避雷线及线路耦合作用对杆塔入地雷电流分流系数的影响研究

孔宪佐，王一鸣，马宇丽，孟 军

（巴彦淖尔电业局，内蒙古 巴彦淖尔015000）

线路落雷产生的过电压，包括绕击和反击两类，划分标准为落雷位置。落雷后雷电流经过杆塔和避雷线泄放到大地，雷击点对地电位急剧上升。当导线与雷击点之间的电势差超过绝缘子的冲击放电电压时，绝缘子发生闪络，导线上出现过电压，称为反击。而绕击是指无架空地线或者雷电绕过架空地线落在导线上。落雷点在杆塔塔顶而导致绝缘闪络时，经过杆塔泄放的电流与雷电流之比，称为杆塔分流系数，用β表示。因此这一雷电参数与反击密切相关。集中电感模型、单波阻抗模型、多波阻抗模型是目前输电杆塔的常用模型，模型的选取依据为杆塔高度。当实际计算中对分流系数值要求较低时，可以根据电压等级高低和架空地线根数直接选择《中华人民共和国国家标准雷电防护》中给出的值。如对220 kV 线路，在单根避雷线设计时，取β=0.92；双根避雷线设计时，取β=0.88。但实际上β会受到雷电流幅值、陡度、被击杆塔冲击接地电阻等因素的影响。将杆塔分流系数定为常数，使线路防雷设计不够精确，存在一定的安全隐患。耐雷水平和诸多因素相关，杆塔分流系数越小，耐雷水平越高。因此，有针对性地讨论β很有价值。

1 计算分流系数的仿真建模

1.1 杆塔模型

杆塔较高时，在雷击闪络、防雷性能计算等方面使用多波阻抗模型效果良好、波响应特性与所测实际杆塔近似。在实际工作电压为高压（110 kV，220 kV）和超高压（500 kV），且模拟的是杆塔塔顶遭受雷击时绝缘子反击闪络情况，因此本文采用多波阻抗模型。而多波阻抗模型又有多层传输塔模型，Hara无损线杆塔模型等。结合实际情况，本文选取第二种。此模型由塔身、支架、横担3 部分组成，每部分波阻抗值可根据杆塔尺寸和几何形状用公式算出得出，模型如图1所示。

图1 杆塔结构与无损线模型

图中Lt为雷击杆塔的电感等效值；Ls为杆塔两侧一档架空地线并联的电感等效值；Ri为雷击杆塔的冲击接地电阻；τf为常数2.6 µs；单根避雷线的等值电感约取Ls=0.67l，µH；双避雷线约取Ls=0.42l，µH；高度为h的杆塔，其等值电感约取Lt=0.5h，µH。须要指出的是，此模型未考虑相邻杆塔及其接地电阻的影响，且公式中没有互阻抗等表征避雷线及导线耦合作用的参数，因此计算值未考虑耦合作用对分流系数的影响。

图1 中，ZT和杆塔塔身相对应，ZL和支架相对应，ZA和横担相对应。图示杆塔自上而下的波阻抗分别为

式中：hk，rTk，RTk，rB，RB的取值与图1中各部分对应，模型中每部分长度与实际导体长度相等。须要指出的是，工程实际中输电杆塔所用的钢材通常为角钢，而仿真软件中的导体默认为圆钢，因此导体半径通过公式r=0.44b等效，式中的r即rT，b为角钢宽度。为简化计算，当杆塔分为几部分时，每部分的rTk取相同值，即rTk=r。等边角钢的规格按相关标准选取。

研究表明，杆塔增加了支架后，多导体系统的波阻抗减少了10%，那么支架每部分的波阻抗为

式中：hk和rAk分别是第k横担的高度和等效半径。模型中横担长度与实际长度相等，且上式适用于圆柱形横担和横担的等值半径为横担与杆塔塔身连接处1/4宽度的比例模型。

1.2 输电线路模型

在ATP-EMTP 中，线路模块LCC 有Bergeron、PI、JMaiti等多种模型，本文选取最常用的JMaiti模型，相关参数及取值如表1所示。

表1 Model栏参数含义及取值

1.3 绝缘子模型

目前主要有2种模型来模拟绝缘子，压控开关模型和绝缘子伏秒特性模型。课题采用第一种，这种模型的原理是：根据绝缘子串的冲击放电特性，当作用在绝缘子上的电压大于绝缘子串的伏秒特性时，绝缘子串发生闪络，压控开关闭合。此模型对应于ATP-EMTP仿真软件中的switch time controlled模块。根据我国现行GB/T 21714.1《雷电防护》的建议，线路绕击耐雷水平近似计算公式为：I=U50%/100，且100、220、500 kV 线路绕击耐雷水平依次为7、12、27.4 kA左右，因此在本文中压控开关模型的控制电压依次取700、1200、2740 kV。

1.4 匹配电阻和杆塔冲击接地电阻

由波的折反射规律知，线路末端接有电阻R=Z1时，折射系数α=1，反射系数β=0。这种情况相当于线路末端接与另一波阻抗相同（Z2=Z1）的线路，相当于均匀线路的延伸，因此波到达末端后无反射，波形不会发生畸变[32]。本文仿真中，为了减小线路末端折反射所引起的误差，在线路两端均接入与线路波阻抗相等的电阻，称为匹配电阻。架空线路的波阻抗可由下式计算：

式中：r为导线或避雷线半径，m；h为导线或避雷线对地高度。需要指出的是，因自身重力和气候变化的影响，长距离输电线路有弛垂，用fs表示，上式计算时h取平均高度，设导线或避雷线在杆塔处离地高度为h0，则取：

对工作接地和保护接地来说，接地电阻是指工频或直流流过时的电阻，通常称为工频接地电阻；在防雷接地中，雷电冲击电流流过杆塔时的电阻，称为杆塔冲击接地电阻，用Ri表示。山地、平原架设杆塔时对接地电阻的要求不同，这主要是因为土壤电阻率有差异。一般情况下，接地电阻取值范围为7～20 Ω。本文参考相关文献[33]，在平原地区，取Ri=7 Ω；在山地地区，取Ri=15 Ω。

2 计及避雷线及线路耦合作用下分流系数的影响因素分析

选取的13种杆塔所进行雷击模拟，分析以下几种情况杆塔入地雷电流分流系数的变化规律：110、220、500 kV 三种电压等级下同一塔型杆塔的分流系数β；同一电压等级下，“猫头型”“干字型”“酒杯型”“V 型”杆塔的分流系数β；通过改变杆塔冲击接地电阻等因素总结分流系数β的变化规律。将测量结果与规程计算的结果进行比较。仿真中已经考虑了避雷线和输电线路的耦合作用，通过对比，得出耦合作用对线路防雷的影响。

2.1 同一塔型不同电压等级

课题选取了3 个电压等级，“干字型”“猫头型”“酒杯型”3 种塔型进行比较，数据分析如图2所示（注：绿色线为仿真计算值，蓝色线为规程计算值，以下类同）。

图2 同一塔型不同电压等级分流系数β

由图2 可知，工作在不同电压等级下的同一塔型杆塔，塔顶遭受雷击且绝缘子恰好闪络时，杆塔分流系数β不同。因为一般情况下，杆塔高度随电压等级的提高而增加，等值电感等参数发生变化，β规程计算值不同；电压等级越高，绝缘子恰好闪络时的雷电流越大，为迅速泄流，经杆塔入地的雷电流比例有增大的趋势，分流系数增大。但图中这种趋势并不明显，因此电压等级高低与分流系数大小没有密切关系。

仿真计算考虑了避雷线和线路的耦合作用，由前文分析可知，此时杆塔分流系数较规程计算值小，图中符合情况的杆塔塔型及其对应的工作电压为：“干字型”塔，110 kV；“猫头型”塔，500 kV；“酒杯型”塔，220 kV、500 kV。这几种情形下耦合作用的影响使分流系数减小，但减小的数值很小。由于影响分流系数的因素较多，其他情形下并没有体现出仿真计算值比规程计算值小这一规律。因此，耦合作用不是影响分流系数的主要因素，其他干扰和误差因素可能掩盖了耦合的影响。

2.2 同一电压等级不同塔型。

同一电压等级下，不同塔型杆塔的分流系数如图3所示。

图3 同一电压等级下不同塔型分流系数β

由图3 可知，同一电压等级下，不同塔型杆塔的分流系数存在较大差异，这与杆塔结构、高度、避雷线根数等因素有关。如上字型杆塔，采用单根避雷线，这与采用双避雷线的塔型相比，塔顶遭受雷击时，电流少了一个泄放通道，经杆塔入地的雷电流比例大，分流系数大，线路耐雷水平低，因此使用时需谨慎，一般在少雷区才考虑。在220 kV、500 kV 线路中，“酒杯型”杆塔用途广泛，种类多样。由图可知，分流系数值比其他几种塔型杆塔稍低，说明同一电压等级下用酒杯型杆塔具有优越性，在实际工程设计中，多雷区可以考虑用这种塔型杆塔。符合仿真计算值比规程计算值小这一规律的情形，其中电压等级110 kV、220 kV、500 kV 的β规程计算值和β 仿真计算值间的差值平均值分别为-0.045、-0.038、-0.0849，可知耦合作用使分流系数的减小量在0.03～0.09 之间，考虑到其他情形下仿真计算值并不比规程计算值小，以及一些误差因素，比如：仿真电路杆塔选取的是Hara无损线模型，但“酒杯型”“猫头型”等杆塔结构和文献中用于搭建模型的杆塔结构不同，参数计算时可能带来不准确因素。因此，减小量取0.1以内。

2.3 杆塔接地电阻

选取110 kV、220 kV、500 kV 三种电压等级下的JG1“干字型”杆塔，改变仿真电路中的杆塔接地电阻，测量反击时的分流系数如图4所示。

图4 JG1型杆塔不同接地电阻阻值下分流系数β

由图4 可知，随着杆塔接地电阻值减小，规程计算和仿真计算所得分流系数均增大，这是因为雷击杆塔塔顶时，接地电阻越小，雷电流可以通过杆塔迅速有效泄流，减小雷击跳闸率。对图4 中的数据进行差值分析，如表2所示。

表2 差值分析

从表2可知电压等级提高，规程计算均值下降，这是因为公式计算中，杆塔等值电感采用估计值，一般情况下电压等级越高，杆塔高度越大，等值电感增大，公式计算的分流系数下降。而仿真测量发现，电压等级提高，分流系数增大，在110 kV、220 kV时增大不明显，但对于500 kV线路，仿真测量和规程计算值差值为0.075，且测量均值为0.9094，这比工程参考值大，这是因为电压等级提高，耐雷水平上升，雷击杆塔时的雷电流幅值增大，经杆塔入地是最迅速的路径，因此500 kV时绝大部分雷电流是经过杆塔入地的，分流系数很大。此时考虑耦合作用虽然使分流系数降低，但由于不是主要影响因素，最终所得值上升。由上述研究可得，对于500 kV线路，双避雷线时，杆塔分流系数可以由0.88提高到0.90。

选取110 kV 线路ZS2“上字型”、ZM1“猫头型”、Z2“酒杯型”、JG1“干字型”4 种塔型杆塔，改变仿真电路中的杆塔接地电阻，测量反击时的分流系数，所得数据如图5 所示，对其数据进行差值分析，如表3所示。

图5 4种塔型不同接地电阻值下分流系数β

表3 差值分析

从规程计算均值来看，4 种塔型杆塔分流系数取值与工程值接近；从仿真计算均值来看，“猫头型”和“干字型”杆塔，差值很小，说明仿真参数设置和模型选取较合理；“上字型”杆塔测量均值小，耐雷水平高，说明对于110 kV线路，采用这种塔型杆塔效果较好；相反，“酒杯型”杆塔分流系数测量均值高，说明不宜在110 kV线路上应用。由上述研究可得，对于110 kV线路“上字型”杆塔，杆塔分流系数可以由0.90下降到0.88。

2.4 雷电流波形

选取110 kV ZS2“上字型”、220 kV JG1“干字型”、220dz“上字型”500 kV JG1“干字型”4种杆塔，保持2.6/50µs 波形不变，改变雷电流幅值，得到数据如图6所示。

图6 不同雷电流幅值下分流系数β

由图6可知，在一定区域内，雷电流幅值变化，杆塔分流系数保持不变。因为波形不变时，雷电流幅值增大仅仅使流过避雷线和杆塔的电流等比例增大，阻波效果相同，故β保持为定值。但雷电流增大过程中，在某处分流系数发生突变，这可能是因为此时冲击电流波对仿真电路的分布参数值产生了影响，导致杆塔和避雷线分流比例发生变化。综上，在雷击杆塔反击闪络的临界雷电流之前的一定区间内，雷电流幅值不影响杆塔分流系数。

选取1.5/50µs、2/50µs、2.6/50µs、3/50µs 4种不同陡度的波形，对110 kV、220 kV、500 kV JG1型杆塔分别进行反击模拟，测得分流系数如图7 所示。

图7 不同雷电流陡度下分流系数β

由图7 可知，杆塔遭受雷击时，随着雷电流陡度的增加，绝缘发生闪络时雷电流为了迅速泄放到大地，经过杆塔的路径最短，分流比例增大，避雷线分流比例减少，因此杆塔分流系数β增大。

3 防雷措施

针对上述对分流系数影响因素的研究，提出以下防雷措施：

降低杆塔接地电阻。由上文仿真结果可知，杆塔冲击接地电阻值由4 Ω 增加到20 Ω 过程中，雷击闪络的临界雷电流幅值减小，即耐雷水平下降，因此降低杆塔接地电阻可以有效减小雷击跳闸率。

架设耦合地线。杆塔接地电阻难以降低的区域，可以考虑这种方法。耦合地线既可以分流，又可以加强避雷线和导线之间的耦合作用，降低雷击过电压。为了提高线路的耐雷水平，可在容易遭受雷击的地段架设耦合地线，但这种方法并不适宜全线使用，且设计中必须考虑杆塔所能承受的荷载。对于直线杆塔，宜采用释放线夹架设方式，以减轻事故断线产生的张力，改善直线杆塔的受力情况。对于承力杆塔，在耦合地线的悬挂点需要加装拉线。

疏堵共治，因地制宜。输电线路的耐雷水平不可能无限提高，因此采用间隙装置允许线路有一定的雷击跳闸率而减小事故率不失为一种方法。在输电线路防雷设计中，应充分考虑当地落雷密度等实际情况，如在少雷区，可以考虑使用“上字型”杆塔，节省材料；对500 kV线路，可以稍微降低防雷设计要求。

4 结束语

本文在仿真软件ATP-EMTP 中进行杆塔、输电线路、绝缘子以及匹配电阻、杆塔冲击接地电阻参数的设置。并选取了多波阻抗模型之一的Hara无损线杆塔模型，输电线路选用了LCC 模块中的JMaiti模型，绝缘子选用了压控开关模型。在此基础上，针对所选取的13种杆塔，进行雷击杆塔塔顶反击模拟。在电压等级、杆塔塔型、冲击接地电阻、雷电流幅值等因素变化条件下测量分流系数，总结变化规律，分析耦合作用的影响，并提出了合理的防雷措施。