220kV输电线路反击故障分析及防雷保护研究 (2).docx

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1、摘 要雷电灾害严重影响人们的正常生活，从设施损坏到发生大面积的停电事故，因此防雷电灾害依然是电力系统安全稳定运行的关键。据统计，雷击事故不仅会造成输电线路杆塔的单相闪络，甚至造成两回同跳的严重跳闸事故。本文根据十堰山区的特殊地形与地貌复杂线路结构等因素，采雷电事故频繁发生，当地电力系统的稳定受到严重威胁。在过去的五年中，该地区220kV线路多次发生雷击闪络事故，造成事故的原因多数为雷电所引起的杆塔反击跳闸，对十堰地区电力系统的安全稳定运行造成恶劣影响。本文对该地区的220kV两条输电线路发生的故障进行事故分析和事故复现，并对该地区的反击耐雷性能进行评估，采取差异化防雷为防雷准则，制定防雷策略，

2、对减少该地区杆塔的跳闸率，提升电力系统的安全稳定运行有着参考意义。本文对防雷评估过程中所做的工作包括输电线路杆塔上雷电感应电压的计算、雷电主要参数的详细分析、Bergeron算法的介绍以及电磁暂态软件EMTP中的典型模块进行详细阐述，为十堰地区的220kV输电线路反击事故的分析与建模提供了理论支撑。利用EMTP电磁暂态软件建立220kV单回与双回输电线路雷电反击模型，并以数据验证该模型的理论可靠性，用于计算输电线路的反击耐雷水平。分析了不同因素对220kV单、双回输电线路反击耐雷性能的影响规律。仿真结果表明，工频电压的相位直接决定了导线闪络的次序；影响杆塔反击耐雷水平最关键的因素是接地电阻的大

3、小，根据试验数据得出同塔双回输电线路的接地电阻最好低于10；平衡高绝缘也对杆塔反击耐雷水平有明显提升，而采用不平衡绝缘方式可避免双回同时跳闸事故的发生。关键词：220kV输电线路，杆塔，雷击，防雷保护AbstractLightning disaster seriously affects peoples normal life, from the damage of facilities to the occurrence of large-scale blackout accidents, so the prevention of lightning disaster is still th

4、e key to the safe and stable operation of the power system. According to statistics, lightning accident will not only cause single-phase flashover of transmission line tower, but also cause serious tripping accident of two circuits at the same time.According to the special topography, complex line s

5、tructure and other factors in Shiyan mountain area, lightning accidents occur frequently, and the stability of local power system is seriously threatened. In the past five years, lightning flashover accidents occurred many times on 220kV transmission lines in this area. Most of the accidents were ca

6、used by tower counterattack trip caused by lightning, which had a bad impact on the safe and stable operation of power system in Shiyan area. In this paper, the fault analysis and recurrence of two 220kV transmission lines in this area are carried out, and the lightning resistance performance of the

7、 area is evaluated. The differentiated lightning protection is adopted as the lightning protection criterion, and the lightning protection strategy is formulated, which has reference significance for reducing the tripping rate of the tower in this area and improving the safe and stable operation of

8、the power system.This paper describes the work done in the process of lightning protection assessment, including the calculation of lightning induced voltage on transmission line tower, the detailed analysis of main lightning parameters, the introduction of Bergeron algorithm and the typical modules

9、 of electromagnetic transient software EMTP, which provides theoretical support for the analysis and modeling of 220kV transmission line counterattack accident in Shiyan area. The lightning counterattack models of 220kV single circuit and double circuit transmission lines are established by using EM

10、TP electromagnetic transient software, and the theoretical reliability of the models is verified by data, which is used to calculate the lightning withstand level of transmission lines. The influence of different factors on the lightning withstand performance of 220kV single and double circuit trans

11、mission lines is analyzed. The simulation results show that the phase of power frequency voltage directly determines the order of conductor flashover; the most critical factor affecting the lightning withstand level of tower counterattack is the size of grounding resistance. According to the test da

12、ta, it is concluded that the grounding resistance of double circuit transmission line on the same tower should be less than 10 ; balanced high insulation can also significantly improve the lightning withstand level of tower counterattack, and unbalanced insulation can avoid double circuit lightning

13、withstand The trip accident occurs at the same time.Key words: 220kV transmission line, tower, lightning stroke, Lightning protection第1章 绪论1.1课题研究的背景和意义近随着国民生活质量的提高与社会经济效益的日益加强，电力系统的装机容量需增加以满足需求，同时国家电网的设备规模也在不断的加大，因此电力系统的稳定运行就显得尤为关键。而高压输电线路运行状态的稳定性和安全性是整个电力系统的核心，其作用不可忽视。从目前来看，高压输电线路在运行时所受的影响主要与自然条件有

14、关，如冬季风雪导致的线路覆冰、雷电直接击中杆塔或绕过避雷线击中输电线等情况时有发生，其中雷击事故占比和影响最大。随着因雷击现象导致母线跳闸事故的逐渐增多，此类问题已成为国内外电力工作者关心和讨论的重要话题。据国家电网有关部门统计，2013年间因雷击导致的线路跳闸次数约高达606次，占总事故百分比的46.3%，2015年至2018年间因雷击导致的线路跳闸次数约占总事故百分比的36.2%。更严重的是，在输电过程中，基于对输电线路传输的高效性，相线电压不断升高，并受到架空输电线路地形环境的限制，相应的塔高也在增加，线路的走廊受到雷电活动的影响。这些因素逐渐增加，增加了输电线路的雷击风险，对其造成危害

15、，而一旦输电线路因雷击造成跳闸事故时，并且重合闸无效，只能被迫停电，这将对国民生活造成不可逆的经济损失。而且输电线路的检修工作也会因天气而滞后，造成停电时间长，对经济的损失进一步的加重。更严重的是，雷击还会导致用电设备损坏，甚至执勤的人员的人身安全都会受到威胁。而我们是14亿人口的泱泱大国，中国正从小康社会逐步建设社会主义强国，社会的各方各面都在努力维护着每个人的生命财产安全，因此，电力的稳定供应是电网相关部门需要尽力努力维护，减少因雷击造成的事故危害。十堰市是湖北省西北部主要地区，地势和地貌复杂，山区气候多变。由于热条件和空气对流，其雷电活动相对频繁。从2015年6月到2020年6月，垸当线

16、和十悬线共发生6次雷击事故，大部分为反击事件。垸当线与十悬线经测量总长度为98千米，根据这几年的统计计算其雷击跳闸率高达1.02次/（100kma），这与国家标准规定的跳闸率足足高了3倍多。同一铁塔上的220kV双回线增加了铁塔的高度并增加了线路走廊面积，致使单回路线更容易遭受雷击。双回输电路线比单回输电线路的雷击跳闸率高，对系统的危害更大。由于雷击闪络对系统的安全稳定运行造成较大的影响，必须分析十堰市山区220kV单、双回输电线路雷击跳闸机制就显得尤为重要。 研究其防雷击性能和电气特性，然后采取针对性的措施进行反击防雷保护，低反击跳闸率，以提高十堰山区输电线路的安全性和稳定性。防雷是评估输电

17、线路的雷击风险，并根据风险评估结果制定相应的改造计划。区别雷击保护是根据各种绝缘因素（例如绝缘配置和雷电密度）评估整个线路塔的风险等级，找出最容易遭受雷击的塔，并进行有针对性的雷电保护。目前，这种防雷方法已经在中国大部分地区推广，并取得了优异的效果。1.2国内外研究现状关于雷电的研究，其实早在1752年，富兰克林就对雷电的产生展开了研究，后来随着用电设备的增多，电力系统不断的扩大，人们才开始注意到雷电的危害有多严重，学者们开始系统的研究，开始时，对于电力系统电压等级低，防雷设备稍加改进就可以应对，但是社会不断发展，电力系统逐步向高电压，跨区域的方向发展，其对防雷的研究也在逐渐深入，国内外越来越

18、多的科学家从事了防雷研究的工作，研究的难度也在逐渐增加，而关于高压输电线路的防雷，无外乎从防绕击与反击雷电，而防反击雷一直是研究双回输电线路的热点问题，也是研究的主要内容。李嵩（2019）指出雷害严重影响输电线路的供电可靠性，输电线路防雷性能的优劣主要是由线路耐雷水平以及雷击跳闸率来衡量的。他通过采用ATP-EMTP软件对福建省福州地区某220kV单回路线路进行了仿真，构建了输电线路的仿真模型，详细的分析了横担波阻抗的变化、杆塔接地电阻的变化、雷电过电压的相位变化、避雷器的装设、杆塔高度、绝缘子片数、输电线路档距、雷电流波头长度以及耦合地线与导线间的距离S对输电线路的耐雷水平的影响。张恒志，扎

19、西曲达，杨浩，吴晓睿，刘泽辉等人（2020）通过对雷击跳闸研究发现，雷击是影响输电线路稳定运行的重要因素之一，他们基于西藏电网实际跳闸情况，针对220kV线路雷击跳闸下的塔型，档距，接地电阻等影响因素进行了分析。以拉萨220kV环网为例，逐一对常见的防雷改造措施进行了讨论。本文的研究结论可以为输电线路防雷改造和降低雷击跳闸率提供有益参考。宋凯，陈佳佳（2020）以鲁中山区某220kV输电线路作为研究对象，根据实际参数采用杆塔多波阻抗模型模拟了雷电流，输电线路，杆塔，绝缘子串和避雷器，建立了雷击输电线路的仿真模型。本文基于ATP-EMTP电磁暂态分析软件，分析了线路避雷器组合安装和接地电阻对输电

20、线路耐雷水平的影响。仿真结果显示:输电线路按策略分相组合加装避雷器和降低杆塔的接地电阻可以有效保护输电线路的安全，提升电网的安全经济效益。熊雷指出防雷系统在输送和配送电的过程中起着重要作用，而有关防雷措施的使用是众多电网公司关注和关心的话题，因为在配电网线路中防雷系统恰到好处的设置能够有效地保护线路的安全和输送和配送电的稳定性，而配电网线路中防雷工作与电网的安全稳定息息相关。所以本文先阐述了当下配电网技术手段的实际情况，之后分析有关雷击的类型以及防雷技术，最后进一步研究和分析配电网线路中有关防雷系统的保护措施，希望能够对从事防雷工作有关的工作人员一些建议和帮助。1.2.1反击问题研究现状近些年

21、来，国内外相关科研工作者在研究衡量反击的跳闸水平时，所计算的反击跳闸率的方法也在不断的发展，具体的计算方法如下：（1）行标法类似于雷击线路跳闸率的计算，我们已经在DL/T620-1997国家标准文献中对交流电气设备过电压和绝缘配合的反跳闸率的计算公式进行了了解。该公式是根据实际操作经验得出的。这是易于理解和易于计算的。另一方面，由于该方法过于简洁，因此仅将杆塔视为等效电感器。雷电进入地面时，无法反映塔上传输的各种反射，不计入工作电压，因此仅适用于低电压。计算具有较高呼称高度杆塔时的单回线路的雷电保护计算与实际操作经验严重不符。（2）行波法该方法避免了行标法作为简单等效电感的缺点，并将其视为分布

22、参数。将分布参数进一步线性化为集总参数，以形成多波阻抗模型。该方法将电力系统设备视为等效模型，在该模型中，电阻和电感并联，并且电气参数与时间相关，而在行波法计算方法中，每个节点的电压幅值都是与时间紧密相联系的，将这种变化的关系绘制在图中，用于表示绝缘子串的击穿特性，也就是其伏秒特性，通过这种比较方法，可以对绝缘子串是否闪络的问题作出判断。整个计算和仿真过程基本上恢复了雷电瞬态电压波在杆塔上的传播过程。上述方法是从传输线的Bergeron数学模型导出的，因此它也被称为贝杰龙方法。（3）电磁暂态模型（EMTP）法美国科研学者研究的电磁暂态程序（EMTP）是电气模拟领域中用于电力系统暂态过程研究最广

23、泛的程序。EMTP通过分析直线的Bergeron数学模型，将用于求解分布参数线波动过程的特征线方法与用于解决集总参数电路的瞬态过程的梯形方法相结合，形成了一种大规模的数值计算方法形成的应用程序。最初的EMTP是由哥伦比亚大学的Dommel教授于1968年在BPA完成的，大约有5000条语句。一段时间后，WScottMeyer博士开始了EMTP的管理和开发。十多年来，他多次被来自美国，日本，欧洲，加拿大和南美一些国家的教授和著名的工程技术人员进行修订和完善。经过这些国家许多相关部门的长期实践，他将其汇编到现在的程序。具有超过70，000条语句的大型通用程序。（4）IEEEFlash程序该程序是基

24、于J.G.安德森理论。1993年，IEEE防雷工作组于作出了首先开发了几个版本的计划，这个计算使Flash程序变成了反击跳闸率的计算软件，通过该程序建立模型，将输电线路的杆塔等效为单波阻抗模型，而雷电流的模型可以使用其数值波形，利用该软件计算时间分别在2s和6s的时候，该模型中输电线路杆塔和绝缘子串的电压幅值，并计算出导线此时的相位，计算出导线电压。横担上的电势与线路耦合原理相结合，以计算导线上的感应电压。通过比较两个电压之间的差，就是绝缘子串两端的电压大小，如果判断出该电压与绝缘子串的耐受强度相同，那么模拟的雷电流就是反击耐雷水平的大小。（5）其他方法通过查询大量文献，作者发现一些学者提出了

25、杆塔的防雷响应电磁场分析方法。代表性的例子是Wagner提出的抵消场方法和Lundholm提出的回路方法。偏移场方法使用数字离散化来解决边界条件，也就是说，束缚电荷是可以产生电场和电流的，这种电场和电流会干扰束缚电荷的工作，对其电流和电场有干扰的作用，而这种功能实际上是为了在电场方向上的轴向分量。沿着闭环的电场的边界条件为零，并且分析了由雷电流确定的绝缘子串两端的电压。通过比较可以看出，应用电路的方法去分析远没有使用电磁场论的分析方法深奥，所以在学者们的研究中如果考虑了其他各种因素，会麻烦得多，通常都予以忽略。通过研究发现，输电线路绝缘子的闪络判据，线路工频电压以及杆塔位置对接地电阻的影响是影

26、响跳闸率的主要因素。目前，基于多年输电线路雷电反击故障的解决经验，程序化方法是我国输电线路雷击故障最广泛的方法之一。由于其相对便利的应用条件，因此数据分析具有大量的数据建模应用程序。基于国内中压及以上反击雷电反击耐雷分析和防雷设计，包括一些超高压输电线路，这种方法也存在缺点，就是计算结果有时会产生比较大的误差，这种误差主要体现在雷电流的建模上，计算时为了方便通常忽略了雷电流在杆塔上的波过程，而且在雷电对线路的感应电压计算方面也不够准确，无法模拟出真实的数值，这就导致计算的误差所在。1.2.2同塔双回线路雷击同跳研究现状对于同塔多回输电线路而言，国外应用已变得越来越普遍。例如，在美国220kV线

27、路所占的比例是47，澳大利亚甚至达到64，日本的土地面积较小，可以节省空间并建立四回甚至更多回输电线路。统计数据表明，日本发生的一半出行事故是由雷击引起的，多回同跳的比例为20-30。近年来，在中国的某些地区，包括江苏和广东，在同一座铁塔上设置双回线路也变得很普遍。江苏电力公司在建设同塔双回输电线路上走在了先列，从从鸿山到荆同的220kV四回输电线路，线路全长5公里，具有跨时代的意义。而世界上500kV同塔四回输电线路也是在中国建成，输电线路全长约77公里，从利港出发到锡东南结束，同塔四回输电线路的建设大大地节约了用地面积，减少了渠道容量，因此输电线路，特别对于高电压等级的线路大多数采用同塔双

28、回或者同塔多回的输电形式。据统计，截止至2011年，仅在广东地区架设都得220kV线路就有787回，而这些线路中，同塔双回或同塔多回的线路占比77%左右，而对于超高压等级的500kV输电线路，占比也高达56%左右。从数据中可以得出，同塔双回、多回输电线路是未来电力建设发展的重要方向。而随着这种多回电力杆塔的建设，对雷击的预防更是增加了难度，且由于杆塔高度高，跨度长，雷击的次数也在明显增多。根据报告，在2007年广东地区的110kV的输电线路上，同跳事故在跳闸总数为645次中占比达到18%左右；而到了2008年，这一比例有多所增加，在雷击总数为650次中，同跳的次数占比了高达约21%的大小，从数

29、据中不难看出，同跳的次数是有所增多的，在我国的其他地区也是扮演着相同的结果。放眼整个电力系统，高电压等级是发展趋势，跨区域、长距离和多山区输电也在加大对电网公司部门的考验，而由雷击同跳引起的危害也在不断攀升。而就目前来说，在我国的500kV超高压等级输电线路，在同塔线路杆塔的建设当中投入的资金更大，相比绝缘水平也更强，雷击同跳的事故不易发生。而真正受威胁的是220kV与110kV的输电线路，对于地区来说经常发生跳闸事故对检修部门以及电力系统造成很大的危害，解决此问题已经迫在眉睫。1.2.3防雷保护研究现状在国内外研究人员经过了一段时期的探索，在输电线路防雷中取得了一定的进展，在其发展道路上，大

30、致分为以下几个部分：在1930年之前，当时电力系统所建的输电电网电压等级较低，而对于系统来说主要的危害就是感应雷电所引起的跳闸，科研学者对于防感应雷电所采取的的主要解决方法是在输电线路的下方增加一条地线，与输电线路耦合从而减少雷电的感应电压；在1930年之前，当时电力系统所建的输电电网电压等级较低，而对于系统来说主要的危害就是感应雷电所引起的跳闸，科研学者对于防感应雷电所采取的的主要解决方法是在输电线路的下方增加一条地线，与输电线路耦合从而减少雷电的感应电压；在1930年到1950年左右是防雷发展的第二阶段，在这一阶段，科研学者对防雷相关的参数进行了统一整理，对电压等级为110kV、220kV

31、和更高电压等级的输电线路的高危害进行了定位，并着手研究更为安全可靠的防雷手段；第三阶段始于1950年代，这一时期美国电网假设的高压等级为345kV的输电线路发生了闪络跳闸事故，从而引起了对防雷计算统计的科研重视，防雷的工作得到了进一步的发展，有关防雷的分析与计算进一步改善；从1992年到今天，伴随着计算机网络的高速发展，将现场数据与建模计算相结合是未来防雷的发展趋势。现今阶段，对于防雷的准则在科学界达到了认同，主要方法为安装线路避雷针、增加绝缘子数量、降低接地电阻、增加线路耦合地线和安装线路避雷器等措施。这些都对降低杆塔电阻率有着重要作用，其中降低杆塔的接地电阻是提升线路的耐雷性能的重要手段之

32、一，特别对于土壤电阻率较高的地区，降低接地电阻手段十分有效，但是接地电阻降低，而冲击接地电阻却改变不大，单一的降低接地电阻并不能解决问题，而是多种措施相结合来提高线路的耐雷水平。常见的组合，比如安装线路的耦合地线或者增加绝缘子串的数量，对于防雷有很好的效果，但是缺点也非常明显，一是成本问题，而是增加的杆塔的尺寸，通常不建议。对于安装线路避雷器，国外有过先行尝试，在1980年左右，AEP和GE共同研发了适用于杆塔的避雷器，在实际的实验中取得了非常好的效果，日本也研发了适用于66kV的悬挂式绝缘子，用于防雷，效果也非常显著。近些年来，中国也在开发适用于各种电压等级的线路避雷装置，线路的ZnO避雷器

33、，得到了国内玩研究人员的认可，特别对于复杂地形的山区输电线路，该防雷装置取得了非常好的防雷效果。从整个防雷体系的研发来看，我国都是采取了发生事故后进行修理的办法，这对于输电线路的危害非常大，且浪费了很多人力物力，并且在实际中取得的效果也是反响平平。在开始的研究中，我国关于雷电的研究起步较晚，在科学技术上的局限性非常明显，数据不全面。但是现今阶段，计算机飞速发展，科研学者们可以实时共享着数据，为科研的进步增添了新阶梯。在2008年，我国的电网部门提出了差异化防雷的重要战略，即差异化防雷保护。在今天的输电线路防雷工作中取得了重要进步。汪翔（2019）指出，随着我国电力事业不断发展，对于社会发展，日

34、常生活等多个方面产生了极其重要的影响。在电力事业稳定发展时，变电站也在其中承担重要角色，其最主要的功能就是利用发电机将电能进行升压之后，反馈到高压电网中。110kV变电站是我国电网中最主要的构成部分，在日常供电时，不仅能够满足日常用电需求，同时也能保证用电安全。并且从重要性角度来看，在电力事业中有着其他设备难以替代的重要性。如果自身出现了故障或者问题，那么就会对整个电网造成巨大损失，导致在用电过程中存在不稳定性或者安全隐患。因此在设计过程中必须保证其具有合理性，同时还需要有效的防控外部因素所带来的影响。本文主要是对于变电站的应用情况进行简单的阐述，随后在这个基础上分析出110kV变电站在工作过

35、程中，如何采用有效的措施，提高其防雷电能力，并且谈一谈应当加强设计规范雷电保护等主要措施，希望可以为日后变电站稳定发展提供参考意见。刘镜新（2019）指出，随着现代化进程的不断发展，电力供应对于人们来说越来越重要，因此保障配电网线路的安全可靠性有着十分重要的意义。而在我们供电的同时也遇到了各种各样的困难。最为明显的是大自然对我们供电工作的影响。雷电就是其中不可避免的原因之一。无论是过去还是现在，对配电网线路的防雷保护工作一直是重中之重，由于配电网线路很容易遭受雷击从而造成配电网雷击事故，长期以来雷击引起的停电事故频繁发生，导致了很大的经济损失，因此文章就对配电网线路如何防雷以及防雷系统进行研究

36、分析。1.3雷电的形成雷电产生的过程雷云是下雷阵雨时出现的一种黑色云朵，一般是带不同电荷的云朵撞击而产生雷电的云朵的总称。当云中水滴受强烈气流吹袭形成分裂，较大的水滴带正电荷，较小水滴带负电荷。测量数据表明，一般正电荷分布在云块的上部，负电荷分布在下部，正负电荷的混合区域处在云块的中间处。雷云平均电场强度为雷云雷击前的最大电场强度为稳定下雨时，只有40V/cm。雷云对大地的放电通常包括若干次重复的放电过程，每次放电可分为先导放电与主放电两个阶段。在雷云带有电荷后，其电荷集中在几个带电中心，它们间的电荷数也不完全相等。先导放电是指长气体间隙中，在流注放电通道后面因热电离过程形成高速运动高导电率通

37、道的一种放电。当某一点的电荷较多，且在它附近的电场达到足以使空气绝缘破坏的强度约时，空气便开始游离，使这一部分由原来的绝缘状态变为导电性的通道的过程。先导放电是不连续的，雷云对地放电的第一先导是分级发展的，每一级先导发展速度迅速，但平均速度较慢，约为光速的1/1000左右。因为它每发展到一定长度平均约就有一个间隔。分级先导是由于先导通道内空气游离不是很强烈，导电性相对较弱，雷云下移的电荷需要一段时间，等到通道头部的电荷增多，电场超过空气游离场强时，先导将又继续发展。雷电先导发展与一定高度相关，地面某目标产生迎面先导，雷电先导开始定位过程，地面的高食物体上出现感应电荷，使局部电场增强，先导通道的

38、发展将沿其头部到感应电荷集中点之间发展。因此放电通道的发展具有定向性，也就是雷击有选择性，上述使先导通道具有定向性的高度，称之谓定向高度。当先导通道的头部与带异号电荷的集中点间距离很小时，先导通道一端约为雷云对地的电位可高达，另一端为地电位，所以剩余的空气间隙中的电场强度极高，使空气间隙迅速游离。游离后产生的正、负电荷将分别向上、向下运动，中和先导通道与被击物的电荷，这时便开始了放电的第二阶段，即主放电阶段。主放电阶段的时间极短，约50-100s，移动速度为光速的1/20-1/2,主放电时电流可达数千安，最大可达200-300kA。主放电到达云端时，意味着主放电阶段结束。当雷云中剩下的电荷，将

39、继续沿主放电通道下移时称为余辉放电阶段。余辉放电持续的时间可达0.03-0.15s，电流仅数百安。由于雷云中可能存在多个电荷中心，因此，雷云放电往往是多重的，且沿原来的放电通道，此时先导不是分级旳，而是连续发展的。雷电压、雷电流的形成雷电现象从分析其后果的角度，可以看成是一个电流行波沿空中通道注入雷击点，在击中导线后即分为左右两路继续前进。伴随着电流行波一同前进的还有电压行波，它们构成了以接近光速传播着的电磁波。当雷击杆塔顶部时，塔脚接地电阻很小，所以出现反射现象。如果电阻为0，则塔顶不会出现对地电压。这时电压行波改变其极性后再由原通道反射回去，正负抵消，保证塔顶的零电位状态。但伴随这个向回反

40、射的电压行波还有一个电流行波返回去，入侵一个正值电流，又返回一个负值电流，其结果相当于二倍的电流迭加在一起。所以从被击杆塔看来，电压消失了，电流增加一倍。当然，实际上接地电阻不会等于零，这种转化就不会十分完善，而且这时接地电阻R上的压降，还要使避雷线对地获得一个电位，从而于其上出现电压行波，并伴随一个电流行波。但是，由于接地电阻R通常只有1-20，因此这个避雷线上产生的电流行波是可以忽略的。因此，我们一般在塔顶或避雷针上用磁钢棒所测得的雷电流，己经包括了这种理论上的反射在内，所以我们一般所测的雷电流，即目前常用的雷电流。1.4本论文完成的主要工作在本文的研究工作中，主要围绕着以下几个方面展开分

41、析：（1）使用电磁暂态软件ATP-EMTP仿真软件建立模型，对十堰地区的典型220kV输电线路的反击仿真计算模型系统分析，并根据数据计算了输电线路的耐雷水平。（2）对建立完善的仿真模型对十堰地区的垸当线输电线路与十悬线输电线路的事故进行系统分析，整合数据，并根据数据对发生了事故的杆塔进行事故复现。（3）对影响输电线路反击耐雷性能的因素进行分析，接地电阻、相序排列等因素都对反击耐雷性能有影响，并根据不同的故障制定了不同的防雷措施。（4）十堰地区山区线路结构复杂，结合电力公司提供的数据，对垸当线与十悬线输电线路全线杆塔的反击耐雷效果进行风险评估，结合电网公司提出的差异化防雷保护策略，制定了不同的改

42、造方案。第2章 反击计算模型和方法2.1反击计算模型中典型模块2.1.1雷电流模型下图2-1所示的双指数波即为标准雷电电流波形，在图中如图示，波前时间记为T1，半峰值时间记为T2。对于T1和T2这两个参数，测量结果是一致的。波头长度近似取2s-2.5s，防雷的波前时间建议取2.6s，波长取为50s。陡度可以认为是I/2.6。.图2-1 雷电波形图雷电电流的表达式如公式（2-1）所示，由雷电流的波形可确定三个常数A，a和b。 （2-1）在表达式中，IL为雷电流峰值，kA。2.1.2杆塔模型根据反击的定义，雷电流击中塔顶以增加塔顶的电势，雷电波向下传播导致绝缘子串两端的电压上升最终引起闪络。结果表

43、明，准确模拟雷电流在输电线路反击计算中非常重要，因此更精准的模拟杆塔模型就显得至关重要，对其计算结果的影响举足轻重。除了杆塔模型外，还有一个重要因素就是雷电流波在杆塔中的传播速度，雷电流传播过程中受到杆塔的横杆和支架的影响，导致光速大于雷电波沿杆塔纵向方向的视在传播速度。同时，该模型考虑了横担和支架，可用光速代替雷电在塔中的传播速度。此外，不考虑雷电流通过杆塔传播过程中消耗的能量也可简化计算模型，本文模拟杆塔的支架线段采用无损分布参数线段。模拟过程中不考虑参数的频率特性，并且将特性阻抗替换为常数，Bergeron方法的适用性可以通过该方法进行编程实现。图2-2所示的杆塔计算模型即是采用多波阻抗

44、无损分布参数计算的。杆塔用横担Z、主干Z和支架Z三个部分的分布参数来表示，Rch为杆塔的冲击接地电阻，图2-3所示即为杆塔的结构等效模型。图2-2 杆塔计算模型图2-3 杆塔结构等效图横担波阻抗的计算为： （k=1，2，3） （2-2）式中，hk为横担高度；rAK为横担等值半径。主干波阻抗的计算公式表达为：（k=1，2，3）（2-3）公式中的计算表示为：（2-4）电流波在杆塔导体流过需要很长的时间，所以将分配支架的线段的长度设为主干长度的1.5倍，以此反映电流波在杆塔结构中的传播延迟性，支架之间的等效波阻抗计算如下：（k=1，2，3）（2-5）2.1.3输电线路模型由于雷击发生时间极短，且雷电

45、具有具有随机性的特点，因此往往需要根据分析对雷击的计算做出针对性的假设。对于单相导线而言更容易在雷电发生时与下行先导连接，并且该相导线感应电压在其他相上进行相比较低，因此分析雷电击中的某一相即可。传输线的等效电路模型具有连续换位（Clarke）模型与不换位线路（KCLee）模型。本文计算中，传输线采用单相无损线路（JMarti）模型。该模型的实质在于应用模拟滤波技术来求解频率可变的输电线路，这种模型可反映出随着频率变化，线路参数随之改变，进而影响电磁瞬变的过程。雷击瞬间产生的电晕损耗将导致雷电波的衰减和变形，然后，随着过电压的降低，电晕逐渐消失但是没有模型可以精确地模拟电晕对传输线的影响。在本

46、文模型计算中，忽略电晕的影响，计算结果将有利于输电线路的安全运行。2.1.4绝缘子串模型在生活中，雷电流75%90%为负极性雷。当杆塔受到负的雷电流冲击时，雷电通道中将产生大量负电荷，并迅速与中杆塔塔、雷电线路和大地中的正电荷中和以形成雷电冲击波，塔顶电势迅速升高，并且导线的电压也由于避雷线之间的耦合而有所增加。当电压升高时，导线上也会出现极性与耦合电压相反的感应过电压。因此不能忽略导线极性本身的工作电压对绝缘子串两端过电压的影响，绝缘子串的闪络是由这些电压分量共同的作用致使绝缘子串两端电压升高所造成的。因此，击中塔顶时，绝缘子上的过电压包括四个分量：横担过电压分量、导线的耦合电压分量、导线的

47、感应过电压分量以及工频过电压分量。当使用横担电压和耦合电压求解Bergeron等效电路时，可以推断出这四个过电压分量使绝缘子串两端的电压迅速上升到峰值，然后迅速下降，继续振荡直到雷击结束。同一杆塔塔的双回输电线路可能会发生双回路同时跳闸事故，必须准确记录绝缘子串的闪络电压和闪络时刻等参数。（1）杆塔绝缘子串闪络原理杆塔绝缘子串过电压计算公式表达为：（2-6）该公式中：Vins(t)为绝缘子串过电压分量，kV；Vcr(t)为横担电压分量，kV；Vpf(t)为工频电压分量，kV；Vi(t)为感应电压分量，kV；Vco(t)为耦合电压分量，kV；以相交法作为闪络判据判断绝缘子串是否闪络。相交法是指：

48、当绝缘子串上的过电压波形与伏秒特性曲线一旦相交，即可判定为闪络。此方法获得的结果与实际运行的经验进行了验证，大致与实际情况相符。图2-4即为确定绝缘子串的闪络示意图，时间t2即为绝缘子串发生闪络的时刻。图2-4 闪络时刻判定（2）杆塔绝缘子串闪络模型图2-5显示了本文中使用的模块。TACS是EMTP程序时域的仿真模块，它可以用作控制系统将开关电流、开关状态、网络电压源和一些内部变量输入到网络模型中，然后使用TACS输出信号作为电压源或电流源，也可以命令设备打开或关闭。图2-5 EMTP中TACS部分主要组件（3）模拟杆塔绝缘子串闪络图2-6为TACS开关组合表示的绝缘子串闪络模型。当TACS接

49、收到的雷电波超过一定数值时，52号电平动作控制开关闭合，模拟绝缘子串闪络，并将结果输出为正。此时，64号最小/最大跟踪器将保持该值。如果未更改，则可以使TACS开关在闭合后不断开，从而正确模拟绝缘子串闪络过程中的单相闪络后其他相的闪络。图2-6 绝缘子串闪络模型在本文中，绝缘子串闪络判定准则是基于IEC60071-4推荐的相交方法。如图2-7所示曲线为绝缘子串的伏秒特性经归一化处理所得，通过函数拟合220kV绝缘子串正放电的伏秒特性的指数函数公式（2-7）实现。（2-7）图2-7 绝缘子串伏秒特性归一化曲线2.2雷电感应过电压计算方法感应过电压的研究在世界范围内尚已成熟，研究者们对感应过电压是如何产生的机理的认知也