李瑞芳 ，曹曉斌 ，張先怡 ，陳 奎 ，沈佳杰

（1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司，四川 成都 610000；3.德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)有限公司，上海 200122）

0 引言

由于在大容量、遠(yuǎn)距離輸電上具有優(yōu)勢，直流輸電在我國電力系統(tǒng)中廣泛使用，并形成了南方電網(wǎng)、華東電網(wǎng)等交直流混聯(lián)大電網(wǎng)［1-4］。雷擊跳閘是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要原因之一，因此，研究±800kV/500 kV同塔多回交直流混聯(lián)輸電線路反擊耐雷水平具有重要的意義和價(jià)值。

國內(nèi)外在同塔多回輸電線路反擊耐雷水平方面已經(jīng)開展了很多相關(guān)的研究工作［5-15］，如：文獻(xiàn)［8-9］仿真研究了1000 kV/500 kV同塔多回交流線路中相序排列方式、間隙長度等對反擊跳閘率的影響；文獻(xiàn)［10-11］重點(diǎn)分析了1000 kV/500 kV同塔多回交流線路中，500 kV上層橫擔(dān)外側(cè)導(dǎo)線和一側(cè)導(dǎo)線絕緣水平及500 kV相序排列方式對反擊耐雷性能的影響；文獻(xiàn)［12-13］分別分析了500 kV同塔四回線路和220 kV同塔四回輸電線路的反擊耐雷性能；文獻(xiàn)［14-15］對云廣±800 kV和±500 kV三滬Ⅱ回直流輸電線路做了耐雷性能研究。

盡管目前開展了很多工作，但是，專門針對同塔多回交直流混聯(lián)線路的反擊耐雷水平的研究很少，因此，本文以±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路為研究對象，在建立雷電流模型、輸電線路模型、桿塔波阻抗模型、絕緣子閃絡(luò)模型等基礎(chǔ)上，采用PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行仿真分析，討論了桿塔接地電阻、絕緣子片數(shù)、雷電流波形、桿塔高度、避雷器等因素變化時(shí)對耐雷水平造成的影響，重點(diǎn)從分流系數(shù)的角度解釋了接地電阻對耐雷水平影響的原因，著重比較了±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路和500 kV同塔雙回線路、±800 kV直流線路的耐雷水平并分析了原因。

1 桿塔塔型及線路參數(shù)

±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路桿塔尺寸及布置如圖1所示。桿塔總高為77.6 m，呼稱高度32.6 m，避雷線在桿塔的頂端，±800 kV直流線路在避雷線與交流線路之間，500 kV交流輸電線路位于桿塔的下邊2層橫擔(dān)，呈三角形排列。

圖1 桿塔尺寸及布置圖Fig.1 Dimensions and arrangement of tower

±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路中，輸電導(dǎo)線采用4×LGJ630/45型號(hào)，弧垂fc=19 m，取分裂間距d=0.45 m，導(dǎo)線半徑r=0.016875 m，直流電阻取為0.05Ω/km。2根避雷線為水平架設(shè)，采用LBGJ240型號(hào)，弧垂f0=11 m，直徑d0=0.01 m，直流電阻取為0.358 Ω/km。線路檔距為400 m，平均土壤電阻率取為 100 Ω·m。

2 仿真模型

2.1 雷電流波形

很多資料和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均顯示雷擊桿塔時(shí)，流經(jīng)桿塔的雷電流是負(fù)極性的，所以本文仿真中的雷電流波形設(shè)置為 -2.6 /50 μs。

在PSCAD中搭建雷電流模型時(shí)，需搭建一個(gè)雷電通道的等值電路。仿真中用受控雷電流源和波阻抗Z0并聯(lián)組成雷電通道的等值電路，Z0=300 Ω。受控電流源一般表示為雙指數(shù)函數(shù) i=I0（eαt-eβt），其中，I0=1.058，α=-15000，β=-1860000。 采用 PSCAD 元件模型庫中的指數(shù)函數(shù)和加 /減法器構(gòu)成函數(shù)i=I0（eαt-eβt）。

2.2 輸電線路模型

PSCAD/EMTDC中的輸電線路模型有貝杰龍模型（Bergeron model）和頻率相關(guān)模型（frequency dependent model）2 種。

雷擊會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，頻率一旦變化，輸電線路的參數(shù)也會(huì)變化，諧波分量的頻率不同，在線路中通過時(shí)造成的變化也不同。所以本文在仿真中采用頻率相關(guān)模型。

在PSCAD中搭建±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路雷擊模型如圖2所示。

2.3 桿塔模型

本文采用波阻抗模型，計(jì)算垂直導(dǎo)體波阻抗時(shí)，可以將其分成4段分別計(jì)算。每段都分為主體部分和支架部分，并假定每段分布均勻，根據(jù)各部分幾何尺寸可計(jì)算出波阻抗。

主體部分的波阻抗ZTk可以表示為：

其中，rek為第k段的等效半徑；hk為第k段頂端對地面的高度。支架部分波阻抗ZLk為對應(yīng)主體部分波阻抗的 9 倍［16］，即 ZLk=9ZTk（k=1，2，3，4）。

圖2 ±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路雷擊模型Fig.2 Model of lightning strike for ±800 kV/500 kV AC-DC hybrid four-loop lines

電磁波通過多導(dǎo)體系統(tǒng)時(shí)，有無支架會(huì)影響其通過所用的時(shí)間。在有支架時(shí)，所用時(shí)間要多一些。橫桿的波阻抗用式（2）計(jì)算［17］：

其中，rAk為第k段的橫桿的半徑，通常取1/4的橫桿寬度。

根據(jù)以上分析得桿塔的多波阻抗模型如圖3所示，圖中：ZAk（k=1，2，3，4，5）為橫桿波阻抗；ZTk（k=1，2，3，4）、ZLk（k=1，2，3，4）別為桿塔主體和支架波阻抗。由公式計(jì)算的波阻抗值為：ZA1=217.6 Ω，ZA2=231.4 Ω，ZA3=101.5 Ω，ZA4=81.5 Ω，ZA5=195.7 Ω；ZT1=99.8 Ω，ZT2=85.3 Ω，ZT3=63.0 Ω，ZT4=39.1 Ω；ZL1=898.2 Ω，ZL2=768.3 Ω，ZL3=567.8 Ω，ZL4=352.3 Ω。

圖3 桿塔多波阻抗仿真模型Fig.3 Simulation model of multi-wave impedance for tower

2.4 絕緣子閃絡(luò)判據(jù)模型

雷擊塔頂時(shí)，用比較法來判斷絕緣子是否閃絡(luò)：Ut為桿塔最高點(diǎn)電壓，Uc為輸電線電壓，U50%為負(fù)極性50%沖擊放電電壓時(shí)，判定絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。在本文中，交流500 kV絕緣子雷擊閃絡(luò)電壓為2520.645 kV，直流±800 kV絕緣子雷擊閃絡(luò)電壓為4472.11 kV。

在PSCAD中建立絕緣子模型時(shí)，采用PSCAD中的電壓控制開關(guān)元件，開關(guān)設(shè)置為常開狀態(tài)。絕緣子閃絡(luò)模型如圖4所示。圖中，Eal為絕緣子兩端的電壓差；表示取絕對值；BRKal為邏輯輸出。

圖4 絕緣子閃絡(luò)模型Fig.4 Model of insulator flashover

3 反擊耐雷性能的影響因素分析

3.1 ±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路的耐雷水平

基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路雷擊模型，分析了交直流混聯(lián)線路中500 kV交流和±800kV直流線路各自的耐雷水平，結(jié)果如圖5所示。

圖5 500 kV交流線路和±800 kV直流線路的耐雷水平Fig.5 Lightning resistance level of 500 kV AC and±800 kV DC lines

從圖5中可以看出，±800 kV直流線路的反擊耐雷水平超過400 kA，交流500 kV線路的反擊耐雷水平約在150～210 kA，比±800 kV直流線路小得多。所以，交直流混聯(lián)線路中，±800 kV直流線路基本不會(huì)發(fā)生反擊閃絡(luò)。這是因?yàn)楸M管±800 kV線路位于500 kV交流線路上方，因此雷電流經(jīng)過桿塔入地時(shí)，±800 kV線路導(dǎo)線絕緣子上方的電位升要比500 kV線路導(dǎo)線絕緣子上方的電位升高，但是由于±800 kV線路的絕緣強(qiáng)度比500 kV線路高更多，導(dǎo)致±800 kV線路絕緣子兩端的電壓差難以使絕緣子閃絡(luò)。

例如，當(dāng)接地電阻為15 Ω、雷電流為280 kA時(shí)，±800 kV線路絕緣子上端的電位升為4888 kV，絕緣子兩端的電壓差為4888-800=4088（kV），小于閃絡(luò)電壓4472.11 kV，因此不會(huì)閃絡(luò)。同樣的雷電流和接地電阻下，500 kV線路絕緣子上端的電位升為3732kV，絕緣子兩端電壓差為 3723-500=3223（kV），大于閃絡(luò)電壓2 520.645 kV，會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。所以下文中討論±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)線路耐雷水平時(shí)，著重考慮雙回500 kV交流線路的反擊耐雷水平。

3.2 接地電阻對反擊耐雷水平的影響

基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路雷擊模型，分析桿塔接地電阻對耐雷水平的影響。接地電阻變化時(shí)，耐雷水平發(fā)生變化如圖6所示。

圖6 桿塔接地電阻對耐雷水平的影響Fig.6 Effect of tower grounding resistance on lightning resistance level

從圖6中看出，接地電阻增加會(huì)導(dǎo)致輸電線路反擊耐雷水平降低。當(dāng)接地電阻從5 Ω增大至40 Ω時(shí)，線路反擊耐雷水平從218.8 kA降低到151.2 kA，降低了30.1%。當(dāng)接地電阻在20 Ω以下時(shí)，接地電阻的變化對反擊耐雷水平影響較小；當(dāng)接地電阻在20 Ω以上時(shí)，隨著阻值增加，反擊耐雷水平急劇降低。20 Ω的接地電阻成為1個(gè)變化的拐點(diǎn)，這是因?yàn)闂U塔的接地電阻和分流系數(shù)β有著密切的聯(lián)系，桿塔接地電阻越大，分流系數(shù)β越小。當(dāng)接地電阻增大到一定程度時(shí)，分流系數(shù)β會(huì)急劇減小。在本文仿真中，接地電阻大于20 Ω時(shí)，分流系數(shù)β下降較快，由）（其中，R為桿塔接地電阻；L為桿塔的電感；i為流經(jīng)桿塔的電流）可知，桿塔電位會(huì)迅速增加，引起絕緣子兩端的電位差快速增加而閃絡(luò)，線路反擊耐雷水平急劇降低。接地電阻對分流系數(shù)的影響如圖7所示。

圖7 桿塔接地電阻對分流系數(shù)的影響Fig.7 Effect of tower grounding resistance on shunt coefficient

3.3 絕緣子片數(shù)對反擊耐雷水平的影響

基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路雷擊模型，分析了交流500 kV線路安裝不同片數(shù)的絕緣子對耐雷水平的影響。絕緣子片數(shù)變化時(shí)，反擊耐雷水平發(fā)生變化，結(jié)果如圖8所示。

圖8 絕緣子片數(shù)對耐雷水平的影響Fig.8 Effect of insulator piece quantity on lightning resistance level

從圖8中看出，當(dāng)絕緣子從27片增加到31片時(shí)，線路反擊耐雷水平逐漸增加。當(dāng)接地電阻為5 Ω時(shí)，27片絕緣子的反擊耐雷水平是194.9 kA，31片絕緣子的反擊耐雷水平是218.8 kA，增加4片絕緣子后，反擊耐雷水平提高12.3%。在接地電阻為40 Ω時(shí)，27片絕緣子的反擊耐雷水平是135.4 kA，31片絕緣子的反擊耐雷水平是151.2 kA，增加4片絕緣子后，反擊耐雷水平同樣提高了11.7%。不同接地電阻下，增加相同片數(shù)的絕緣子，對反擊耐雷水平的提高效果基本相同。這是因?yàn)榻^緣子串的閃絡(luò)電壓和絕緣子片數(shù)成線性關(guān)系，增加相同片數(shù)的絕緣子時(shí)，閃絡(luò)電壓的變化量相同，耐雷水平變化的百分比也基本相等。

3.4 雷電流波形對反擊耐雷水平的影響

基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路雷擊模型，分析雷電流波形對反擊耐雷水平的影響。雷電流波形變化時(shí)，反擊耐雷水平發(fā)生變化，如圖9所示。

圖9 雷電流波形對耐雷水平的影響Fig.9 Effect of lightning waveform on lightning resistance level

從圖9中看出，在相同桿塔沖擊接地電阻下，-2.6/50 μs雷電流波形作用下的線路反擊耐雷水平，明顯高于-1.2/50 μs雷電流波形作用下的線路反擊耐雷水平。在接地電阻為5 Ω時(shí)，-1.2/50 μs雷電流波形下的反擊耐雷水平為196.3 kA，比在-2.6/50 μs雷電流波形下的反擊耐雷水平218.8 kA低10.3%；在接地電阻為 40 Ω 時(shí)，-1.2 /50 μs雷電流波形下的反擊耐雷水平為129.2 kA，比在-2.6/50 μs雷電流波形下的反擊耐雷水平151.2 kA低14.6%。這主要是由于雷電流的波頭時(shí)間越短，其高頻分量能量越高，桿塔的沖擊響應(yīng)電壓越大，從而降低了線路的反擊耐雷水平。由此可見，我國防雷設(shè)計(jì)中雷擊塔頂時(shí)線路反擊耐雷水平的估計(jì)過于保守。

3.5 桿塔高度對反擊耐雷水平的影響

基于±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)四回輸電線路雷擊模型，分析桿塔高度對反擊耐雷水平的影響。桿塔高度變化時(shí)，反擊耐雷水平變化結(jié)果如圖10所示。

圖10 桿塔高度對耐雷水平的影響Fig.10 Effect of tower height on lightning resistance level

從圖10中看出，桿塔高度增加會(huì)引起反擊耐雷水平下降。當(dāng)接地電阻等于5 Ω時(shí)，77.6 m高的桿塔的反擊耐雷水平是218.8 kA，85.6 m高的桿塔的反擊耐雷水平是195.5 kA，降低了10.6%；當(dāng)接地電阻等于40 Ω時(shí)，77.6 m高的桿塔的反擊耐雷水平是151.2 kA，85.6 m高的桿塔的反擊耐雷水平是132.8 kA，降低了12.2%；這是因?yàn)槔纂娏鲝臈U塔流入大地時(shí)，塔頂會(huì)有一電壓分量，電壓的大小與雷電流在桿塔中的傳播時(shí)間有關(guān)，增大桿塔的高度，使雷電流在桿塔中的傳播時(shí)間增加，塔頂?shù)碾娢簧?，?dǎo)致耐雷水平降低。

3.6 500 kV交流線路安裝避雷器時(shí)的反擊耐雷水平

避雷器模型利用PSCAD中的金屬氧化物避雷器 MOSA（Metal Oxide Surge Arrester）來模擬，參數(shù)根據(jù)伏安特性曲線圖設(shè)置。圖11為避雷器的伏安特性曲線圖。

圖11 避雷器伏安特性曲線圖Fig.11 Volt-ampere characteristics of lightning arrester

仿真中在未安裝避雷器時(shí)，500 kV交流回路會(huì)發(fā)生絕緣子閃絡(luò)，所以分3種情況來研究避雷器對耐雷水平的影響：在500 kV交流回路的A相安裝1個(gè)避雷器，在A、B相各安裝1個(gè)避雷器，在A、B、C相各安裝1個(gè)避雷器。仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，當(dāng)接地電阻等于5 Ω時(shí)，未安裝避雷器時(shí)的反擊耐雷水平為218.8 kA，在A相安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為229.0 kA，比未安裝時(shí)提高了4.6%；在A、B相各安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為232.3 kA，比未安裝時(shí)提高了6.2%；在A、B、C相各安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為426.8 kA，相比未安裝時(shí)提高了95.1%。當(dāng)接地電阻為40 Ω時(shí)，未安裝避雷器的反擊耐雷水平為151.2 kA，在A相安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為157.7 kA，相比未安裝時(shí)提高了4.3%；在A、B相各安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為159.5 kA，相比未安裝時(shí)提高了5.5%；在A、B、C相各安裝1個(gè)避雷器的反擊耐雷水平為185.8 kA，相比未安裝時(shí)提高了22.9%。由此可見，在A相安裝1個(gè)避雷器和在A、B相各安裝1個(gè)避雷器起到的防雷效果相近，而在A、B、C相各安裝1個(gè)避雷器能起到很好的防雷效果。

圖12 避雷器對耐雷水平的影響Fig.12 Effect of lightning arrester on lightning resistance level

4 反擊耐雷性能與500 kV同塔雙回線路、±800 kV直流線路耐雷性能的比較

±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路的±800 kV直流回路與一般的±800 kV直流線路反擊耐雷水平的仿真結(jié)果見圖13。

圖13 交直流混聯(lián)中±800 kV直流線路與單回直流線路的耐雷水平比較Fig.13 Comparison of lightning resistance level between±800 kV DC line of±800 kV/500 kV AC-DC hybrid transmission lines and single-loop DC line

從圖13中可以看出，±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路的±800 kV直流回路的反擊耐雷水平比常規(guī)單回±800 kV直流線路反擊耐雷水平高。這是因?yàn)閷τ诮恢绷骰炻?lián)線路，由于±800 kV直流線路的設(shè)計(jì)絕緣強(qiáng)度比500 kV交流線路絕緣強(qiáng)度大得多，當(dāng)桿塔受到雷擊時(shí)，500 kV交流線路先發(fā)生閃絡(luò)，幾乎所有的雷電流都沿著500 kV交流導(dǎo)線和桿塔流入大地，使得雙回500 kV交流線路起到類似線路避雷器的作用，對±800 kV直流回路起到很好的保護(hù)作用。而普通的±800 kV線路則沒有這樣的保護(hù)，所以反擊耐雷水平會(huì)低得多。

±800kV/500kV交直流混聯(lián)輸電線路的500kV交流回路與常規(guī)500 kV交流同塔雙回路單回反擊耐雷水平的仿真結(jié)果見圖14。

圖14 交直流混聯(lián)輸電線路500 kV回路與常規(guī)500 kV交流回路耐雷水平對比Fig.14 Comparison of lightning resistance level between 500 kV AC line of ±800 kV/500 kV AC-DC hybrid transmission lines and general 500 kV AC line

從圖15中可以看出，±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路的500 kV交流回路反擊耐雷水平比一般500 kV同塔雙回交流線路略高一些。這是因?yàn)榻恢绷骰炻?lián)線路與單獨(dú)的同塔雙回線路比較，相當(dāng)于增加了2條線路，因而增加了整體線路的對地電容，使得避雷線的波阻抗降低，增加了避雷線上的雷電流分流，從而使桿塔的入地電流減小，反擊耐雷水平提高。雖然這個(gè)作用在與單獨(dú)±800 kV線路比較的解釋中同樣適用，但是由于500 kV線路先閃絡(luò)導(dǎo)致的雷電流泄放作用比這個(gè)大得多，因此可以忽略這個(gè)因素。

5 結(jié)論

本文研究了±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路反擊耐雷水平的影響因素，并分別與±800 kV直流線路和500 kV交流線路進(jìn)行了比較分析，主要結(jié)論如下。

a.在±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)線路中，盡管800 kV線路位于500 kV交流線路上方，導(dǎo)線絕緣子上方的電位升高于500 kV線路導(dǎo)線絕緣子的電位升，但是由于±800 kV線路的絕緣強(qiáng)度高，反擊耐雷水平是500 kV線路的2倍以上，因此，考慮反擊耐雷水平時(shí)，主要考慮500 kV線路部分即可。

b.桿塔的接地電阻增加時(shí)，±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路反擊耐雷水平降低，反擊耐雷水平出現(xiàn)急劇下降時(shí)對應(yīng)的接地電阻是20 Ω。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是分流系數(shù)的顯著下降。

c.±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路中，當(dāng)桿塔受到雷擊時(shí)，500 kV交流線路先發(fā)生閃絡(luò)，幾乎所有的雷電流都沿著500 kV交流導(dǎo)線和桿塔流入大地，使得雙回500 kV交流線路起到類似線路避雷器的分流作用，±800 kV直流回路起到很好的保護(hù)作用。而普通的±800 kV線路則沒有這樣的保護(hù)，所以±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路反擊耐雷水平高于普通的±800 kV線路。

d.±800 kV/500 kV交直流混聯(lián)輸電線路中，500 kV交流線路反擊耐雷水平與一般500 kV同塔雙回交流線路相比略高。交直流混聯(lián)線路與單獨(dú)的同塔雙回線路相比增加了2條線路，整體線路的對地電容增加，線路的波阻抗降低，雷電流分流增加，從而使桿塔的入地電流減小，反擊耐雷水平提高。