500 kV線路桿塔雷電沖擊全波電磁暫態特性研究

甘 艷，姚 勇，張 昌，陳 柔，黃瑞瑩

（1.華中電網有限公司，武漢 430077；2.武漢大學電氣工程學院，武漢 430072）

0 引言

雷擊電路桿塔放電過程是一個極為復雜的電磁過程，在地形復雜、多雷、土壤電阻率高的地區，雷擊輸電線路活動頻繁，嚴重影響電網運行安全[1]。采用電磁場數值計算方法對輸電線路、桿塔、接地極（或地網）進行統一建模分析是防雷技術研究發展的方向，同時，現代試驗技術、計算機技術、電磁場計算理論的發展也為這一研究方向提供了保障。近幾十年來，國內外在這方面做了大量的研究計算，取得了豐碩的研究成果[2-7]。

在早期建立模擬雷擊的桿塔仿真模型中，通常采用等效電感來模擬桿塔，忽略桿塔上的波過程[8]。我國規程[9]給出了不同結構桿塔單位長度的電感值。將桿塔視為等值電感，桿塔上任意點的電位相同，不能完全反映雷擊塔頂時雷電流在桿塔上的傳播過程以及反射波對桿塔各節點電位的影響。隨著電壓等級[10]的不斷提高，采用集中電感模擬桿塔的防雷性能的弊端越來越明顯，計算結果也往往過于保守，造成線路建設投資過大。

在輸電線路遭受雷擊時，雷電流一部分從桿塔頂端流至底端，然后經過接地體裝置向土壤散流，另一部分經過避雷線流向其他輸電桿塔[11-12]。因此，塔頂過電壓不僅受到桿塔自身電阻和沖擊接地電阻的影響，還受到避雷線分流的影響，所以線路中避雷器也對雷擊桿塔有所影響[13]。分析輸電線路桿塔和接地裝置的雷擊沖擊特性的前提是建立可靠的分析模型[14]，這些模型都把外形和桿件復雜的桿塔，簡化為等效圓柱或圓錐體等有規則的外形，并忽略了雷電流通過桿塔時產生的波形畸變和波速降低等因素的影響。此外，大地土壤電阻的存在，使得零電位并非在地面，但在理論計算中往往把地表面假設成零電位，計算結果也存在很大誤差[15]。

因此，建立符合工程實際的輸電線路、桿塔、接地極（或接地網）數學模型是輸電線路防雷技術理論研究的基礎?；谝陨戏治?，本文通過CDEGS建立典型的輸電線路-桿塔-接地極一體化計算模型，并從雷電沖擊全波的觀點對輸電線路在雷電沖擊下的電磁暫態特性進行深入研究，并分析不同土壤電阻率、雷電流參數時對桿塔電磁暫態特性的影響。

1 模型建立

選取典型500 kV酒杯型桿塔，桿塔型號為ZVB21b[16-17]。建立復雜精細模型，由于精細模型的計算量太大，必須要考慮模型的簡化，由計算分析確定模型的簡化程度，使其在保證準確度的同時減小計算量，加快計算速度。

1.1 模型簡化

本文選用在CDEGS軟件中的HIFREQ模塊建立桿塔模型，因為HIFREQ模塊中，適合計算細線模型，因此，把桿塔塔身的各類鋼導體看作細線結構，各組成部分看作理想導體，由水平鋼導體-橫元，垂直鋼導體-豎元，帶有傾斜角度鋼導體-斜元等細線元組合而成。通過ANSYS仿真可知，由于電荷的集膚效應，電流沿導體外表面流動，周長等效法的準確度更高，因此采用周長等效法，將桿塔塔身尺寸為50 mm×50 mm×70 mm角鋼等效為15 mm圓柱形導體。接地裝置采用方框帶射線形式，6 m×6 m的方框和14.14 m射線均采用半徑為7 mm的鋼導體組成，并埋于地下0.8 m處。

將ZVB21b型酒杯模型分別在精細復雜模型基礎上分別刪去橫元、斜元以及豎元，得到圖1所示的4種簡化模型。

圖1 不同簡化模型圖Fig.1 Difference simplified model

桿塔容易在塔頂處或避雷線上遭受雷擊，在模型塔頂處加一段短導體作為注流點，因為這段導體的長度非常短，對計算結果不會造成影響，在注流點即塔頂處加上幅值為50 kA的雷電流，波前時間和半波時間為2.6μs和50μs，土壤電阻率選用2000Ω·m，對4種簡化模型進行計算，本文暫不考慮火花效應，計算結束后分別選取4種模型塔頂注流點、橫擔以及塔腳4根引下線中一根導體電壓值，其導體段的選取位置示例見圖2，將4種模型計算數值進行比較。

仿真計算的橫擔、注流點以及引下線電壓值見表1。計算可看出，刪除橫元之后，模型橫擔上的電位與精細模型橫擔上電位值最大僅相差0.7 kV，差值僅為0.022%，同時注流點和引下線上的電位差值最大也僅為0.024%左右。因此，可以認為橫元對模型計算值影響不大，可以將橫元在模型中略去。刪除豎元之后的橫擔上電位與精細模型最大差值僅為0.66%，其余注流點和引下線的差值也在0.039%以內，因此可以認為豎元影響也不大。但是刪除斜元之后的模型橫擔電位最大差值達到8.22%，注流點的點位差值也達到了13.22%，誤差較大，因此要盡量避免簡化斜元。

圖2 選取導體位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of conductor position

表1 不同模型導體電壓值Table 1 Voltage values of different model conductors

為了減小計算量且保證計算精度在3%以內，對桿塔精細模型進行簡化，通過上述計算，按照刪去橫元與豎元且盡量少刪去一部分斜元的簡化原則，得到的最終簡化模型的橫擔電位值與精細模型最大相差2.05%，注流點和引下線電位值與精細模型最大相差2.02%。由此可見，通過簡化豎元、橫元以及斜元之后得到的模型，滿足計算精度的要求。

1.2 確定桿塔基數

桿塔在遭受雷擊時，通過避雷線分流，相鄰的塔基具有分流的作用。因此，需要確定建立一體化模型中桿塔的基數。由于絕緣子串兩端的電壓為桿塔與線路運行電壓差值，與導線無關，因此在模型設置中忽略導線，通過避雷線連接桿塔?？紤]到計算量，本文中選用簡化后桿塔一體化模型，考慮到500 kV輸電線路由于500 kV線路檔距較大，避雷線跨距長，避雷線選用LGJ-95/55系列鋼芯鋁絞線，檔距400 m，建立輸電線路-桿塔-接地體一體化模型。圖3為輸電線路-桿塔-接地體一體化模型示意圖，中間桿塔為1號桿塔，右側為2號桿塔，左側分別為3號桿塔。在注流點處加上幅值為50 kA的雷電流，波前時間和半波時間為2.6 μs和50 μs，土壤電阻率選用500 Ω·m，雷電流擊中線路1號桿塔頂端時，計算桿塔基數為單基、三基、五基、七基和九基時，1號桿塔靠近注流點處橫擔電位隨時間的變化曲線，選擇合適的桿塔基數。

圖3 輸電線路-桿塔-接地體一體化模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission line tower grounding system

計算結果見圖4，當只有一基桿塔時，由于沒有考慮避雷線的分流作用，橫擔上電位的最大值為7714.4 kV。桿塔基數為三基、五基、七基及九基桿塔時1號桿塔橫擔電位最大值分別為3528.7 kV、3659.8 kV、3400.9 kV、3514.3 kV?？梢钥闯?，三基、五基、七基及九基桿塔最大電位之間差別較小，但是當只建立一基桿塔時，最大電位與九基桿塔差值達到4200.2 kV，占52.8%。建立三基桿塔便可達到精算準確性，但是考慮到計算量和避雷線對于周圍桿塔的分流作用，本文選用五基桿塔。

圖4 不同桿塔基數時1號桿塔靠近注流點橫擔電位Fig.4 No.1 tower close to the point of the lateral load at different injection points

2 土壤電阻率對桿塔電磁暫態特性影響

500 kV輸電線路眾多，由于線路長，地處曠野，且地形、地勢復雜，不少桿塔位于山頂或山脊，加上雷電活動頻繁，極易遭到雷擊，山區雷害事故要比平原地區高得多，嚴重影響了線路的安全運行，供電可靠性也隨之下降。選典型的3種土壤電阻率500 Ω·m、1000 Ω·m和2000 Ω·m來模擬不同地區的土壤電阻率。

2.1 土壤電阻率對避雷線分流的影響

雷電流的分流作用會對桿塔橫擔沖擊電壓和接地電阻值有較大影響，本節主要分析土壤電阻率對雷電流分流作用的影響。

在注流點處加上幅值為50 kA，波前時間和半波時間為2.6 μs和50 μs的雷電流模擬雷電流擊中線路1號桿塔頂端時，沿著1號桿塔至2號桿塔之間沿避雷線分流的電流和1號桿塔4根引下線其中一根流入大地的電流的變化。

由圖5可看出，在不同土壤電阻率時避雷線上電流的變化趨勢一致，先上升然后下降。土壤電阻率為500 Ω·m時，避雷線上電流在30 μs時達到最大值4.961kA，土壤電阻率1000Ω·m時，避雷線上電流在26 μs時達到最大值6.070 kA，土壤電阻率2000 Ω·m時，避雷線上電流在25 μs時達到最大值7.247 kA。隨著土壤電阻率的增加，避雷線上電流最大值增加，達到最大值的時刻提前，且下降速度變快。圖6為1號桿塔引下線上的入地電流隨著土壤電阻率不同的變化趨勢，均為先快速上升到達幅值再緩慢下降到零。隨著土壤電阻率的增加，1號桿塔引下線電流峰值減小。

圖5 不同土壤電阻率時避雷線電流Fig.5 Lightning current in different soil resistivity

圖6 不同土壤電阻率時引下線電流Fig.6 Downlead current of different soil resistivity

由此可知，隨著土壤電阻率的增加，避雷線的分流作用越明顯，雷電流沿避雷線流過的電流越多，傳播越遠，分流作用越強。

2.2 土壤電阻率對桿塔電壓的影響

土壤電阻率會直接影響到接地電阻值的大小，從而直接影響接地體電壓。圖7為1號桿塔接地體電壓隨時間的變化趨勢，不同土壤電阻率時接地體電壓的變化趨勢一致，均為快速上升到達幅值再逐漸減小到零，土壤電阻率為分別為500 Ω·m、1000 Ω·m和2000 Ω·m時接地體電壓均在2.4 μs時達到最大值695.9 kV、1271.9 kV和2220.9 kV。當土壤電阻率較大時，雖然流過接地體的電流減小，但是電壓還是大幅增加。

圖7 不同土壤電阻率時接地體電壓Fig.7 Ground voltage of different soil resistivity

圖8 所示為1號桿塔靠近注流點處橫擔隨時間的變化曲線，在土壤電阻率不同時均有相同的變化趨勢，3條曲線均在0.8 μs和4 μs出現波谷，這是由于雷電流在避雷線上傳播的時候會出現折射和反射的現象，雷電流與折反射的雷電流進行疊加而造成在電流逐漸減小的過程中出現電流增大的情況，這個過程伴隨著雷電流散流的整個過程，后期由于雷電流快速衰減而減弱。土壤電阻率為500 Ω·m和1000 Ω·m時，由于土壤電阻率較低，雷電流通過接地體向大地散流快，橫擔電壓下降過程較迅速，當土壤電阻率為2000 Ω·m，由于土壤電阻率較高，雷電流通過接地體向大地散流緩慢，在第一次下降較少時又與折反射過來的雷電流疊加反而上升到最大值附近。土壤電阻率分別為500 Ω·m、1000 Ω·m和2000Ω·m時，橫擔電壓變化的趨勢一致，均在0.6 μs快速上升電壓最大值1583.4 kV、1847.2 kV以及2228.3 kV，直到雷電流完成全波過程下降到零。

圖8 不同土壤電阻率時橫擔電壓Fig.8 Transverse voltage of different soil resistivity

3 雷電流對桿塔電磁暫態特性影響

在華中地區關于雷電流幅值地形差異化的研究中以葛崗線沿線走廊區域雷電為樣本，將葛崗線沿線走廊地形劃分為3種類型：平原、丘陵和山地，并統計各地形中雷電流幅值主要為50 kA、100 kA以及150 kA等，雷電流波前時間的分析選用國際標準2.6 μs，以及模擬其他情況下3.5 μs和7 μs，半波時間均為50 μs，土壤電阻率選用1000 Ω·m的地區進行仿真。

3.1 雷電流幅值對避雷線分流的影響

在注流點處加上幅值分別為50 kA、100 kA以及150 kA雷電流模擬不同雷電流幅值下擊中線路1號桿塔頂端，分析沿著1號桿塔至2號桿塔之間沿避雷線分流的電流和1號桿塔引下線流入大地的電流變化。

如圖9所示，隨著雷電流的幅值增加，避雷線上電流曲線均在25 μs時達到最大值6.1 kA、12.2 kA以及18.3 kA。由此可看出，雷電流幅值增加一倍時，避雷線峰值也增加一倍，雷電流幅值增加兩倍時，避雷線峰值也增加兩倍，雷電流幅值與避雷線峰值為線性關系。

圖9 不同雷電流幅值時避雷線電流Fig.9 Lightning current of different lightning current amplitude

圖10 所示為不同雷電流幅值下的引下線電流，3條曲線同時在2.4 μs時達到電流最大值分別為10.5 kA、21.1 kA以及31.7 kA，引下線流入大地散流的電流峰值也與雷電流幅值呈倍數增長且電流幅值越大，引下線電流下降時斜率越大。

圖10 不同雷電流幅值時引下線電流Fig.10 Downlead current of different lightning current amplitude

3.2 雷電流幅值對桿塔電壓的影響

雷電流幅值的改變通過改變流過避雷線以及桿塔接地體的電流大小影響桿塔橫擔以及接地體的電壓。

圖11、圖12分別為不同雷電流幅值時接地體以及橫擔電壓變化曲線，雷電流幅值為50 kA、100 kA以及150 kA時接地體電壓均在2.4 μs時達到最大值1271.9 kA、2548.2 kA和3827.6 kA；橫擔電壓均在0.6 μs時達到最大值1847.2 kA、3692.7 kA和5535.1 kA?？梢钥闯龈淖兝纂娏鞯姆?，1號桿塔的接地體電壓和橫擔電壓在在不同雷電流幅值下變化趨勢基本完全一致，主要影響電壓最大幅值呈倍增長。

圖11 不同雷電流幅值時接地體電壓Fig.11 Grounding voltage of different lightning current amplitude

圖12 不同雷電流幅值時橫擔電壓Fig.12 Transverse voltage of different lightning current amplitude

3.3 波前時間對避雷線分流的影響

將波前時間分別改為2.6 μs、3.5 μs以及7 μs，仿真得到的避雷線上電流曲線變化見圖13，3條避雷線上電流基本完全重合，由此可知，波前時間對避雷線分流的影響較小。

圖13 不同波前時間時避雷線電流Fig.13 Lightning current at different wave front time

3.4 波前時間對桿塔電壓的影響

為了分析波前時間對桿塔電壓的影響，分別選取2.6 μs、3.5 μs以及7 μs進行仿真，選取1號桿塔上的接地體以及橫擔電壓進行分析。

圖14和圖15分別為不同波前時間時接地體以及橫擔電壓的變化曲線。波前時間為2.6 μs和3.5 μs時，接地體電壓均在在2.4 μs時達到最大值1272.0 kV和1251.1 kA，橫擔電壓同樣在0.6 μs時達到最大值1847.2 kA和1507.5 kA；波前時間為7 μs時接地體電壓在2.9 μs時達到最大值1046.6 kA，橫擔電壓在2.6 μs時達到最大值1125.2 kA。接地體電壓曲線在波前時間改變時變化趨勢較一致，橫擔電壓曲線在波前時間為2.6 μs和3.5 μs時變化趨勢較一致，波前時間改為7 μs曲線最大幅值降低較多，且全波過程中的波動幅度較小，在3條曲線第一個波谷的出現時刻隨著波前時間的增大而延后。

圖14 不同波前時間時接地體電壓Fig.14 Ground voltage of different wave front time

圖15 不同波前時間時橫擔電壓Fig.15 Transverse voltage of different wave front time

由此可知，改變波前時間會影響接地體電壓和橫擔電壓峰值且對波形的波峰波谷出現時刻也有一定的影響。改變波前時間較少時，對電壓峰值幅值大小以及波峰波谷的出現時刻的影響較小，當改變較大時，對電壓峰值幅值大小以及波峰波谷的出現時刻的影響較大。

4 結論

1）CDEGS軟件中的HIFREQ模塊中建立ZVB21b酒杯型桿塔模型，桿塔模型的橫元、豎元對于模型簡化影響較小，斜元的影響較大，桿塔的基數選用5基能保證計算精度與避雷線的分流效果。

2）雷擊1號桿塔塔頂時流經2號桿塔的避雷線分流的電流，受土壤電阻率和雷電流幅值的影響較大，但受波前時間的影響較小，土壤電阻率越大，避雷線分流電流峰值越大，下降速度也越快；雷電流幅值增加，避雷線上電流也基本呈線性增加。

3）通過引下線向土壤中散流的電流隨著土壤電阻率的增大而減小，隨著雷電流幅值的增加線性增加。

4）接地體電壓曲線和橫擔電壓曲線均隨著土壤電阻率的增加而增加，隨著雷電流幅值的增加而增加，而不會改變出現峰值的時刻。改變波前時間較少時，對電壓峰值幅值大小以及波峰波谷的出現時刻的影響較小，當改變較大時，對電壓峰值幅值大小以及波峰波谷的出現時刻的影響較大。