高压架空输电线路雷击过电压的仿真计算与分析研究之一_输电线路雷电过电压仿真计算模型的建立

２００５年第４期

广西电力

高压架空输电线路雷击过电压的仿真计算与分析研究之一：输电线路雷电过电压仿真计算模型的建立

ＳｉｍｕｌａｔｅｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬｉｇｈｔｎｉｎｇＯＶｅｒＶｏｌｔａｇｅ

ｏｎ

ＯＶｅｒｈｅａｄＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅ：

Ｉ．Ｂｕｉｌｄ?ｕｐｏｆ

Ｍｏｄｅｌ

ｆＯｒＳｉｍｕｌａｔｅｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＬｉｇｈｔｎｉｎｇＯＶｅｒＶｏｌｔａｇｅ

０ｎ

Ｐ０ｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅｓ

李明贵１，鲁铁成２

ＬＩ

Ｍｉｎ毋ｇｕｉｌ，ＬｕＴｉｅ—ｃｈｅｎ孑

（１．广西电力试验研究院有限公司，广西南宁５３００２３；２．武汉大学电气学院，湖北武汉４３００００）

（１．Ｇｕａｌｌｊ函Ｅｌｅｃ试ｃＰ∞心ＴｅＳｔｉｎｇ＆风ｓｅａｒｃｈ

１１１ｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｎｉｎｇ

５３００２３，ＣＫｎａ；

２．Ｓｃｈ０。ｌｏｆＥｌｅｃ试ｃａｌＥｎ西ｎｅ舐ｎｇ，ＷｕｈａｎＵ１１ｉｖｅ商ｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００００ＣｈｉａＪｌ）

摘要：为加强高压架空输电线路抵御雷害的能力，通过阐述我国１１０ｋＶ及以上高压输电线路的基本情况，利用ⅣｒＰ—

ＥＭＴＰ电磁暂态计算程序建立输电线路雷电过电压仿真计算模型，为进一步深入开展高压架空输电线路雷电过电压仿真计

算分析提供依据。

关键词：架空输电线路；雷电过电压；仿真；计算模型

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｐｕｒｐ。ｓｅｏｆｕｐｒａｔｉｎｇｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆ１ｉｇｈｔｎｉｎｇｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒｏｖｅｒｈｅａｄｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒ

ｔｍｓｍｉＳＳｉｏｎｌｉｎｅＳ，ｔｈｅ

ｂｙｍｅａｎｓｏｆ

ａ

ｐａｐｅｒｔａｋｅｓ

ａ

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ｇｅｎｅｒａｌ∞ｎｄｉｔｉｏｎｓ

ｏｆｔｒａｌｌｌｓｍｉＳｓｉｏｎｌｉｎｅＳｏｐｅｒａｔｅｄａｔａｎｄｍｏｒｅ

ｏｎ

ｔｈａｎ１１０ｋＶ，ｂｕｉｌｄｓ。ｕｐ

ｓｉｍｕｌａｔｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍ。ｄｅｌｆｏｒｌｉｇｈｔｎｉｎｇｏ、他ｎ，ｏｌｔａｇｅｔｈｅｐａｖ陀ｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅＳ

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

ｐｒｏｇｒ锄ｗｉｔｈ

ＡＴＰ—ＥＭ－ＴＰｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｔｍｎＳｉｅｎｔ，ｔｈｕｓｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅａｃｃｏｒｄａｎｃｅｆｏｒ

ｏｎ

ｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａ＿ｂｏｕｔｓｉＨｎＪｌａｔｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｖｅｒｈｅａｄｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉＳｓｉｏｎｌｉｎｅ；ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ

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ｏ＿、７ｅｍｌｔａｇｅ；ｓｉＨｍｌａｔｉｏｎ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

ｍｃｄｅｌ

中图分类号：ｎ佃６６文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—８３８０（２００５）０４—０００７—０４

１

引言

对于高压架空输电线路，为了预防或限制雷电

与耐雷水平的关系，本研究对沿线架设避雷线、加强线路绝缘、改善线路杆塔的接地装置、增设耦合地线、装设线路避雷器等常规的防雷保护措施进行仿真计算与理论分析。通过仿真计算与理论分析，揭示输电线路雷击跳闸与系统参数的关系，为设计和运行部门在实际输电线路上，如何合理地采用防雷保护措施，提供可靠的依据。这对于电力系统的安

的危害，采用了一系列防雷措施和防雷保护装置。但是，这些措施在实际运用中由于使用不当，出现了措施的失效问题，使原有线路的耐雷水平降低，严重威胁电力系统的安全运行。为了了解防雷保护措施

收稿日期：２００５—０４—１２；修订日期：２００５—０４—２６

第一作者简介：李明贵（１９５１一），男，毕业于武汉水利电力大学，副总工程师。现主要从事高电压试验及电力系统过电压试验研究等工作。

万方数据　

广西电力２００５年第４期

全运行有着十分重要的意义。文章分为三部分：第

一部分阐述我国１１０ｋＶ及以上高压输电线路的基

２．１１１０

ｋＶ输电线路的典型杆塔形式与尺寸

目前１１０ｋＶ输电线路的典型杆塔形式主要有

本情况，利用现在国内外已广泛采用的ＡＴＰ—ＥＭＴＰ电磁暂态计算程序，建立输电线路雷电过电压仿真３种，见图１。图１（ａ）为单避雷线，其余两种为双避

雷线，塔高见表１。

计算模型；第二部分阐述对１１０ｋＶ及２２０ｋＶ输电线路的各种杆塔，仿真计算输电线路耐雷水平与雷击跳闸率；第三部分阐述线路杆塔接地电阻与线路绝缘水平对输电线路耐雷水平的影响。

２输电线路的基本情况

目前运行中的１１０ｋＶ及以上输电线路，均全线装有避雷线，而且电网中性点为直接接地系统。雷电引起输电线路闪络的形式主要有两种：一种是雷击杆塔塔顶及其附近避雷线，另一种是雷绕击于导线。本课题研究的输电线路杆塔基本形式及尺寸见

图１、图２。

ｒ

／搀．≥

＼”

１９００兽

－．２６０ｃ

２６００．Ｉ。

ｒ７＿＿７一

，

，

，

ｏｎ

ａ）钢筋混凝土单杆

（ｂ）门型钢筋混凝土双杆

（ｃ）双回线铁塔

图ｌ

１１０

ｋＶ输电线路典型杆塔形式与尺寸

雪上

ｅ—ｔｒ，黾∑３

工呲

善上／／÷＼

ｒ

７７万

ａ）钢筋混凝土单杆

（ｂ）酒杯型铁塔

（ｃ）双回线铁法网

图２

２２０

ｋＶ输电线路典型杆塔形式与尺寸

万　

方数据表１

１１０

ｋＶ输电线路典型杆塔高度

ｍ

杆塔形式

塔高

钢筋混凝土单杆１８门型钢筋混凝土双杆１５．４双回线铁塔

２９

２２０

ｋＶ输电线路的典型杆塔形式与尺寸

目前２２０ｋＶ输电线路的典型杆塔形式有３种，

表２

２２０

ｋＶ输电线路典型杆塔高度

ｍ

杆塔形式

塔高

上字型钢筋混凝土单杆３３．２酒杯型铁塔２７．４双回线铁塔

３９

本课题采用现在国内外已广泛采用的ＡＴＰ—

ＡＴＰ～ＥＭｒＰ程序和ＡＴＰＤｒａｗ程序的功能和２．２见图２，塔高见表２。

３采用的计算程序

ＥＭＴＰ程序和ＡＴＰＤｒａｗ程序进行输电线路雷击过

电压仿真计算。ＡＴＰ是计算电磁暂态现象以及电

机原理应用最广泛的数字仿真软件之一。ＡＴＰ的

基本原理：根据元件的不同特性，建立相应的代数方

程、常微分方程和偏微分方程，形成节点导纳矩阵。

采用优化节点编号技术和稀疏矩阵算法，以节点电压为未知量，利用矩阵三角分解求解，最后求得各支

路的电流、电压和所有消耗的功率、能量。在稳态计

算中应将非线性元件线性化，包括利用简单的迭代进行潮流计算；在暂态计算中非线性特性可以用分段线性化来处理，也可以进行迭代求解。ＡＴＰＤｒａｗ是用ｗｉｎｄｏｗｓ对ＥＭＴＰ的ＡＴＰ版做预处理的程序，协助创建和编辑电力网的交互式仿真模型，有标准的视窗层。用户可以任意选择已经定义好的组件的模型（图形）来构造需要的电路，也可以自己定义不同的组件，然后由处理器自动生成相应的正确的ＡＴＰ输入文件。支路的节点名可以由ＡＴＰＤｒａｗ给

定，用户也可以按照自己的要求给出重要的结点名

称，使用起来较为方便和准确。

输入数据卡片的填写大体相仿，主要用于模拟计算

２００５年第４期

广西电力

电力系统的电磁暂态过程，为电力系统的科研、设计和安全运行提供可靠的依据。ＡＴＰ—ＥＭＴＰ程序

和ＡＴＰＤｒａｗ程序的联合运用，具有建模方便、计算

精度高等特点。４输电线路雷电过电压仿真计算模型

４．１

雷电流波形和雷电流幅值的概率

雷电流波形呈现脉冲形式，其波头时间￡。在１

～４

ｐｓ范围内，平均在２．６弘ｓ左右，半峰值时间￡２

在２０～５０弘ｓ范围内，一般采用５０ｐｓ。防雷保护规程中规定的标准雷电冲击波有：双指数函数波形、斜角波形与半余弦波形。本课题的仿真计算采用双指数函数波形，其表达式为：

ｉ＝Ｊ（Ｐ～‘一已～犀）（１）

式中

Ｉ——雷电流幅值；

ａ，卢——时间常数，由￡１，ｆ２确定。

计算中采用（１）式的标准雷电流波形。雷电流

幅值取决于雷云中的电荷量，其满足统计规律。我国通过统计大量的实测雷电流幅值数据，得出电力行业标准规定的雷电流幅值超出ｆ的概率计算公式

如下：

ｒ

１９Ｐ

２一壶

（２）

式中Ｐ——雷电流幅值概率；

卜一雷电流幅值，ｋＡ。

由（２）式计算可知，幅值超过８８ｋＡ的雷电流概率为１０％，即１０次雷击中，有一次雷击的雷电流幅

值超过８８

ｋＡ。

４．２输电线路感应电压的模拟

当雷击输电线路杆塔时，在输电导线会感应与雷电流极性相反的感应电压，依据我国电力行业标准，输电线路感应电压可按下列公式计算：

【，。＝一盘＾（１一是）（３）

式中

口——雷电流的陡度，ｋＡ以ｓ；厶——输电导线对地的平均高度，ｍ；志——耦合系数（通过杆塔与输电线路几何

尺寸，在仿真计算中得到）。

在仿真计算中，当雷击杆塔时，在三相线路上分

别作用按（３）式计算的感应电压分量，其波形按斜角

波考虑。

４．３输电线路模型

在ＡＴＰ—ＥＭＴＰ中，输电线路的模型有连续换

位和不换位线路模型，有Ｉ荧琅ｅｍｎ、ＲＬ—ＰＩ型、ＲＩ。

万　

方数据耦合型、ＲＬ对称型等值电路模型。输入数据产生的频率特性线路模型有：ＪＭＡＲＴＩ、ＳＥＭＬＹＥＮ和

ＮｏＤＡ等，可根据计算精度的需要选择不同的输电

线路模型。在仿真计算中采用ＪＭＡＲＴＩ线路模型的基本形式，通过输入相应输电线路结构参数，由软件计算直接生成相关电路参数。

４．４线路杆塔模型

在防雷计算中，雷电冲击波作用下的线路杆塔呈现的冲击阻抗直接影响到塔顶电位的计算。在工程计算中，杆塔可等效为集中参数电感或分布参数长线。本课题研究的１１０ｋＶ与２２０ｋＶ输电线路杆

塔塔高不超过４０ｍ，仿真计算中用集中参数电感模拟杆塔。根据ＤＬ６２０—１９９７推荐的参数，在仿真

计算中铁杆塔电感取０．５肚Ｈ／ｍ、水泥杆塔电感取

０．８４“Ｈ／ｍ。１１０ｋＶ与２２０ｋＶ输电线路３种杆塔

的等值电路如图３所示。

Ｂ孓隶

（ａ）导线上字形排列

｛ｂ）导线水平排列

（ｃ）双回导线排列

图３

１１０

ｌ【ｖ与２２０ｋｖ输电线路３种杆塔形式的等值电路图

图３中，杆塔塔身等值为电感，Ｒ。ｈ为杆塔接地

电阻，Ｔ点为杆塔的顶端。图３中还标出了各种杆塔情况下的假定相序。４．５避雷器模型

设计选用了金属氧化锌避雷器，此种避雷器阀

片是一种高度非线性的电阻。避雷器阀片电阻的非

线性通常用指数函数描述，其电流电压之间的关系

服从以下规律：

丁ｒ

ｉ＝ｐ（Ｆ｝）９ｕ

（４）

ｒｅｆ

式中声，ｑ——常数（ｑ的典型值为２０～３０）；

Ｕ。广参考电压，通常取额定电压或接近

额定电压的值。

避雷器阀片电阻的非线性特性一般难以用一个

指数函数来描述整个范围内的特性，在ＡＴＰ—

１０广西电力２００５年第４期

ＥＭＴＰ中，将电压范围分成几段，每段有自己的指数函数，采用分段指数函数模型来模拟。线路型氧化锌避雷器伏安特性参数见表３、表４。

表３

１１０

ｌ【ｖ线路型氧化锌避雷器伏安特性参数

电压／ｋＶ

电流／Ａ

１ｍｌｍ１ｍ

１１ｌ１

ｍ叭●加ｍｍ

‘２加加∞如∞甜＂∞弱ｍ

ｏ∞咖

表４

２２０

ｋｖ线路型氧化锌避雷器伏安特性参数

电压／ｋＶ

电流／Ａ

２Ｏ２Ｏ２０３Ｏ３Ｏ舢舢肌３ｌ

３３４．１５１

。∞咖舢

１１０

ｋＶ变电站母线采用的氧化锌避雷器参数：

型号：Ｙ１０ｗ一１００／２６０，直流１ｍＡ，参考电压为１４５

ｋＶ，１０

ｌＡ放电电流下的残压为２６０ｋＶ。

２２０

ｋＶ变电站母线采用的氧化锌避雷器参数：

型号：Ｙ１０Ｗ一２００／５２０，直流１ｍＡ，参考电压为２９０

ｌ【ｖ，１０ｋＡ放电电流下的残压为５２０ｋＶ。

４．６变压器等电气设备的模型

由于雷电侵入波频率较高，持续时间很短，所以变电站的设备如变压器、隔离开关、断路器、互感器等在雷电波作用下均可等值为冲击人口电容。

变压器等值入口电容的经验公式为：

ｃ＝Ｋ瓶

（５）

式中Ｓ——变压器的三相容量（ＭＶ?Ａ）；

Ｋ，，ｚ——常数（５００ｋＶ电压等级：Ｋ＝

９４０，咒＝４；２２０

ｋＶ以下的电压

等级：Ｋ＝５４０，挖＝３）；

Ｃ——等值入口电容（取平均值为２

０００

ｐＦ）。

万　

方数据本课题研究中，考虑研究系统的范围较宽，变压器的人口电容取值在较大范围内变化。

４．７绝缘子串闪络模型

雷击杆塔或输电线路时，当绝缘子串两端电压超过绝缘子串的雷电冲击耐受电压时，绝缘子串发生闪络，此时输电线路将由闪络电弧通道经杆塔接地，并在线路上形成雷电侵入波。

在ＡＴＰ—ＥＭｒＰ中，利用闪络开关模型来模拟

绝缘子串的闪络过程。对于１１０ｋＶ输电线路的标

准绝缘，计算中选取的雷电冲击闪络电压为７００

ｋＶ。对于２２０ｋＶ输电线路的标准绝缘，计算中选取的雷电冲击闪络电压为１

２００ｋＶ。

４．８输电线路的雷击跳闸率计算

输电线路的雷击跳闸率按电力行业标准推荐公式计算，其计算公式如下：

Ｎ＝Ｏ．２８（６＋４矗）叩（ｇＰｌ＋Ｐ，２）（６）

式中６——两根避雷线之间的距离，ｍ；

矗——避雷线的平均高度；叩——建弧率，可按建议公式计算；ｇ——击杆率，按规程给定的表格计算；Ｐ，——雷击塔顶耐雷水平相应的概率；只——绕击率，建议按公式计算；

Ｐ２——雷绕击导线耐雷水平相应的概率。

在雷击跳闸率计算中，耐雷水平按仿真计算值计算。

５小结

本课题根据我国１１０ｋＶ及以上高压输电线路的典型杆塔形式与尺寸，输电线路落雷而引起线路闪络的雷击形式，利用现在国内外已广泛采用的ＡＴＰ—ＥＭＴＰ电磁暂态计算程序，建立了输电线路雷电过电压仿真计算模型，为深人开展高压架空输电线路雷电过电压仿真计算分析提供依据。

参考文献

［１］Ｈ．ｗ．ＤＣ粕ｍｅｌ．电力系统电磁暂态计算理论［Ｍ］．北

京：水利电力出版社，１９９１．

［２］解广润．电力系统过电压［Ｍ］．北京：水利电力出版社，

１９８５．

［３］ＤＬ／ｒ６２０—１９９７，交流电气装置的过电压保护和绝缘

配合［ｓ］．

［４］能源部东北电力设计院．电力工程高压送电线路设计

手册［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９１．

［５］吴维韩．金属氧化物非线性电阻特性和应用［Ｍ］．北

京：清华大学出版社，１９９８．

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高压架空输电线路雷击过电压的仿真计算与分析研究之一:输

电线路雷电过电压仿真计算模型的建立

作者：

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年，卷(期)：

被引用次数：李明贵， 鲁铁成， LI Ming-gui， LU Tie-cheng李明贵,LI Ming-gui(广西电力试验研究院有限公司,广西,南宁,530023)， 鲁铁成,LU Tie-cheng(武汉大学电气学院,湖北,武汉,430000)广西电力GUANGXI ELECTRIC POWER2005,28(4)20次

参考文献(5条)

1.H W Dommel 电力系统电磁暂态计算理论 1991

2.解广润 电力系统过电压 1985

3.DL/T620-1997.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合

4.能源部东北电力设计院 电力工程高压送电线路设计手册 1991

5.吴维韩 金属氧化物非线性电阻特性和应用 1998

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3. 谢辉春.文习山.邓维.朱昌成 500kV GIS变电站雷击进线段塔顶雷电过电压的仿真研究[期刊论文]-电气应用2006,25(3)

4. 戚为.张国光.张海龙.张国熠 EMTP在500kV同杆双回线路雷电性能研究中的应用[会议论文]-2008

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