架空输电线路雷电过电压识别

压降，使塔顶、横担的电位陡升。当绝缘子串两端所承受的电位差超过其冲击闪络电压时，绝缘子串发生闪络，导致输电线路发生接地故障。

　　雷电流作用于杆塔并发生反击包括杆塔电位升高和绝缘子串击穿两个过程，如图1 所示。当绝缘子串未被击穿时，除大部分雷电流沿杆塔入地外，少部分雷电流被避雷线分流。根据空间电磁耦合原理，输电线路中将耦合出一个电流行波。此时，输电线路通道中没有直击雷电流，只含有空间电磁耦合电流。当杆塔电位继续上升，导致绝缘子串击穿后，雷电流将注入输电线路。此时，输电线路中将会有大量的雷电流，较之前一阶段的空间电磁耦合分量，输电线路的电流将发生大幅跃升。反击发生时，杆塔电位升高和绝缘子击穿两个过程彼得逊等值电路如图2 所示。设杆塔波阻抗为Z1 、避雷线波阻抗为Z2 、接地电阻为Rg ， ，输电线路波阻抗为Z ， 雷电通道波阻抗为Z0 ， 雷电流为i。绝缘子串作用相当于等值电路开关S ，绝缘子串未击穿，S 未闭合时，输电线路波阻抗Z 中没有雷电流，绝缘子串击穿，S 闭合后，雷电流注入输电线路通道。

图1 　反击示意图

图2 　反击等值电路

　　1. 3 　绕击雷电过电压

　　雷电流直接击中输电导线时，由于大量雷电流注入，导致输电线路对地电压陡升。当绝缘子串两端承受的电位差大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串发生闪络，导线通过杆塔对地放电。绕击发生时，雷电流首先直接作用于导线。因此绕击时导线的电流行波全部为雷电流分量，不存在类似反击的电磁耦合分量，其发生过程的示意图如图3 所示。

图3 　绕击示意图

　　绕击发生时，导线电位升高和绝缘子串闪络两个过程的彼得逊等值电路如图4 。绝缘子串作用相当于等值电路开关S ，绝缘子串未击穿，S 未闭合时，雷电流导致输电线路电位升高，杆塔、避雷线中没有雷电流;绝缘子串击穿，S 闭合后，雷电流通过杆塔入地。由于输电线路直接被雷电流作用，在绕击过程中输电线路雷电流中不存在电磁耦合电流分量。

图4 　绕击等值电路

　　由上述分析可知，当输电线路发生感应雷过电压时，电流行波为感应电流，三相基本相似;发生反击时，在绝缘子未击穿之前，电流为电磁耦合电流，击穿之后，线路电流由电磁耦合电流突变为直击雷电流。发生绕击时，线路电流为直击雷电流分量。

　　2 　输电线路的雷电过电压电磁暂态仿真

　　2. 1 　感应雷电过电压

　　本文采用EMTP 电磁暂态仿真程序对架空输电线路的感应、绕击、反击3 种雷电过电压进行仿真计算。图5 为220 kV 系统仿真模型。输电线路长为30 km。根据杆塔尺寸结构，采用文献[ 17 ]所提出的计算公式，得到杆塔分段波阻抗模型，如 图6 所示。图中， ZA 为横担波阻抗， ZT 为支柱波阻抗， ZL为支架波阻抗， Rg 为杆塔冲击接地电阻。绝缘子采用压控开关模型，线路避雷器采用IEEE 推荐的非线性模型。线路跨距为200 m ，计算时避雷线不做消去处理，以考虑避雷线对雷电流传播过程的影响。雷电流采用防雷设计标准波形，波头为2. 6μs ，波长为50μs。为准确模拟电流行波在输电线路中的传输特性，模型采用多个200 m 跨距线路与杆塔模型串联而成。

图5 　220 kV输电系统模型图

图6 　杆塔结构及波阻抗模型

　　2. 2 　时域波形分析

　　利用上述模型，分别对输电线路遭受感应、绕击、反击雷电过电压3 种情形进行了仿真。在雷击点后1 km 处采样，获取输电线路电流信号。3 种雷电过电压的电流行波如图7～9 所示。

图7 　感应雷过电压三相电流波形

图8 　反击三相电流波形

图9 　绕击三相电流波形

　　由图7～9 可以看出，感应雷过电压的三相电流行波为感应电流行波，经过衰减后，三相仍基本相似。反击过电压的三相电流行波电流大幅度跃升之前，存在电磁耦合电流分量，该电磁耦合分量陡度小，上升时间长;绝缘子串击穿之后，由于大量雷电流注入导线，电流行波幅值跃升，陡度增大。绕击过电压没有电磁耦合电流的存在，电流行波在发生雷击后迅速跃升。因此，三相电流行波相似程度大小以及电磁耦合电流存在与否是判断雷电过电压类型的重要特征。

　　3 　输电线路雷电过电压识别判据

　　由上述分析，3 种雷电过电压的电流行波区别主要体现在三相电流行波相似程度以及电磁耦合电流行波的存在。感应雷电过电压三相电流行波相似度较高，而直击雷电过电压由于雷电流的直接注入，三相电流相似度较低。基于这一特点，提出感应雷点过电压与直击雷电过电压的识别判据:

　　式中， S Thres为感应雷过电压幅值判据门限值; Smin 为三相电流行波的最小相似度。对于信号X ( n) 和Y ( n) ，其相似度S 计算公式为:

在实际计算中，为排除闪络后引起的干扰并降低计算量，取电流