考虑后续雷击的高压架空输电线路雷电过电压研究

贾培跃

（宁夏送变电工程有限公司，宁夏 银川 750000）

0 引 言

近年来，由于雷击灾害引起的输电线路跳闸、短路等故障频发，已经严重影响到电力系统的正常运营。结合多重雷击理论原理，雷云放电实质是一种长时间的气体放电，即电晕在雷云底部发生，产生对流柱，随着气温不断上升，雷云在云层中不断聚集形成先导，先导逐渐扩大最终形成雷电通道。传统观点认为，雷击对地表目标的影响主要来自地表物质的上行先导，上、下行先导在相遇的某一时刻会瞬间呈现雷云放电现象，即首次雷击，同时伴随后续多次雷击的可能[1]。

结合多重雷击发生原理来看，多重雷击大多存在2 个及以上多个落点。一般来讲，线路中同一点受到多次雷击的概率极小，但并非完全没有，由于多重雷击发生概率多呈现线性分布，在实际情况下，极有可能发生多个输电线路落点多重雷击情况。为此，在高压架空输电线路保护设计中应充分考虑后续雷击情况。基于此，文章特开展考虑后续雷击的高压架空输电线路雷电过电压研究，以期为高压架空输电线路保护设计提供参考。

1 计算模型及参数设计

1.1 雷电流模型及参数

雷电流模型中的主要参数包括波前时间Tf、波长时间Tt、雷电流幅值Im等。在雷击作用下，输电线衰减到稳态所需的时间为1 ms，明显小于后续雷击发生的时间间隔60 ms，为此可一次只施加一次雷击，且三重及以上雷击规律与首次雷击和第二次雷击规律完全一致。文章在研究中仅考虑2 种情况，即首次雷击、二次雷击。雷电流表达主要借助双指数函数，具体表达式为

式中：K为雷电流幅值修整后的系数；Im为雷电流峰数值；α为波前衰减系数；β为波尾衰减系数。

以相关国家标准作为雷电量的参照标准，分别将首次雷击与后续雷击2 项指标的参量指数设为10/350 µs 和0.25/100 µs。基于后续雷击电流强度高这一特点，本次研究将雷电流幅值设定为100 kA，将后续雷击的雷电流幅值设定为40 kA。

1.2 杆塔模型

基于电磁暂态稳定原理，所构建的模型应伴随频率范围的变化而变化。网络国际大电网委员会（Network International Large Power Grid Committee，GIGRE）中提及暂时过电压、缓波前过电压、快波前过电压、特快波过电压4 个领域[2]。以往对高压输电线过电压的研究可忽略杆塔对过电压的影响，然而在开展雷电流频率研究时，必须考虑雷电通过杆塔传输所产生的过电压效应。因此，需要建立杆塔数学模型，设计220 kV 同塔双回输电线路杆塔。为更好地表现塔形，将杆塔细分为3 个部分，即主材、斜材、横担，并采用无损线条来描述。

1.3 绝缘子闪络模型

在对输电线路进行雷电灾害研究时，必须充分考虑到绝缘子的闪络特性。常用绝缘子的闪络特性分析方法包括规程法、先导法、交叉法3 种。实践证明，应用规范法得到的预测值与实测值相差甚远；先导法的设定参数较为烦琐，存在较大误差；而应用交叉法得到的数值与实际数值差异较小[3]。

1.4 输电线参数

220 kV 同塔并回线采用LGJ-300/40 型钢芯铝合金绞线，其分束间隔为40 cm，采用GJ-35 钢绞线作为架空地线，输电线参数如表1 所示。

表1 输电线参数

2 仿真结果分析

在建立电磁暂态程序（Electromagnetic Transient Program，EMTP）的电磁暂态模拟模型时，将土壤电阻率设为500 Ω/m，导线长5 km，并将杆塔接地电阻设为10 Ω。对输电线路进行电磁暂态仿真，在分析220 kV 架空线路雷电作用机理的基础上，计算杆塔中部、顶部以及底部线路的过电压。过电压值越大相应的危害越大，因此文章仅计算了过电压最大一相输电线路的电压值。

2.1 绕击雷电过电压

为了更好地了解首次雷击和后续雷击绕击后的过电压数值，本研究对首次雷击和后续雷击绕击后的过电压进行计算，具体结果如图1 和图2 所示。

图1 首次雷击后输电线路的过电压

图2 后续雷击后输电线路的过电压

由图1 可知，首次雷击后，高压输电线将发生过电压，第一次雷击后1 ms 内的过电压峰值为2.18 MV，随后逐渐下降，0.3 ms后逐渐恢复到稳定状态。由图2 可知，曲线会随着数值的改变而发生微小的变化，证明过电压的数值和曲线并不会因为是首次雷击还是后续雷击而发生明显改变。后续雷击5 ms 后过电压达到峰值2.51 MV，随后过电压值呈现震荡衰减趋势，约0.15 ms 后输电线路过电压值逐步回到稳态数值。可见，后续雷击输电线路上所产生的雷电流幅值明显低于首次雷击，降低幅度约为首次的60%左右，但是后续损害后的过电压数值明显高于首次雷击。后续雷击输电线路的过电压上升时间大致为首次雷击的1/2，后续雷击损害结果要比首次雷击更为严重[4]。

2.2 雷电反击时输电线路过电压

2.2.1 雷击杆塔顶部时输电线路过电压

杆塔和避雷线都是主要雷击目标，受到雷击后会导致高压架空输电线路产生过电压。雷击杆塔塔顶时，可得到如图3、4 所示的过电压变化趋势。

图3 首次雷击杆塔顶后输电线路的过电压

由图3 可知，首次雷击后，架于杆塔顶部的输电线路会在该过程产生持续性的过电压，首次雷击5.5 ms 后过电压达到峰值1.55 MV，随后过电压值呈现震荡衰减趋势，约0.5 ms 后输电线路过电压值逐步回到稳态数值。由图4 可知，高压架空输电线路杆塔顶在遭受后续雷击3.1 ms 后过电压达到峰值0.78 MV，随后过电压值呈现震荡衰减趋势，约0.35 ms 后输电线路过电压值逐步回到稳态数值。比较首次雷击、后续雷击杆塔顶后输电线路过电压数值可知，后续雷击杆塔顶后输电线路过电压显著低于首次雷击，首次雷击过电压的衰减过程中，冲击频率显著大于后续雷击，但是当过电压达到最大值时，后续雷击过电压到达最大值的时刻间隔较首次雷击更短。综合以上各种原因，首次雷击对高压架空输电线造成的破坏要远大于后续雷击造成的破坏[5]。

图4 后续雷击杆塔顶后输电线路的过电压

2.2.2 雷击避雷线时输电线路过电压

当雷击避雷线时，可得到如图5 和图6 所示的过电压变化趋势。

图5 首次雷击避雷线后输电线路的过电压

图6 后续雷击避雷线后输电线路的过电压

由图5 可知，高压架空输电线路避雷线在遭受首次雷击后，线路上会产生过电压，首次雷击5.2 ms后过电压达到峰值-1.50 MV，随后过电压值呈现震荡衰减趋势，约0.5 ms 后输电线路过电压值逐步回到稳态数值。由图6 可知，高压架空输电线路避雷线在遭受后续雷击后过电压峰值可达0.41 MV，过电压峰值为正常工作状态下过电压数值的1.32 倍。从震荡衰减曲线的变化可以看出，直至最后，波形也未触及0 点，证明全过程的工作状态下，始终存在震荡现象。该结果说明了后续雷击对输电线路避雷线的影响要相较于电压要更小，但并不会引起严重的线路故障。

3 结 论

结合文章研究可得到以下结论，基于反击条件，首次雷击较后续雷击对于高压架空输电线路的破坏性更大。但基于绕击条件，后续雷击对于高压架空输电线路正常运行过程中的影响更大。因此，在对高压架空输电线路进行保护相关的设计时需要将后续雷击作为关键性因素进行合理规划，希望通过该研究为高压架空输电线路保护设计提供借鉴。