原文发表在《电瓷避雷器》2024年第6期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.16188/j.isa.1003-8337.2024.6.005
雷击500 kV输电线路杆塔分流特性计算研究
李磊1，张雷1，黄登一1，吴敏2,3,4，富梦迪1，孔繁哲1
(1.国家电网有限公司华北分部，北京 100053；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074；3.电网雷击风险预防湖北省重点实验室，武汉 430074；4.国家能源雷电灾害监测预警与安全防护重点实验室，武汉 430074)
一 内容简介
雷击对输电线路安全运行和设备可靠性造成了严重威胁。目前针对真实环境和运行条件下500 kV输电线路杆塔雷电流分流特性研究还不够全面。本研究利用ATP-EMTP进行雷击500 kV输电线路仿真计算，研究多种工况下被雷击杆塔的分流系数。研究结果表明，雷电流波头时间从1.2μs增大至20μs，杆塔分流系数降低40%；半波时间从20μs增大至350μs，杆塔分流系数降低0.8%；雷电流幅值对分流系数无影响；杆塔接地电阻从1Ω增大至30Ω，杆塔分流系数降低19.7%；雷击终端杆塔时分流系数小于非终端杆塔；使用良导体地线可以降低杆塔分流系数。利用上述研究成果合理设计和布置杆塔防雷设施，对于减少雷击对输电线路影响至关重要。
二 主要内容
雷击是电力系统中的一种主要自然灾害，500 kV输电线路高度较高，为典型的易接闪导体结构，极易遭受雷击，引起雷击暂态过电压容易造成线路绝缘闪络，进而引起线路故障、跳闸。准确评估雷击输电线路杆塔暂态特性是输电线路雷电防护的基础前提，对于保障电力系统稳定运行至关重要。
以往研究中，杆塔分流系数被用作一个主要参数，衡量了电流从杆塔流到接地电极的能力。这个现象在遭受雷击时尤为重要，因为通过良好的分流能力，防雷设备能够有效地将雷电流导到地面，降低设备损坏风险。
目前为止，已经有一些研究关注输电线路分流情况。清华大学崔哲瑞等对220 kV输电线路雷电流分流特性进行现场实测与仿真分析，结果表明冲击电流的高频成分主要流经杆塔，冲击电流波形越平缓，杆塔电流波前时间和幅值与冲击电流相差越大。王巨丰、陈奎等利用EMTP软件研究雷击110 kV、220 kV输电线路时雷电流分布，分析了波形、接地电阻等众多因素影响。汤涛、张博成等研究了雷击输电线路时避雷线分流系数及其影响因素。湖南电科院何智强等利用CDEGS软件对220 kV和500 kV典型杆塔分别进行1 A工频和10 kA雷电流模型的仿真，计算避雷线、杆塔地网、杆塔基础分流大小。此外，还有其他学者对变电站内、外短路时架空地线的分流系数进行研究，并分析短路位置、变电站接地网电阻、地线型号、杆塔接地电阻、线路长度等因素对分流的影响。
综上所述，以往的研究更多聚焦于110 kV、220 kV输电线路以及变电站接地短路时杆塔与地线分流情况。在500 kV输电线路方面，国核电力规划设计研究院汤涛等利用EMTP建模研究雷击500 kV输电线路地线雷电流分布，并讨论雷电流幅值、档距、接地电阻、地线等因素的影响，在这些因素影响下的雷击点杆塔分流情况仍有待研究；湖南电科院何智强等利用CDEGS软件对500 kV典型杆塔分别进行1 A工频和10 kA雷电流模型的仿真，计算避雷线、杆塔地网、杆塔基础分流大小，没有涉及自然界高达数百千安的雷电流分流大小；上海交通大学夏雨等研究杆塔分流对实测杆塔冲击接地电阻时测量电流的影响，分析接地电阻、杆塔模型、冲击电流波形、避雷线模型、线路两端阻抗等对杆塔分流的影响，并提出一种接地电阻时测量的电流修正方法，所做研究不是在模拟真实雷击输电线路的条件下进行。因此，对于雷击500 kV输电线路杆塔分流的研究仍然有待深入探讨。
本研究重点在于探究雷击500 kV输电线路时杆塔分流特性，利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP建立500 kV输电线路雷击模型，系统的研究雷击对杆塔分流情况的影响。讨论雷电流波前时间、半峰值时间、幅值、杆塔接地电阻、雷击杆塔距离变电站远近以及地线等因素对杆塔分流系数的影响。通过对这些因素的综合分析，所得的研究结果将有助于指导更高效和更有效的防雷设计，提高设备可靠性和经济性。
1输电线路分流系数计算模型
1.1雷击输电线路分流原理
1.2输电线路模型
2仿真结果分析
2.1输电线路分流系数特点
2.2雷电流波前时间对分流系数的影响
2.3雷电流半峰值时间对分流系数的影响
2.4雷电流幅值对分流系数的影响
2.5杆塔接地电阻对分流系数影响
2.6雷击杆塔距变电站远近对分流系数的影响
2.7地线型号对分流系数的影响
3防雷措施的讨论
三 结论
文中通过对雷击地线时杆塔的分流系数及影响因素进行研究，得出以下结论。
1）雷击输电线路时，雷击点杆塔分流系数最大，距离雷击点越远，分流系数越小。
2）雷电流波形会对雷击点杆塔分流系数造成影响。雷电流波前时间从1.2 μs增大到20 μs，雷击点杆塔分流系数降低40%，说明高频电流主要流经杆塔入地；雷电流半波时间从20 μs增大到350 μs，雷击点杆塔分流系数降低0.8%；雷电流幅值对雷击点杆塔分流系数无影响。
3）杆塔接地电阻会影响雷击点杆塔的分流系数。杆塔接地电阻从1 Ω增大到30 Ω，雷击点杆塔分流系数降低19.5%，工程上可通过降低杆塔接地电阻来提高输电线路防雷水平。
4）雷击杆塔距离变电站远近会影响雷击点杆塔的分流系数。受变电站接地电阻的影响，雷击终端杆塔时雷击点杆塔分流系数会小于雷击中间杆塔，且变电站一侧的避雷线分流系数会增大。
5）不同型号地线会对雷击点杆塔的分流系数造成影响。地线截面积越大，雷击点杆塔分流系数越小。
作者简介
李磊（1991—），男，硕士，工程师，主要研究方向为大电网调度运行控制。E-mail:lilei64lt@sina.com。
本文索引
李磊，张雷，黄登一，等. 雷击500 kV输电线路杆塔分流特性计算研究[J]. 电瓷避雷器，2024(6)：36-43.
LI Lei，ZHANG Lei，HUANG Dengyi，et al. Simulation study on surge current distribution due to lightning strike on 500 kV transmission line towers[J]. Insulators and Surge Arresters，2024(6)：36-43.
《电瓷避雷器》国际标准刊号： ISSN1003-8337， CODEN DBIIA4。国内统一刊号： CN61-1129/TM，《电瓷避雷器》由西安电瓷研究所主办，双月刊， 1958 年创刊， 2009年元月起改制后，由西安高压电器研究院有限责任公司主管。《电瓷避雷器》是我国绝缘子、避雷器行业唯一的一本国内外公开发行的期刊。主要报道国内外绝缘子、避雷器和相关行业的最新理论、科研成果及技术创新等方面的论文。2019年《电瓷避雷器》入选《能源电力领域高质量科技期刊分级目录》电工理论与装备专业T3级。
《电瓷避雷器》连续多年被评为中文核心期刊，是“中国学术期刊综合评价数据库”和“中国科学引文数据库”来源期刊。被美国《化学文摘》、《剑桥科学文摘：材料信息》以及波兰《哥白尼索引》收录。
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