避雷線及線路耦合作用對桿塔入地雷電流分流系數的影響研究

孔憲佐，王一鳴，馬宇麗，孟 軍

（巴彥淖爾電業局，內蒙古 巴彥淖爾015000）

線路落雷產生的過電壓，包括繞擊和反擊兩類，劃分標準為落雷位置。落雷后雷電流經過桿塔和避雷線泄放到大地，雷擊點對地電位急劇上升。當導線與雷擊點之間的電勢差超過絕緣子的沖擊放電電壓時，絕緣子發生閃絡，導線上出現過電壓，稱為反擊。而繞擊是指無架空地線或者雷電繞過架空地線落在導線上。落雷點在桿塔塔頂而導致絕緣閃絡時，經過桿塔泄放的電流與雷電流之比，稱為桿塔分流系數，用β表示。因此這一雷電參數與反擊密切相關。集中電感模型、單波阻抗模型、多波阻抗模型是目前輸電桿塔的常用模型，模型的選取依據為桿塔高度。當實際計算中對分流系數值要求較低時，可以根據電壓等級高低和架空地線根數直接選擇《中華人民共和國國家標準雷電防護》中給出的值。如對220 kV 線路，在單根避雷線設計時，取β=0.92；雙根避雷線設計時，取β=0.88。但實際上β會受到雷電流幅值、陡度、被擊桿塔沖擊接地電阻等因素的影響。將桿塔分流系數定為常數，使線路防雷設計不夠精確，存在一定的安全隱患。耐雷水平和諸多因素相關，桿塔分流系數越小，耐雷水平越高。因此，有針對性地討論β很有價值。

1 計算分流系數的仿真建模

1.1 桿塔模型

桿塔較高時，在雷擊閃絡、防雷性能計算等方面使用多波阻抗模型效果良好、波響應特性與所測實際桿塔近似。在實際工作電壓為高壓（110 kV，220 kV）和超高壓（500 kV），且模擬的是桿塔塔頂遭受雷擊時絕緣子反擊閃絡情況，因此本文采用多波阻抗模型。而多波阻抗模型又有多層傳輸塔模型，Hara無損線桿塔模型等。結合實際情況，本文選取第二種。此模型由塔身、支架、橫擔3 部分組成，每部分波阻抗值可根據桿塔尺寸和幾何形狀用公式算出得出，模型如圖1所示。

圖1 桿塔結構與無損線模型

圖中Lt為雷擊桿塔的電感等效值；Ls為桿塔兩側一檔架空地線并聯的電感等效值；Ri為雷擊桿塔的沖擊接地電阻；τf為常數2.6 μs；單根避雷線的等值電感約取Ls=0.67l，μH；雙避雷線約取Ls=0.42l，μH；高度為h的桿塔，其等值電感約取Lt=0.5h，μH。須要指出的是，此模型未考慮相鄰桿塔及其接地電阻的影響，且公式中沒有互阻抗等表征避雷線及導線耦合作用的參數，因此計算值未考慮耦合作用對分流系數的影響。

圖1 中，ZT和桿塔塔身相對應，ZL和支架相對應，ZA和橫擔相對應。圖示桿塔自上而下的波阻抗分別為

式中：hk，rTk，RTk，rB，RB的取值與圖1中各部分對應，模型中每部分長度與實際導體長度相等。須要指出的是，工程實際中輸電桿塔所用的鋼材通常為角鋼，而仿真軟件中的導體默認為圓鋼，因此導體半徑通過公式r=0.44b等效，式中的r即rT，b為角鋼寬度。為簡化計算，當桿塔分為幾部分時，每部分的rTk取相同值，即rTk=r。等邊角鋼的規格按相關標準選取。

研究表明，桿塔增加了支架后，多導體系統的波阻抗減少了10%，那么支架每部分的波阻抗為

式中：hk和rAk分別是第k橫擔的高度和等效半徑。模型中橫擔長度與實際長度相等，且上式適用于圓柱形橫擔和橫擔的等值半徑為橫擔與桿塔塔身連接處1/4寬度的比例模型。

1.2 輸電線路模型

在ATP-EMTP 中，線路模塊LCC 有Bergeron、PI、JMaiti等多種模型，本文選取最常用的JMaiti模型，相關參數及取值如表1所示。

表1 Model欄參數含義及取值

1.3 絕緣子模型

目前主要有2種模型來模擬絕緣子，壓控開關模型和絕緣子伏秒特性模型。課題采用第一種，這種模型的原理是：根據絕緣子串的沖擊放電特性，當作用在絕緣子上的電壓大于絕緣子串的伏秒特性時，絕緣子串發生閃絡，壓控開關閉合。此模型對應于ATP-EMTP仿真軟件中的switch time controlled模塊。根據我國現行GB/T 21714.1《雷電防護》的建議，線路繞擊耐雷水平近似計算公式為：I=U50%/100，且100、220、500 kV 線路繞擊耐雷水平依次為7、12、27.4 kA左右，因此在本文中壓控開關模型的控制電壓依次取700、1200、2740 kV。

1.4 匹配電阻和桿塔沖擊接地電阻

由波的折反射規律知，線路末端接有電阻R=Z1時，折射系數α=1，反射系數β=0。這種情況相當于線路末端接與另一波阻抗相同（Z2=Z1）的線路，相當于均勻線路的延伸，因此波到達末端后無反射，波形不會發生畸變[32]。本文仿真中，為了減小線路末端折反射所引起的誤差，在線路兩端均接入與線路波阻抗相等的電阻，稱為匹配電阻。架空線路的波阻抗可由下式計算：

式中：r為導線或避雷線半徑，m；h為導線或避雷線對地高度。需要指出的是，因自身重力和氣候變化的影響，長距離輸電線路有弛垂，用fs表示，上式計算時h取平均高度，設導線或避雷線在桿塔處離地高度為h0，則?。?/p>

對工作接地和保護接地來說，接地電阻是指工頻或直流流過時的電阻，通常稱為工頻接地電阻；在防雷接地中，雷電沖擊電流流過桿塔時的電阻，稱為桿塔沖擊接地電阻，用Ri表示。山地、平原架設桿塔時對接地電阻的要求不同，這主要是因為土壤電阻率有差異。一般情況下，接地電阻取值范圍為7～20 Ω。本文參考相關文獻[33]，在平原地區，取Ri=7 Ω；在山地地區，取Ri=15 Ω。

2 計及避雷線及線路耦合作用下分流系數的影響因素分析

選取的13種桿塔所進行雷擊模擬，分析以下幾種情況桿塔入地雷電流分流系數的變化規律：110、220、500 kV 三種電壓等級下同一塔型桿塔的分流系數β；同一電壓等級下，“貓頭型”“干字型”“酒杯型”“V 型”桿塔的分流系數β；通過改變桿塔沖擊接地電阻等因素總結分流系數β的變化規律。將測量結果與規程計算的結果進行比較。仿真中已經考慮了避雷線和輸電線路的耦合作用，通過對比，得出耦合作用對線路防雷的影響。

2.1 同一塔型不同電壓等級

課題選取了3 個電壓等級，“干字型”“貓頭型”“酒杯型”3 種塔型進行比較，數據分析如圖2所示（注：綠色線為仿真計算值，藍色線為規程計算值，以下類同）。

圖2 同一塔型不同電壓等級分流系數β

由圖2 可知，工作在不同電壓等級下的同一塔型桿塔，塔頂遭受雷擊且絕緣子恰好閃絡時，桿塔分流系數β不同。因為一般情況下，桿塔高度隨電壓等級的提高而增加，等值電感等參數發生變化，β規程計算值不同；電壓等級越高，絕緣子恰好閃絡時的雷電流越大，為迅速泄流，經桿塔入地的雷電流比例有增大的趨勢，分流系數增大。但圖中這種趨勢并不明顯，因此電壓等級高低與分流系數大小沒有密切關系。

仿真計算考慮了避雷線和線路的耦合作用，由前文分析可知，此時桿塔分流系數較規程計算值小，圖中符合情況的桿塔塔型及其對應的工作電壓為：“干字型”塔，110 kV；“貓頭型”塔，500 kV；“酒杯型”塔，220 kV、500 kV。這幾種情形下耦合作用的影響使分流系數減小，但減小的數值很小。由于影響分流系數的因素較多，其他情形下并沒有體現出仿真計算值比規程計算值小這一規律。因此，耦合作用不是影響分流系數的主要因素，其他干擾和誤差因素可能掩蓋了耦合的影響。

2.2 同一電壓等級不同塔型。

同一電壓等級下，不同塔型桿塔的分流系數如圖3所示。

圖3 同一電壓等級下不同塔型分流系數β

由圖3 可知，同一電壓等級下，不同塔型桿塔的分流系數存在較大差異，這與桿塔結構、高度、避雷線根數等因素有關。如上字型桿塔，采用單根避雷線，這與采用雙避雷線的塔型相比，塔頂遭受雷擊時，電流少了一個泄放通道，經桿塔入地的雷電流比例大，分流系數大，線路耐雷水平低，因此使用時需謹慎，一般在少雷區才考慮。在220 kV、500 kV 線路中，“酒杯型”桿塔用途廣泛，種類多樣。由圖可知，分流系數值比其他幾種塔型桿塔稍低，說明同一電壓等級下用酒杯型桿塔具有優越性，在實際工程設計中，多雷區可以考慮用這種塔型桿塔。符合仿真計算值比規程計算值小這一規律的情形，其中電壓等級110 kV、220 kV、500 kV 的β規程計算值和β 仿真計算值間的差值平均值分別為-0.045、-0.038、-0.0849，可知耦合作用使分流系數的減小量在0.03～0.09 之間，考慮到其他情形下仿真計算值并不比規程計算值小，以及一些誤差因素，比如：仿真電路桿塔選取的是Hara無損線模型，但“酒杯型”“貓頭型”等桿塔結構和文獻中用于搭建模型的桿塔結構不同，參數計算時可能帶來不準確因素。因此，減小量取0.1以內。

2.3 桿塔接地電阻

選取110 kV、220 kV、500 kV 三種電壓等級下的JG1“干字型”桿塔，改變仿真電路中的桿塔接地電阻，測量反擊時的分流系數如圖4所示。

圖4 JG1型桿塔不同接地電阻阻值下分流系數β

由圖4 可知，隨著桿塔接地電阻值減小，規程計算和仿真計算所得分流系數均增大，這是因為雷擊桿塔塔頂時，接地電阻越小，雷電流可以通過桿塔迅速有效泄流，減小雷擊跳閘率。對圖4 中的數據進行差值分析，如表2所示。

表2 差值分析

從表2可知電壓等級提高，規程計算均值下降，這是因為公式計算中，桿塔等值電感采用估計值，一般情況下電壓等級越高，桿塔高度越大，等值電感增大，公式計算的分流系數下降。而仿真測量發現，電壓等級提高，分流系數增大，在110 kV、220 kV時增大不明顯，但對于500 kV線路，仿真測量和規程計算值差值為0.075，且測量均值為0.9094，這比工程參考值大，這是因為電壓等級提高，耐雷水平上升，雷擊桿塔時的雷電流幅值增大，經桿塔入地是最迅速的路徑，因此500 kV時絕大部分雷電流是經過桿塔入地的，分流系數很大。此時考慮耦合作用雖然使分流系數降低，但由于不是主要影響因素，最終所得值上升。由上述研究可得，對于500 kV線路，雙避雷線時，桿塔分流系數可以由0.88提高到0.90。

選取110 kV 線路ZS2“上字型”、ZM1“貓頭型”、Z2“酒杯型”、JG1“干字型”4 種塔型桿塔，改變仿真電路中的桿塔接地電阻，測量反擊時的分流系數，所得數據如圖5 所示，對其數據進行差值分析，如表3所示。

圖5 4種塔型不同接地電阻值下分流系數β

表3 差值分析

從規程計算均值來看，4 種塔型桿塔分流系數取值與工程值接近；從仿真計算均值來看，“貓頭型”和“干字型”桿塔，差值很小，說明仿真參數設置和模型選取較合理；“上字型”桿塔測量均值小，耐雷水平高，說明對于110 kV線路，采用這種塔型桿塔效果較好；相反，“酒杯型”桿塔分流系數測量均值高，說明不宜在110 kV線路上應用。由上述研究可得，對于110 kV線路“上字型”桿塔，桿塔分流系數可以由0.90下降到0.88。

2.4 雷電流波形

選取110 kV ZS2“上字型”、220 kV JG1“干字型”、220dz“上字型”500 kV JG1“干字型”4種桿塔，保持2.6/50μs 波形不變，改變雷電流幅值，得到數據如圖6所示。

圖6 不同雷電流幅值下分流系數β

由圖6可知，在一定區域內，雷電流幅值變化，桿塔分流系數保持不變。因為波形不變時，雷電流幅值增大僅僅使流過避雷線和桿塔的電流等比例增大，阻波效果相同，故β保持為定值。但雷電流增大過程中，在某處分流系數發生突變，這可能是因為此時沖擊電流波對仿真電路的分布參數值產生了影響，導致桿塔和避雷線分流比例發生變化。綜上，在雷擊桿塔反擊閃絡的臨界雷電流之前的一定區間內，雷電流幅值不影響桿塔分流系數。

選取1.5/50μs、2/50μs、2.6/50μs、3/50μs 4種不同陡度的波形，對110 kV、220 kV、500 kV JG1型桿塔分別進行反擊模擬，測得分流系數如圖7 所示。

圖7 不同雷電流陡度下分流系數β

由圖7 可知，桿塔遭受雷擊時，隨著雷電流陡度的增加，絕緣發生閃絡時雷電流為了迅速泄放到大地，經過桿塔的路徑最短，分流比例增大，避雷線分流比例減少，因此桿塔分流系數β增大。

3 防雷措施

針對上述對分流系數影響因素的研究，提出以下防雷措施：

降低桿塔接地電阻。由上文仿真結果可知，桿塔沖擊接地電阻值由4 Ω 增加到20 Ω 過程中，雷擊閃絡的臨界雷電流幅值減小，即耐雷水平下降，因此降低桿塔接地電阻可以有效減小雷擊跳閘率。

架設耦合地線。桿塔接地電阻難以降低的區域，可以考慮這種方法。耦合地線既可以分流，又可以加強避雷線和導線之間的耦合作用，降低雷擊過電壓。為了提高線路的耐雷水平，可在容易遭受雷擊的地段架設耦合地線，但這種方法并不適宜全線使用，且設計中必須考慮桿塔所能承受的荷載。對于直線桿塔，宜采用釋放線夾架設方式，以減輕事故斷線產生的張力，改善直線桿塔的受力情況。對于承力桿塔，在耦合地線的懸掛點需要加裝拉線。

疏堵共治，因地制宜。輸電線路的耐雷水平不可能無限提高，因此采用間隙裝置允許線路有一定的雷擊跳閘率而減小事故率不失為一種方法。在輸電線路防雷設計中，應充分考慮當地落雷密度等實際情況，如在少雷區，可以考慮使用“上字型”桿塔，節省材料；對500 kV線路，可以稍微降低防雷設計要求。

4 結束語

本文在仿真軟件ATP-EMTP 中進行桿塔、輸電線路、絕緣子以及匹配電阻、桿塔沖擊接地電阻參數的設置。并選取了多波阻抗模型之一的Hara無損線桿塔模型，輸電線路選用了LCC 模塊中的JMaiti模型，絕緣子選用了壓控開關模型。在此基礎上，針對所選取的13種桿塔，進行雷擊桿塔塔頂反擊模擬。在電壓等級、桿塔塔型、沖擊接地電阻、雷電流幅值等因素變化條件下測量分流系數，總結變化規律，分析耦合作用的影響，并提出了合理的防雷措施。