。

由此可知，在实际输电线路中雷击点处的雷电流主要由绝缘间隙击穿的杆塔分流，并且杆塔分流达到80%以上。这说明在绝缘架设避雷线-杆塔接地系统中，从雷击点看进去的输入阻抗要比绝缘架设避雷线阻抗小得多。绝缘架设避雷线在足够大的雷电流击穿绝缘间隙后，其雷电流分配与直接接地避雷线差别不大，都主要由雷击点附近杆塔分流。绝缘架设避雷线对雷电流杆塔分流影响不大。当避雷线绝缘间隙可靠击穿后，绝缘架空避雷线接地，发挥避雷线在防雷时的分流及耦合作用。

3 雷电流幅值对杆塔分流系数和波长的影响

雷电流幅值是影响绝缘避雷线中杆塔分流系数和波长的重要因素。变动雷电流幅值，保持其他仿真条件不变，分别得到绝缘避雷线和直接接地避雷线在1.3 μs时的杆塔分流系数和波长，所得结果如图7、8 所示。

图7 不同雷电流幅值下的杆塔分流系数Fig.7 Tower shunt coefficient for different lightning current amplitudes

图8 不同雷电流幅值下的波长Fig.8 Wave length for different lightning current amplitudes

由图7、图8可知：随着雷电流增大，不同避雷线架设方式下杆塔分流系数和波长变化趋势并不相同。绝缘架设避雷线中杆塔分流系数和波长随着雷电流幅值增大而减小，避雷线直接接地方式的杆塔分流系数和波长保持定值。绝缘架设避雷线中雷电流幅值小于20 kA时，雷击点附近2基杆塔分流，分流系数保持在90%以上，波长为2 μs以上；雷电流幅值大于50 kA时，雷击点附近12基杆塔分流，分流系数保持在88%左右，波长为1.67 μs；而在直接接地方式下无论雷电流幅值变化多少，杆塔分流系数都维持在88%左右，波长为1.67 μs。这是因为在直接接地避雷线中，雷电流幅值增加而输电线路分流电路结构没有改变。在绝缘避雷线系统中，随着雷电流增大，击穿避雷线绝缘间隙个数增加，杆塔接地的数目增加，更多的杆塔参与分流，杆塔分流系数减小且波长变短。随着雷电流幅值增大，击穿个数达到一定程度后，分流系数和波长将不再减少，绝缘避雷线杆塔分流系数和波长最终趋于直接接地时的分流系数和波长。与避雷线直接接地相比，当雷电流幅值超过20 kA时，绝缘架设避雷线对输电线路杆塔雷电分流系数和波长影响不大。

4 杆塔分流系数的规律分析

4.1 杆塔接地电阻的影响

杆塔接地电阻对绝缘避雷线中杆塔分流系数有很大的影响。在雷电流幅值为150 kA时，改变杆塔接地电阻的值，保持其他仿真条件不变，得到不同杆塔接地电阻在1.3 μs时的分流系数，所得结果如图9所示。

图9 不同杆塔接地电阻下的杆塔分流系数Fig.9 Tower shunt coefficient for different tower grounding resistances

由图9可以看出雷电流幅值为150 kA时，直接接地与绝缘避雷线2种方式在不同接地电阻时的分流系数近似。杆塔接地电阻为5 Ω时，直接接地和绝缘架设避雷线杆塔分流系数为95%左右；杆塔接地电阻增大到100 Ω时，已经下降到65%左右。随着接地电阻增大，不同避雷线架设方式下杆塔分流系数变化趋势相同，即随着接地电阻增大，分流系数减小。这是因为幅值为150 kA时雷电流击穿绝缘间隙较多，绝缘避雷线分流作用与直接接地时差别不大。杆塔接地电阻越大，雷电流从杆塔分流越小，杆塔分流系数减少。同时杆塔接地电阻增大，还会影响地电位升高。

4.2 杆塔档距的影响

杆塔档距对绝缘避雷线中杆塔分流系数有一定的影响。在雷电流幅值为150 kA的情况下，改变杆塔档距的值，保持其他仿真条件不变，得到不同的杆塔档距在1.3 μs时的分流系数，所得结果如图10所示。

图10 不同档距下的杆塔分流系数Fig.10 Tower shunt coefficient for different tower spans

由图10可以看出雷电流幅值为150 kA时，直接接地方式与绝缘架设方式在不同杆塔档距的分流系数几乎一样。700 m档距时分流系数为95%左右，200 m档距时分流系数下降到75%左右。随着档距增大，不同避雷线架设方式下杆塔分流系数变化趋势相同，分流系数都随着档距增大而增大。随着档距的增大，雷电流从杆塔分流得越多，杆塔系数越大。输电线路设计时可以适当增大档距，以增大杆塔雷电流分流系数。

5 结论

本文对比分析了避雷线直接接地和绝缘架设的雷电流分配情况及影响因素，得出结论如下。

a.避雷线绝缘架设时，雷电流的分配与杆塔绝缘间隙的击穿个数有关，通过杆塔入地的雷电流幅值受间隙击穿个数影响较少，而波长受间隙击穿个数的影响较大。

b.雷电流幅值小于20 kA，避雷线绝缘架设与直接接地相比，由于雷电流的杆塔分流系数受间隙击穿个数的影响，二者的差别较大，其中雷电流幅值为1 kA时分流系数相差达到9%。

c.当雷电流幅值大于20 kA，绝缘间隙击穿5级以上时，避雷线绝缘架设与直接接地时的分流系数基本相同，此时杆塔分流系数主要受杆塔接地电阻的影响。

通过上述研究，避雷线绝缘架设时，输电线路的雷击分流系数主要受雷电流的影响，当雷电流幅值远大于20 kA时，计算线路的耐雷水平时不需要考虑避雷线融冰绝缘架设的影响。

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