±800 kV /500 kV交直流混聯輸電線路反擊耐雷水平

李瑞芳 ，曹曉斌 ，張先怡 ，陳 奎 ，沈佳杰

（1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；2.四川電力設計咨詢有限公司，四川 成都 610000；3.德州儀器半導體技術有限公司，上海 200122）

0 引言

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

國內外在同塔多回輸電線路反擊耐雷水平方面已經開展了很多相關的研究工作［5-15］，如：文獻［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［10-11］重點分析了1000 kV/500 kV同塔多回交流線路中，500 kV上層橫擔外側導線和一側導線絕緣水平及500 kV相序排列方式對反擊耐雷性能的影響；文獻［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［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、絕緣子閃絡模型等基礎上，采用PSCAD/EMTDC軟件進行仿真分析，討論了桿塔接地電阻、絕緣子片數、雷電流波形、桿塔高度、避雷器等因素變化時對耐雷水平造成的影響，重點從分流系數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

±800 kV/500 kV交直流混聯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，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交直流混聯四回輸電線路中，輸電導線采用4×LGJ630/45型號，弧垂fc=19 m，取分裂間距d=0.45 m，導線半徑r=0.016875 m，直流電阻取為0.05Ω/km。2根避雷線為水平架設，采用LBGJ240型號，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

很多資料和運行經驗均顯示雷擊桿塔時，流經桿塔的雷電流是負極性的，所以本文仿真中的雷電流波形設置為 -2.6 /50 μs。

在PSCAD中搭建雷電流模型時，需搭建一個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函數 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函數和加 /減法器構成函數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）和頻率相關模型（frequency dependent model）2 種。

雷擊會產生大量的高次諧波，頻率一旦變化，輸電線路的參數也會變化，諧波分量的頻率不同，在線路中通過時造成的變化也不同。所以本文在仿真中采用頻率相關模型。

在PSCAD中搭建±800 kV/500 kV交直流混聯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，計算垂直導體波阻抗時，可以將其分成4段分別計算。每段都分為主體部分和支架部分，并假定每段分布均勻，根據各部分幾何尺寸可計算出波阻抗。

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

電磁波通過多導體系統時，有無支架會影響其通過所用的時間。在有支架時，所用時間要多一些。橫桿的波阻抗用式（2）計算［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 絕緣子閃絡判據模型

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

在PSCAD中建立絕緣子模型時，采用PSCAD中的電壓控制開關元件，開關設置為常開狀態。絕緣子閃絡模型如圖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交直流混聯四回輸電線路的耐雷水平

基于±800 kV/500 kV交直流混聯四回輸電線路雷擊模型，分析了交直流混聯線路中500 kV交流和±800kV直流線路各自的耐雷水平，結果如圖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，交直流混聯線路中，±800 kV直流線路基本不會發生反擊閃絡。這是因為盡管±800 kV線路位于500 kV交流線路上方，因此雷電流經過桿塔入地時，±800 kV線路導線絕緣子上方的電位升要比500 kV線路導線絕緣子上方的電位升高，但是由于±800 kV線路的絕緣強度比500 kV線路高更多，導致±800 kV線路絕緣子兩端的電壓差難以使絕緣子閃絡。

例如，當接地電阻為15 Ω、雷電流為280 kA時，±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），小于閃絡電壓4472.11 kV，因此不會閃絡。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），大于閃絡電壓2 520.645 kV，會發生閃絡。所以下文中討論±800 kV/500 kV交直流混聯線路耐雷水平時，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，耐雷水平發生變化如圖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，接地電阻增加會導致輸電線路反擊耐雷水平降低。當接地電阻從5 Ω增大至40 Ω時，線路反擊耐雷水平從218.8 kA降低到151.2 kA，降低了30.1%。當接地電阻在20 Ω以下時，接地電阻的變化對反擊耐雷水平影響較??；當接地電阻在20 Ω以上時，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個變化的拐點，這是因為桿塔的接地電阻和分流系數β有著密切的聯系，桿塔接地電阻越大，分流系數β越小。當接地電阻增大到一定程度時，分流系數β會急劇減小。在本文仿真中，接地電阻大于20 Ω時，分流系數β下降較快，由）（其中，R為桿塔接地電阻；L為桿塔的電感；i為流經桿塔的電流）可知，桿塔電位會迅速增加，引起絕緣子兩端的電位差快速增加而閃絡，線路反擊耐雷水平急劇降低。接地電阻對分流系數的影響如圖7所示。

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

3.3 絕緣子片數對反擊耐雷水平的影響

基于±800 kV/500 kV交直流混聯四回輸電線路雷擊模型，分析了交流500 kV線路安裝不同片數的絕緣子對耐雷水平的影響。絕緣子片數變化時，反擊耐雷水平發生變化，結果如圖8所示。

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

從圖8中看出，當絕緣子從27片增加到31片時，線路反擊耐雷水平逐漸增加。當接地電阻為5 Ω時，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，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，增加相同片數的絕緣子，對反擊耐雷水平的提高效果基本相同。這是因為絕緣子串的閃絡電壓和絕緣子片數成線性關系，增加相同片數的絕緣子時，閃絡電壓的變化量相同，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，反擊耐雷水平發生變化，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，-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，-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間越短，其高頻分量能量越高，桿塔的沖擊響應電壓越大，從而降低了線路的反擊耐雷水平。由此可見，我國防雷設計中雷擊塔頂時線路反擊耐雷水平的估計過于保守。

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，反擊耐雷水平變化結果如圖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，桿塔高度增加會引起反擊耐雷水平下降。當接地電阻等于5 Ω時，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%；當接地電阻等于40 Ω時，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%；這是因為雷電流從桿塔流入大地時，塔頂會有一電壓分量，電壓的大小與雷電流在桿塔中的傳播時間有關，增大桿塔的高度，使雷電流在桿塔中的傳播時間增加，塔頂的電位升高，導致耐雷水平降低。

3.6 500 kV交流線路安裝避雷器時的反擊耐雷水平

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，參數根據伏安特性曲線圖設置。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，500 kV交流回路會發生絕緣子閃絡，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個避雷器，在A、B相各安裝1個避雷器，在A、B、C相各安裝1個避雷器。仿真結果如圖12所示。

由圖12可知，當接地電阻等于5 Ω時，未安裝避雷器時的反擊耐雷水平為218.8 kA，在A相安裝1個避雷器的反擊耐雷水平為229.0 kA，比未安裝時提高了4.6%；在A、B相各安裝1個避雷器的反擊耐雷水平為232.3 kA，比未安裝時提高了6.2%；在A、B、C相各安裝1個避雷器的反擊耐雷水平為426.8 kA，相比未安裝時提高了95.1%。當接地電阻為40 Ω時，未安裝避雷器的反擊耐雷水平為151.2 kA，在A相安裝1個避雷器的反擊耐雷水平為157.7 kA，相比未安裝時提高了4.3%；在A、B相各安裝1個避雷器的反擊耐雷水平為159.5 kA，相比未安裝時提高了5.5%；在A、B、C相各安裝1個避雷器的反擊耐雷水平為185.8 kA，相比未安裝時提高了22.9%。由此可見，在A相安裝1個避雷器和在A、B相各安裝1個避雷器起到的防雷效果相近，而在A、B、C相各安裝1個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果見圖13。

圖13 交直流混聯中±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交直流混聯輸電線路的±800 kV直流回路的反擊耐雷水平比常規單回±800 kV直流線路反擊耐雷水平高。這是因為對于交直流混聯線路，由于±800 kV直流線路的設計絕緣強度比500 kV交流線路絕緣強度大得多，當桿塔受到雷擊時，500 kV交流線路先發生閃絡，幾乎所有的雷電流都沿著500 kV交流導線和桿塔流入大地，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作用。而普通的±800 kV線路則沒有這樣的保護，所以反擊耐雷水平會低得多。

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

圖14 交直流混聯輸電線路500 kV回路與常規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。這是因為交直流混聯線路與單獨的同塔雙回線路比較，相當于增加了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。雖然這個作用在與單獨±800 kV線路比較的解釋中同樣適用，但是由于500 kV線路先閃絡導致的雷電流泄放作用比這個大得多，因此可以忽略這個因素。

5 結論

本文研究了±800 kV/500 kV交直流混聯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交流線路進行了比較分析，主要結論如下。

a.在±800 kV/500 kV交直流混聯線路中，盡管800 kV線路位于500 kV交流線路上方，導線絕緣子上方的電位升高于500 kV線路導線絕緣子的電位升，但是由于±800 kV線路的絕緣強度高，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，主要考慮500 kV線路部分即可。

b.桿塔的接地電阻增加時，±800 kV/500 kV交直流混聯輸電線路反擊耐雷水平降低，反擊耐雷水平出現急劇下降時對應的接地電阻是20 Ω。這種現象產生的主要原因是分流系數的顯著下降。

c.±800 kV/500 kV交直流混聯輸電線路中，當桿塔受到雷擊時，500 kV交流線路先發生閃絡，幾乎所有的雷電流都沿著500 kV交流導線和桿塔流入大地，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作用。而普通的±800 kV線路則沒有這樣的保護，所以±800 kV/500 kV交直流混聯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。交直流混聯線路與單獨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。