超高压交流输电线路雷电过电压特性及其影响因素

摘要：输电线路常受到各种雷电过电压的袭击，引发停电事故，危害很大，雷击故障已成为影响输电线路安全工作的关键因素。为了制定防雷措施以防止雷害事故发生，准确评价输电线路上雷电过电压的性能，找到雷电过电压的影响因素，具有重要理论意义和工程应用价值。

关键字：超高压交流输电线路；雷电过电压；防雷措施；影响因素

一、研究背景及意义

随着超高压电网的飞速发展，通过长距离输送，分配，互相支援，彼此配合，取得最大的经济效益。发生雷电的瞬间电压和电流很大。有些处于地形、气象条件复杂的地区常遭受各种雷电过电压的侵袭，引发停电事故。在系统的电力设备上，可能造成设备绝缘故障，因此必须防止雷电的破坏。对变电站直击雷防护主要采用避雷针和屏蔽地线，或者两者混合使用的方法来进行防护[2]。为了合理制定防雷措施以防止雷害事故发生，准确评价输电线路上雷电过电压的性能，找到雷电过电压的影响因素，具有重要理论意义和工程应用价值。

二、输电线路雷电过电压机理

（一）输电线路雷电过电压分类

输电线路雷电过电压分为两种：一种是由雷击线路附近大地，通过空间电磁感应作用在导线上产生感应雷过电压。另一种是由雷电直接击中杆塔、避雷线或导线产生直击雷过电压。直击雷过电压对电力系统的危害极大。

直击雷过电压根据雷电击中线路部位的不同分为两种：反击雷电过电压是雷击线路杆塔或避雷线时，由于接地电阻以及杆塔波阻抗的作用产生的过电压。绕击雷电过电压是雷电击中导线产生的过电压。

（二）反击雷电过电压

杆塔塔顶受到冲击电流作用时，存在着本身的电阻和一个接地的电抗。作用于杆塔的雷电流若是反击则包括杆塔的电位增加和绝缘子串上的电压高至引发闪络并被击穿两个过程。当发生反击时塔顶会出现一个很高的暂态负电位，由于正极绝缘子的电压更高，闪络会先在正极绝緣子上发生。目前输电线路反击特性的计算方法有规程法、行波法、蒙特卡洛法、EMTP和PSCAD仿真等。

（三）绕击雷电过电压

雷电流注入线路并向线路两侧传播后，与输电线路波阻抗共同作用产生过电压，当其超过绝缘子闪络电压后，绝缘子发生闪络，电流沿避雷线波阻抗及杆塔波阻抗和接地电阻入地，呈现接地故障特征。目前输电线路绕击特性计算方法有：规程法、经典电气几何模型（EGM）、改进电气几何模型、分形先导发展模型等。

1、规程法

输电线路的雷电绕击公式如下：

式中：a避雷线对边导线的保护角；h杆塔高度；Pa线路雷电绕击率

此方法计算简单且能够满足一般线路的防雷设计要求。但规程法针对特定的地形、地貌、线路构造及雷电活动的分析能力较弱。

2、改进电气几何模型

吸引半径是雷电流幅值和结构物高度的函数，表示为：

式中：H为结构物高度（m）；I为雷电流幅值（KA）

此方法考虑了结构物高度对引雷作用的影响，但没考虑放电随机性和分散性，影响模型的计算精确性。

三、对输电线路雷电过电压的影响

（一）冲击电晕

随着输电线路电压等级提高，冲击电晕带来的影响将越来越严重，会造成雷电过电压波幅值的衰减和波形的畸变，同时使输电导线波阻抗减小，对地电导和对地电容增大等。冲击电晕只与电压瞬时值有关。冲击电晕的伏库特性是指在波传播的过程中，导线的冲击电压瞬时值u与导线上及其周围电晕套内的总电荷q的关系：

是研究和计算波衰减与变形的基础。

（二）工频电压对输电线路雷电过电压的影响

工频电压对输电线路雷电过电压的影响随输电线路电压等级的提高而变大。从绝缘子串闪络的判据来看，正极性的工频电压更容易发生闪络；综合考虑，最大过电压值并不一定出现在工频电压处于负半周时，还与绝缘子串闪络的时刻有关。

四、线路防雷的措施

（一）改变避雷线根数

避雷线是基本防雷措施之一。现行标准中指出110KV以上线路一般应整个都架设避雷线。避雷线可防止雷电冲击直接作用到导线上；将电流分流，使得流经杆塔并到大地，塔顶电位降低；可利用导线之间的耦合作用，减小线路绝缘承受的电压，由此来降低导线上感应过电压。

（二）改变导线的排列

由于导线是雷电过电压波传输的主要通道，导线间的耦合作用使其空间位置影响雷电过电压。雷电流幅值比耐雷水平低时，水平方式排列导线反击过电压比三角方式排列低；绝缘子串被击穿后，水平布置要高一些。但这些变化并不明显，在考虑防雷措施的时候可忽略导线排列方式的影响。不论是采用三角形还是水平布置，绕击过电压随着雷电冲击电流幅值增大而增加。

（三）改变接地电阻

杆塔接地电阻对输电线路耐雷性能有重要影响。绕击时接地电阻值对过电压的影响比反击小。线路的反击耐雷水平与接地电阻成反比。接地电阻的大小对线路遭受雷电反击时产生的过电压有一定的影响。采取措施降低杆塔旳接地电阻可有效降低过电压幅值。接地阻值过大时，雷击时会引起塔顶电位升高，若雷电流较大，可能导致反击发生。

（四）加装线路避雷器

无论是一相、两相还是三相装设线路避雷器后耐雷水平都会提高，但是两相和三相装设避雷器比单相提高的更多。尽管线路避雷器的造价较高，但在很难降低接地电阻的地区，装设避雷器可很好的限制电位，因此建议在易

受雷电侵袭的地区或者地形采用。

参考文献

[1] 梁曦东，姜齐荣，曾嵘，等. 提高超高压交流输电线路的输送能力（一）[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] 刘振亚. 特高压交流输电线路维护与检修[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3] 汪泉弟，张西鹏，朱蕾蕾. 输电线雷击过电压波辐射场模型及数值分析[J].重庆大学学报（自然科学版），2006， 29（9）：24-27.

作者简介：冯烨（1992—），女，河北唐山人，沈阳工业大学电气工程学院2016级电气工程专业硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。