工频电压对220 kV同塔双回输电线路雷击闪络特性的影响

邱建江

（广东电网有限责任公司肇庆供电局， 广东 肇庆 526060）

引言

雷击是造成输电线路跳闸的首要原因，是各类外因之首[1-3]。随着电网输电规模不断递增，对线路走廊用地提出了更高的需求，为解决日益紧张的线路用地难题，同塔双回甚至多回线路已广泛运用于输电网络中[4-6]。然而同塔多回线路平行传输线之间的耦合效应较强，且雷击时刻各相导线几乎同时承受雷电过电压作用，极容易产生多相甚至是多回同跳的严重事故，造成线路大量有功功率损失，给电网带来严重冲击[7-9]。

相关研究及应用表明，工频电压对同塔多回线路雷击闪络特性具有较大影响，然而目前我国输电线路雷击防护计算与改造相关研究或是工程应用里较少考虑工频运行电压的影响，计算得到的耐雷水平与真实情况存在较大差异，难以解释实际运行中出现的异常雷击闪络跳闸情况。目前美、日等国在防雷计算里已将工频电压对雷击闪络特性的影响考虑进去，我国规程却未考虑此因素，存在不合理性。

分析工频电压对同塔多回输电线路雷击闪络特性对于掌握雷击过电压分布特征、多相或多回同跳形成机理以及制定针对性的防范措施具有重要意义。本文以一条220 kV对称同塔双回输电线路为研究对象，分析了雷击过电压分布、不同电源相角下雷击闪络次序，以期为220 kV同塔双回线路防雷带来一定的指导意义。

1 模型建立

1.1 杆塔模型

式（1）为输电线路铁塔主干位置的波阻抗求解方法。该式采用了对称分布的多导体波阻抗大小的求解原理。

式中，rek为输电杆塔主干部分的等值半径，m；hk为输电杆塔主干半径，m。

上述式（1）对于计算圆柱状钢管结构构成的铁塔具有较好的适用性，而对于典型的角钢结构，则需要将式中rTk替换为角钢宽度的一半进行计算。

已有研究者对杆塔多波阻抗计算方法进行了分析，并对杆塔是否包含支架两种结构进行了试验与测量。研究结果表明，当主干上增加支架后，波阻抗相比于之前降低了10%左右。因此模型分析中计及杆塔支架的影响，将支架并联到主干部分，并将其波阻抗设置为主干部分的9倍，即：

根据上述多波阻抗计算原理，选用了220 kV KII-SZC2杆塔作为研究对象，其结构图及多波阻抗模型如下页图1所示。

1.2 雷电流模型

实测雷电流波形种类较多，防雷应用中普遍采用典型的2.6/50 μs雷电流作为雷电流源，本文也采用此电流源作为激励。

1.3 绝缘子闪络模型

图1 220 kVKII-SZC2杆塔结构图及多波阻抗模型（mm）

先导法考虑了长空气间隙放电过程，与实际雷击绝缘子闪络过程较为一致。本文采用先导法作为绝缘子闪络的判别方法，其中先导发展速度如式（3）所示，该公式由CIGRE WG33.01所推荐，目前被广泛采用。

式中：L为已发展的先导长度，m；u（t）为绝缘子耐受的瞬时电压值，kV；D为绝缘子高低压端间隙长度，m；E0为先导起始场强，kV/m；k为一经验系数，m2/（s·kV2）。

2 仿真结果与分析

2.1 雷击过程各相绝缘子电压分布特征

为简化分析，不考虑工频电压的影响，施加雷电流幅值为70 kA，接地电阻保持25 Ω不变，计算结果如图2～图5所示。

注：V:A1-#1回A相导线电压；V:AT1-#1回A相绝缘子悬挂点所的在横担处电压；V:A1-AT1-#1回A相绝缘子承担电压。其它相别定义与此类似。

图2 横担电位图

图3 三相绝缘子电压

图4 A相绝缘子电压对比图

图5 三相导线感应电压

从图2—图5可得到如下基本规律。

1）由于1号回与2号回线路完全对称，因此相同相别下两回导线电压、横担电位、绝缘子承受电压分别相等，波形特征保持完全一致，理论上雷击作用时刻，相同相别应同时闪络。

2）沿塔顶向下，杆塔横担电位绝对值逐渐降低（图 2），A、B、C三相横担电位绝对值依次为1.57、1.42、1.39 MV。这是因杆塔接地电阻反射波的抑制作用所致，越远离接地电阻，抑制效应越不明显，因此上相横担电位绝对值总是高于下相。

3）尽管上相横担电位高，但上相导线与避雷线距离小，强耦合作用会显著削弱绝缘子端电压，使得A、B、C三相绝缘子电压呈升高趋势。

2.2 不考虑工频电压下雷击闪络过程

不断增大电流，不同雷电流作用下闪络特性计算结果如图6、下页图7所示。

逐渐增加雷电流幅值，首先C相闪络，且两回C相同闪。雷电流从75 kA增加1 kA后，造成双回B相同闪，进一步增加至80 kA后，所有相别均闪络，这与2.1过电压分布特性规律一致。可看出由于相间距离较近，雷电反击时各相绝缘子电压水平相近，因此极容易发生同跳事故。

图6 不同幅值雷电流作用下绝缘子电流

2.3 工频电压时雷击闪络次序

工频电压瞬时值与相角有关，根据三相工频电源时变规律，当相角α依次取30°、90°、150°、210°、270°、330°时，不同相之间电压差可达到最大值311.2 kV。不同相角下雷击闪络次序见图8。

从图8可看出，不同相角下雷击闪络次序存在显著差异。由于工频电压在绝缘子两端耐受总电压中占据了显著的比例，因此对雷击闪络次序影响较大，在瞬时工频电压影响下，任意一相绝缘子均有可能先发生闪络。

图7 不同幅值雷电流作用下绝缘子闪络次序

3 结论

1）由于杆塔的对称性，在不考虑工频电压作用下，左右两回相同相别耐受电压一致，总是同时闪络。

2）雷击作用时，横担电位从上往下依次降低，但A相导线与避雷线距离小，耦合作用较大，在导线上产生同极性感应电压，使得绝缘子耐受电压降低，综合因素使得A、B、C三相雷击过电压依次增加。因此不考虑工频电压影响下，C相最容易闪络，B相次之，A相相对较难闪络。

3）电源相角对不同雷电流下闪络相别影响显著，由于工频电压的叠加作用，任何相别均有可能最先发生闪络。

图8 不同相角下雷击闪络次序