（电气工程专业论文）输电线路特高杆塔雷电过电压的理论与试验研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 皤击是导致输电线路故障的重要原因之一。为了防止此类事故的发生，有必要对 线路的雷电过电压做出准确的估计。 杆塔冲击响应特性是决定输电线路雷电过电压的重要因素，有关线路杆塔雷击特 性的理论中，代表性的方法包括： 1 真型塔的测量； 2 小比例模型的测量； 3 简化几何模型如圆锥或圆柱的分析研究； 4 基于电磁场理论的数字研究方法。 大多数理论分析方法专注于杆塔冲击阻抗解析公式的建立，考虑到电磁场对输电 线路系统的影响的方法很少( 如w a g n e r 和l u n d h o l m 提出的方法) 。实际上，当雷击 引起的行波在杆塔中来回传播时，杆塔周围的电磁场是动态变化的，因此杆塔的冲击 响应也是随时间变化的。杆塔不能用简单的与接地电阻相连的无损均匀传输线路来等 效，除非雷电流的波头时间远大于行波在杆塔中传播一个来回的时间。特别是对于特 高杆塔，一些因素例如球面波的传播，延迟，杆塔、地线、导线的耦合等对杆塔的雷 击响应影响很大。本论文全面评述了几种代表性分析方法的优缺点，针对特高杆塔冲 击响应的问题，在理论和试验方面作了深入细致的研究。斗 在电磁场理论分析的基础上，本文建立了雷击时杆塔、地线、导线响应分析的数 学模型，提出了感应电荷准静法。对位参考点和分流问题进行了分析，提出了一种新 的计算分流系数的办法。研究发现杆塔的电位由可变的抵消分量和雷电单极电荷引起 的恒定分量两部分组成。她们都随时间变化，只是前者在杆塔的每一部分都各不相同。 感应电荷准静法在计算特高杆塔的雷击响应方面比以往的方法有了改进和提高矽具体 体现在以下几个方面： 1 从杆塔顶端出发的电荷与电流波与一般概念的行波不同。由于杆塔、地线、导线 的相互耦合，杆塔系统不能被分割成几个独立的元件，也不能用电感或冲击阻抗 来描绘。利用电磁场理论的方法确定绝缘子串两端的电压，避免了建立等效电路 的困难。 2 采用无穷远点为位参考点，建立起物理意义明确，形式简洁的方程组。 3 这种方法计入了一些几何结构因素的影响，例如杆塔、地线、导线三者的相对位 置，地线和导线的弧垂等。 华中科技大学博士学位论文 论文介绍了基于感应电荷准静法编制的特高杆塔雷电过电压计算软件。断算得到 的冲击响应与n e c 2 的计算结果和小模型试验数据基本一致。利用该软件对江阴特高 杆塔的雷电过电压进行了计算和分析。4 绝缘子串的电压由感应分量与注入分量两部分组成。( 计算结果表明这两部分分量 对绝缘子串电压的贡献取决于雷电流的上升时间。斗 采用招弧角能避免绝缘子串的沿面闪络。本文对招弧角的保护性能进行了验证性 试验，结果表明，长度约为绝缘子串长7 5 的招弧角间隙能有效地保护绝缘子串。虽 然招弧角的应用将降低线路的耐雷水平，但对特高塔而言，由于绝缘子串长的裕度很 大，故对线路的跳闸率没有明显的影响。 最后，作为防止绕击的方法之一，通过模拟试验验证了水平侧针的有效性。文 关键词：输电线路特高杆塔，雷电过电压，电磁场，感应电荷准静法，招弧角，试 i i 华中科技大学博士学位论文 a bs t r a c t l i g h t n i n gs t r o k e i so n eo ft h ei m p o r t a n tc a u s e so ft h ea c c i d e n t st h a to c c u ro n t r a n s m i s s i o nl i n e s i no r d e rt op r e v e n tt h e s ea c c i d e n t s ，t h ea c c u r a t ee v a l u a t i o no fl i g h t n i n g o v e r v o l t a g e s o f t r a n s m i s s i o nl i n e si sn e c e s s a r y t o w e rs u r g er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s 勰i m p o r t a n tf a c t o r s 艳d e t e r m i n el i g h t n i n g o v e r v o l t a g e so n t r a n s m i s s i o nl i n e s s e v e r a lt h e o r i e sh a v eb e e nd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h e l i g h t n i n gp e r f o r m a n c e o f t r a n s m i s s i o nt o w e r s 。r e p r e s e n t a t i v em e t h o d si n c l u d e ： l 。m e a s u r e m e n to nr e a lt o w e r s 2 m e a s u r e m e n to nr e d u c e d s c a l em o d e l s ， 3 。a n a l y t i c a ls t u d y o ns i m p l i f i e dg e o m e t r ys u c ha sac o n eo rac y l i n d e r 4 n u m e r i c a la n a l y s i so nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y m o s to ft h et h e o r i e sc o n c e m e da na n a l y t i c a lf o r m u l a t i o no ft h es u r g ei m p e d a n c eo fa t o w e r , b u tn om e t h o de x c e p tw a g n e r sa n dl u n d h o l m ss e e m st ot a k ei n t o a c c o u n tt h e e f f e c to fa n e l e c t r o m a g n e t i c f i e l do nt h et r a n s m i s s i o nl i n e s y s t e m a c t u a l l y , t h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a r o u n dat o w e rs t r u c kb yal i g h t n i n gs t r o k ec h a n g e sd y n a m i c a l l y w h i l eat r a v e l i n gw a v em a k e ss e v e r a lr o u n d - t r i p si nt h et o w e r ，t h u st h es u r g er e s p o n s eo f t h et o w e ri st i m e - d e p e n d e n t t h et o w e rc a n n o tb e r e p r e s e n t e db y as i m p l el o s s l e s su n i f o r m t r a n s m i s s i o nl i n et e r m i n a t e db yaf o o t i n gr e s i s t a n c e ，u n l e s st h er i s et i m eo fal i g h t n i n g c u r r e n ti sm u c h l o n g e r t h a nt h e r o u n d - t r i pl i m eo f at r a v e l i n gw a v e 攮t h et o w e r e s p e c i a l l y ， f o ru l t r a - h i g ht r a n s m i s s i o nt o w e r s t h ei n f l u e n c e so fs o m ef a c t o r ss u c ha ss p h e r i c a lw a v e p r o p a g a t i o n , d e l a y i n g ，c o u p l i n ga m o n gt o w e r s ，g r o u n d w i r e sa n dc o n d u c t o r sp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h el i g h t n i n gp e r f o r m a n c e o f t o w e r s 。t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so f s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v ea n a l y t i c a lm e t h o d sw e r ed i s c u s s e da n da n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n , c e n t e r e do nu l t r a - h i g ht r a n s m i s s i o nt o w e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sad e t a i l e dr e s e a r c hb y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ， o nt h eb a s i so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lc o n c e r n i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft o w e r , g r o u n dw i r e ，a n dc o n d u c t o rc o m b i n a t i o n sw h e ns t r u c kb y l i g h t n i n gi se s t a b l i s h e da n d aq u a s i - s t e a d yi n d u c e dc h a r g em e t h o da r ep r o p o s e d t h ee f f e c t o ft h ep o i n tt ow h i c ht h ep o t e n t i a l sa r er e f e r r e da n dc u r r e n td i v i s i o na r ea n a l y z e d ，a n i m p r o v e dc a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ec u r r e n td i v i s i o ni sp r o p o s e d ，t o o i ti sf o u n dt h a tt h e p o t e n t i a lo ft h et o w e ri sc o m p o s e do f t w oc o m p o n e n t s ，t h a ti s ，t h ev a r i a b l ec a n c e l l a t i o n i i i 华中科技大学博士学位论文 p o t e n t i a la n dt h ei n v a r i a b l ep o t e n t i a lc a u s e db yu n i p o l a rc h a r g e so f t h el i g h t n i n g b o t ho f t h e mv a r yw i t ht i m eb u tt h ef o r m e ro fe v e r yc o m p o n e n to ft h et o w e ri sd i f f e r e n t t h e q u a s i s t e a d yi n d u c e dc h a r g em e t h o dp r o v i d e sa ni m p r o v e m e n t f o rc o m p u t i n gt h el i g h t n i n g p e r f o r m a n c eo fu l t r a - h i g ht r a n s m i s s i o nt o w e r s a sc o m p a r e dw i t hm o s to t h e rm e t h o d st h e t h e o r yp r e s e n t e dh e r ed i f f e r si nt h ef o l l o w i n gf a c t o r s ： 1 t h ew a v e so fc h a r g ea n dc u r r e n tt r a v e l i n gf r o mt h et o w e rt o pa r ed i f f e r e n tf r o m g e n e r a lt r a v e l i n gw a v e s o w i n gt ot h em u t u a lc o u p l i n ge f f e c to ft h et o w e r , g r o u n d w i r e sa n dc o n d u c t o r s ，t h et o w e rs y s t e mc a n n o tb ed i v i d e di n t os e v e r a la b s o l u t e e l e m e n t so rr e p r e s e n t e db yi n d u c t a n c e so rs u r g ei m p e d a n c e s e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h e o r yi se m p l o y e d t od e t e r m i n et h ev o l t a g ea c r o s st h ei n s u l a t o rs t r i n g ，t h u sa v o i d i n g t h et r o u b l eo f c o n s t i t u t i n ga n e q u i v a l e n tc i r c u i t 2 t h ei n f i n i t ep o i n ti st a k e na sp o t e n t i a lr e f e r e n c ep o i n t ，t h u s ，as e r i e so fu u i v o c a la n d c o n c i s ee q u a t i o n sw a s d e v e l o p e d 3 t h en e wm e t h o dt a k e sa c c o u n to ft h ee f f e c to fs o m eg e o m e t r i c a lf a c t o r ss u c ha st h e r e l a t i v e p o s i t i o no ft h et o w e r , g r o u n dw i r e sa n dc o n d u c t o r s ，t h ec u r v i t yo fg r o u n d w i r e sa n dc o n d u c t o r s b yu s i n gt h eq u a s i s t e a d yi n d u c e dc h a r g em e t h o d ，as o f t w a r ew a sd e v e l o p e df o rt h e c o m p u t a t i o no fl i g h t n i n go v e r v o l t a g e so fu l t r a - h i 咖t o w e r s s u r g er e s p o n s e sc a l c u l a t e db y t h ep r o p o s e dm e t h o ds h o was a t i s f a c t o r ya c c u r a c yc o m p a r e dw i t han u m b e ro f c o m p u t e d r e s u l t so fn e c - 2a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so far e d u c e d - s c a l em o d e l t h e l i g h t n i n g o v e r v o l t a g e so f t h ej i a n g y i nu l t r a - h i g ht o w e rw a sc o m p u t e da n da n a l y z e db yt h es o f t w a r e t h ev o l t a g ea c r o s si n s u l a t o rs t r i n g si s c o m p o s e do ft w oc o m p o n e n t s ：t h ei n d u c e d c o m p o n e n ta n dt h ef e dc o m p o n e n t i ti ss h o w nb yc a c u a t i o nr e s u l t st h a tt h er e l a t i v e i m p o r t a n c eo f t h e t w o c o m p o n e n t sd e p e n d s o nt h et i m et oc r e s to f t h es t r o k ec u r r e n t a r c i n gh o r ni su s e df o rp r o t e c t i n gi n s u l a t o r sa g a i n s tf l a s h o v e ro nt h es u l m a c e t h e d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sa ne x p e r i m e n tf o rv e r i f y i n gt h ep r o t e c t i n gp e r f o r m a n c eo fa n a r c i n g h o r n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea r c i n gh o r n 谢t hi t sl e n g t ha b o u t7 5 o ft h a to ft h e i n s u l a t o r s t r i n g c a n p r o t e c t t h ei n s u l a t o r s t r i n g se f f e c t i v e l y t h o u g h t h e l i g h t n i n g w i t h s t a n d i n gl e v e lo f t h el i n ew i l ld e c r e a s e ，t h eo u t a g er a t eo n t r a n s m i s s i o nl i n e sw i l ln o tb e a f f e c t e do b v i o u s l yc a u s et h el e n g t ho f t h ei n s u l a t o rs t r i n gi n u l t r a - h i g h t o w e r si sv e r y l o n g f i n a l l y , a so n eo f t h em e t h o d sf o r p r e v e n t i n gl i g h t n i n gs h i e l d i n gf a i l u r e s ，t h ev a l i d i t y o f s h o r th o r i z o n t a ls i d en e e d l e sw a s i n v e s t i g a t e dt h r o u g hs i m u l a t i n g t e s t s 华中科技大学博士学位论文 k e y w o r d ：u l t r a h i g h t r a n s m i s s i o nt o w e r , l i g h t n i n go v e r v o l t a g e ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ， q u a s i s t e a d yi n d u c e dc h a r g em e t h o d ，a r c i n gh o r n ，e x p e r i m e n t v 华中科技大学博士学位论文 1绪论 本章简要介绍了输电线路杆塔雷电过电压研究的发展与现状分析了目前过电压 保护规程在分析高杆塔，尤其是特高杆塔的雷击响应时存在的不足，并介绍了国内其 它大跨越杆塔的防雷情况本章介绍了相关的杆塔模型与试验方法，着重分析了雷击 杆塔的电磁场分析方法，指出目前存在的问题与解决的办法最后陈述了本论文的主 要研究内容及后续章节的安排 1 1 问题的提出 长期以来一直认为操作过电压在超高压电网中起主导作用，且线路抗雷能力会随 电压等级的提高而自然增大，因而对超高压线路防雷工作重视不够。然而，随着保护 设备性能的提高和保护措施的不断完善，在开关等设备因素造成的故障逐渐减少的情 况下，操作过电压在绝缘配合中占突出地位的情况有所改变，由雷电导致的线路跳闸 占故障总数的比例有所上丹。尤其是线路尺寸的增大和对其可靠性的要求增加使得线 路的防雷问题随电压等级的提高而更加突出，这从俄罗斯1 9 8 5 1 9 9 4 年1 0 年间5 0 0 k k 7 5 0 k v , 1 1 5 0 k v 线路的运行统计数据明显可以看出【l l 。 由于雷电这一自然现象的复杂性，在人们对雷电的形成和发展机理还处于探索阶 段的情况下，常借助理论分析和模拟试验的手段来解决实际的工程问题。随着测量技 术、电子技术的发展，对防雷的研究逐步进入了运行经验总结、现场实测、模型试验、 理论模型分析及计算机仿真计算综合使用的阶段。高速电子计算机的发展使我们可以 实现复杂但更为准确的计算方法，使之更好地应用于工程实际；试验测量仪器技术参 数的提高使过去不能实现的高速暂态过程的测量成为可能。 因此，借助于先进的计算和测量手段，超高压线路防雷问题的研究具有重要的实 际应用意义。 本论文的研究工作主要针对输电线路特高杆塔的直击雷分析和防护。 输电线路在跨越大江或山谷时，需要采用高杆塔或特高杆塔。由于塔高、档距长， 导、地线的平均高度也很高，且导、地线之间的距离很大，它们之间的耦合也差，因 此，雷击产生的过电压比普通线路严重得多。绝缘配合以防护雷击和对雷电过电压的 绝缘配合为重点。 华中科技大学博士学位论文 对特高杆塔而言，雷击杆塔的情况更为复杂。以正在修建的江阴长江大跨越工程 为例【2 】，如图1 1 所示，该工程跨越长江的档距长达2 3 0 3 米，两侧邻档也有7 0 0 米档 距，采用的跨越塔高度为3 4 6 5 米。由于该工程跨越塔高度远远超过常见杆塔，按2 6 s 的斜角平顶波计算，雷电流到达峰值的时间与地面的反射波到达塔顶所需时间( 。 2 3 1 p s ) 相差不大，此时若不计延迟效应会带来较大的误差。由于线路弧垂较大，在 分析杆塔雷击响应时，应该充分考虑杆塔一避雷线一导线系统各导体之间的电耦合与 磁耦合。考虑到特高杆塔结构上的特点，若直接把分析和测量较低杆塔的方法推广到 这样的特高杆塔上去，难免会引起较大的误差。 图1 15 0 0 k v 江阴长江大跨越面不意图 此外，垂直下行的雷先导到达一定位置后，会从塔顶伸展出上行的迎面先导，两 者相遇时即发生主放电过程。杆塔越高、塔顶附近的雷云电场畸变越大，导致上行雷 的概率越高。统计曲线表明，特高塔产生上行迎面先导的概率高达9 0 左右。因此， 研究时应充分考虑上行迎面先导对过电压的影响。 为了避免霄击引起的短路电流对跨越塔悬垂绝缘子串的烧灼，传统的办法是采用 较高的耐雷水平，不少大跨越工程都采用2 0 0 k a 作为雷击塔顶时的耐雷水平。按照现 行规范的推算方法，这样大雷电流的雷击只占所有霄击的0 5 。此外，虽然高建筑物 易受雷击，但是高建筑物上行雷多，大雷电流小，国内多年来已建大跨越工程的运行 中极少见到超过1 0 0 k a 的雷击塔顶记录。因此，特高杆塔的防雷及绝缘配合问题应在 充分考虑特高杆塔特性的基础上通过审慎的分析研究与计算解决，过分提高杆塔绝缘 强度的做法并不可取。 华中科技大学博士学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 规程法 1过电压保护规程的发展回顾 目前国内输电线路防雷设计工作的主要依据是过电压保护规程，其中防雷计算的 有关规定随着设计和运行经验的积累历经几次修改。 a 1 9 5 6 年颁发的“过电压保护导则”【2 】 “导则”对雷电流i 采用半余弦波形，即： ， i = 丝( 1 一c o s 耐) ( 1 1 ) 2 、 。 其中：雷电流幅值。 其最大陡度出现在二分之一波头时间处。“导则”认为最大雷电流陡度超过 5 0 k a s 的可能性非常小，即最大陡度为： 其中： 誓波头长度。 r 导则，认为雷击塔顶时绝缘子串上的过电压包含三个 分量：流经杆塔接地电阻和杆塔电感的雷电流分流造成的过 图1 2 雷击塔顶等效电路 电压分量，以及主放电引起的感应过电压分量。其等效电路如图1 2 所示。塔身用等 值电感厶代替，杆塔冲击接地电阻为r 曲，厶为杆塔两侧邻档避霄线的电感并联值， 设电流f f 流过杆塔入地，则塔顶电位嘶为： 驴蹦+ 厶百d i t = d 蹦+ 厶罢) ( 1 4 ) 其中：卢= i t 分流系数。 华中科技大学博士学位论文 杆塔电感厶的计算公式为： 厂d 厶、 l ，= 0 2 h , ll n 土一1l ( i 5 ) l ，f 其中：，f 杆塔等值半径。 “导则”按( 0 1 j 计- 1 0 ) h a 来考虑感应过电压，其中幻为导线平均高度，单位为 m 。“导则”认为对于般线路杆塔，感应过电压不超过最大电压的2 0 ，实际计算时 可忽略电感电压，取雷电流达到最大瞬间的电压与绝缘子串的5 0 放电电压相配合。 对于跨河等很高的杆塔，则认为必须采用更为精确的计算方法，并仔细考虑杆塔电感 和绝缘的伏秒特性。 b 1 9 5 9 年颁发的“过电压保护规程” 2 1 “规程”在线路防雷保护方面基本继承了1 9 5 6 年“导则”的计算原理和有关规 定，并根据国内外一些大跨越工程的实际情况归纳出4 0 米以上高塔每增高1 0 米增加 1 片绝缘予的推算方法。 c 1 9 7 9 年颁发的“电力设备过电压保护设计技术规程”( s d j 7 7 9 ) 和1 9 8 4 年颁发 的“5 0 0 k v 电网过电压保护绝缘配合与电气设备接地暂行技术规定”1 3 1 ( s d j 7 、7 9 ) 规定，在线路防雷设计中雷电流的波形一般为f 尸2 6 ：l s 的斜角波。 在设计特殊高塔时，可取半余弦波形。( s d j 7 7 9 ) 提出的杆塔波阻抗和电感值如表1 1 所示。，= 2 6 1 t s 时，对于一般长度的档距，“规程”建议分流系数可按表1 2 选取。 “规程”考虑到对1 0 0 米以上高塔使用高度超过4 0 米时每增加1 0 米塔高增加1 片绝缘子的推算方法，可能使杆塔尺寸过分加大而造成浪费。结合国内外大跨越工程 雷害事故并不突出的运行经验，对上述推算方法规定了只适用到1 0 0 米高度的限制， 对更高的杆塔要求结合运行经验，通过雷电过电压的计算确定。 表i i 杆塔波阻抗和电感平均值 杆塔型式杆塔波阻抗( o )杆塔电感( i t h m ) 无拉线钢筋混凝土单杆 2 5 00 ，8 4 有拉线钢筋混凝土单杆 1 2 5o 4 2 无拉线钢筋混凝土双杆 1 2 50 4 2 铁塔1 5 0o 5 0 门型铁塔 1 2 5o 4 2 4 华中科技大学博士学位论文 表1 2 般长度档距的线路杆塔分流系数卢 额定电压( k v )避雷线根数芦 单避雷线 0 9 9 1 1 0 双避雷线0 8 6 单避雷线0 9 2 2 2 0 双避雷线 0 8 8 3 3 0双避霄线0 8 8 d 1 9 9 7 年颁发的行业标准“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合” 其附录“雷电过电压计算的一些参数和方法”1 2 】中对线路防雷保护基本沿用1 9 8 4 年“技术规定”的有关规定，并参考5 0 0 k v 大跨越工程实践，对塔身电感和感应过电 压分量计算，按正比于高度的方式计入了导线横担与塔高和导线与地线的平均高度不 等的影响。“行业标准”不再论及雷击大跨越高塔的过电压也不再提及半余弦波头的 雷电流和绝缘予串伏秒特性相配合的方法。 2国内特高杆塔的绝缘配合经验 由于缺乏成熟、权威的计算方法，国内一些大跨越工程往往在比较各种计算方法 的结果之后，还是参照1 9 5 9 年规程的推算方法计算高塔绝缘子串中的绝缘子片数。 1 9 7 7 年2 2 0 k v 南京长江大跨越工程设计参照1 9 5 6 年“导则”提到的用集中参数 计算过电压值和用伏秒特性进行绝缘配合的模式作了尝试，其结果比1 9 5 9 年规程的 推算结果略高。考虑到已有大跨越工程的良好运行，对跨越高塔的悬垂绝缘子串片数 仍参照上述推算结果取用。 1 9 8 6 年荻港大跨越工程设计中，由于运行情况表明以往大跨越工程很少因雷击跳 闸，其绝缘水平裕度较大。又在1 9 5 6 年“导则”和1 9 5 9 年规程指导下对南京大跨越 工程设计中使用的防雷计算作了一点修正。在塔身电感和感应过电压分量的计算中以 正比于高度的方式计入了导线横担与塔顶高度、导线与地线平均高度不同的影响。并 且对杆塔分流系数和感应过电压分量考虑了随时间变化的因素。计算结果明显低于按 4 0 米以上高塔每增高l o 米增加1 片绝缘子推算的片数。经过讨论，最后采用4 0 米以 上每增高1 0 米塔高增加1 4 6 毫米绝缘高度的方法推算出来的折中片数。 如表1 3 所示，国内部分跨越工程采用的绝缘子水平与规程不尽相同【2 1 。 华中科技大学博士学位论文 表1 3 国内部分跨越工程绝缘配合 电压等级档距塔高绝缘子高度实际使用的规程推算的 年代跨越工程 ( t 功)沏)( r a m )绝缘子片数绝缘子片数 1 9 6 0沌口2 2 01 7 2 31 4 6 82 1 02 01 9 1 7 1 9 7 2阳逻2 2 01 5 3 81 4 61 7 02 12 1 5 2 1 9 7 7南热北江2 2 01 1 0 71 6 41 5 52 52 5 4 1 9 7 7 南热南江 2 2 01 9 3 31 9 3 51 5 52 72 8 3 5 1 9 8 0 闵行新周 2 2 06 1 31 2 2 51 6 02 22 0 5 8 1 9 8 1大军山5 0 01 1 6 51 3 51 7 03 62 9 6 3 1 9 8 6获港5 0 01 2 2 11 6 01 5 53 73 4 8 5 1 9 8 6平洛5 0 01 4 7 82 0 2 51 9 53 13 0 8 8 1 9 8 6平圩5 0 01 0 6 31 6 31 5 53 73 5 1 3 i 2 2 波阻抗法 在研究杆塔冲击响应时，为了把复杂的场的问题用路的方法进行计算和处理，提 出了杆塔波阻抗的概念。常规行波理论认为杆塔的波阻抗不随时间变化一般将杆塔 看作电感或具有固定冲击阻抗的垂直短传输线以得到注入电流和塔顶电位之间的关 系，即用与接地电阻串联的电感或分布电感和电容电路来代替杆塔瞄j 。进一步研究 发现，任一波导系统中，电磁波的传播特性与系统的结构和波源的特点有关，因而杆 塔的波阻抗定义与均匀传输线有所区别，波阻抗随时间变化。 1 几种杆塔波阻抗模型 在各种简化模型和真塔的研究和测量基础上，产生了各种杆塔波阻抗模型： a 圆锥模型【5 】： z - s 叫高j s ， 其中：口圆锥的顶角。 利用圆锥模型得到的杆塔波阻抗不会随时间变化，因而在任意电流波形下都可使 用相同的表达式。 6 华中科技大学博士学位论文 b 基于回路积分的办法，w a 印e r 提出了简化的圆柱模型嘲，波阻抗随时间变化，对 于方波电流： z ：6 0 l i l f 压兰1 ( 1 7 ) c t = 2 h 时达到最大值： z ：6 0 1 1 1 r 压丝 ( 1 8 ) 对斜角波电流： z = s 。 h ( 互孚 一+ j + ( 寺) 2 c ， c t = 2 h 时达到最大值： z = s 。i ，n 互等) 一，+ j ；+ ( 云 2f c 。， 当胁 ，时，最大值为： z ：6 0 1 n f 压竺1 6 0 lr 其中：h 圆柱高度 ，圆柱半径下 c k a w a i 提出的模型【7 j ，冲击阻抗为l 6 - 1 0 0 - - 1 1 5q ，冲击传播速度为光速的午 7 0 - - 8 0 ，冲击衰减系数为0 8 - 0 9 ；l 垃 d i e e e 推荐的平均冲击阻抗计算公式业 吼如图1 3 所示，杆塔被模拟成一 个圆锥： 础吣啦0 5 - 1 r ? ) 其中：r 杆塔的等值半径； h 杆塔高度 r = “+ 吒日+ r 3 岛) h 图1 3 杆塔阻抗模型 ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 华中科技大学博士学位论文 其中：r j 杆塔顶部半径 n 杆塔中间部分半径 ，杆塔底部半径 j 从底部到中间部分的高度、 见从中间到顶部的高度 e j o r d a n 公式【9 】： z ；6 0 1 n f 旦1 + 9 0 旦一6 0 l r 爿 此时的r 是圆柱的等值半径，因此： r = “如+ r 2 h + ) ( 2 h ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 2杆塔冲击响应的试验研究 杆塔波阻抗的测量有两种方法，一种是反射法【l3 j ：陡波经引线传入塔顶，观察测 量引线的反射波以计算塔顶的暂态波阻。实验所得的塔波阻值一开始很高，然后随时 间下降。在计算冲击波在杆塔与地线的连接处的反射与折射时，一般认为这种方法是 正确且有效的，但不能用于测量雷直击杆塔的情况。另一种是直接法【7 】：将冲击发生 器置于塔顶，直接测量绝缘子串两端的电压。电流注入前没有外场存在，且外场是从 塔顶成球形扩散，如果没有地线存在，在塔脚的反射到来之前，绝缘子串两端的电压 持续上升( 与反射法恰好相反) 。 ( a )( b ) 图1 4 直接法垂直接线方式 直接法需要一根连到冲击发生器的引线以给回击电流提供路径，测量真正的杆塔 华中科技大学博士学位论文 时，在塔顶安放一根垂直于地面的引线显然是困难的，因而在直接法中给回击电流提 供通道的电流引线往往也是水平地连接在塔顶的。几种典型的直接法接线方式如图 图1 5 直接法水平接线方式 1 和图1 6 所示。比较而言，采用电流引线、电压测量引线、杆塔三者互相垂直的布 置方式可以避免磁耦合的影响。但由于雷电先导跟金属导线的本质不同，而且主放电 的发展速度比电流在导线上的传播速度小得多，主放电通道与杆塔及电压测量引线的 电耦合与磁耦合，与电流引线与杆塔及电压测量引线的耦合有很大差别，测量与真实 的雷击情况不能相提并论。不仅如此，由于电流引线和电压引线的引入改变了整个测 量系统的电磁场分布，它们与杆塔或杆塔模型互相耦合，任何企图“扣除”引线影响 的方法都是不正确的。 近年来，国内上海交通大学、武汉高压 研究所、江苏省中试所、浙江省中试所等单 位陆续开展了杆塔冲击响应的模拟试验【5 ”。 文 5 l 】采用图1 6 的测量布置，采用模型塔试 验与真型塔实测相结合的方法，测得5 0 0 k v 线路通用塔型z n 拉线塔的杆塔波阻抗为 1 1 4 f 2 ，波在塔中传播的速度为光速的8 3 ， 横担电位分别是塔顶电位的9 0 一9 2 。文 5 1 提出用加装杆塔拉线来降低塔顶电位的 方法。 图1 6 直接法水平引线互相垂直接线方式 1 9 9 1 年，3 2 7 1 5 在直接法测量结果基础上提出了双回路杆塔模型e 实验所用杆塔 为高6 2 8 米、底部宽1 0 8 米的铁塔。测量布置如 图1 7 所示。3 0 0 米长的5 0 q 同轴电缆连接地上 的冲击发生器和塔顶以输入电流。电缆芯通过l q 的电阻与地线横担相连，电缆外皮在杆塔端开 图1 7 杆塔与冲击发生器布置与连线 9 华中科技大学博士学位论文 路。分别用分流器和分压器测量注入电流和绝缘子串两端电压。测得的信号通过光纤 传到地面。测量系统的频率范围受电光信号转换器限制，为d c - 1 2 m h z 。冲击发生器 产生上升时间2 0 n s ，持续时间4 9 s 的陡波或上升时间4 a s 的缓波。 采用这样的试验布置，不仅自电源发出的电磁波会从空间最短距离传播造成干 扰，而且采用电缆连线使得电磁场分析更加复杂，其影响难以估计；再加上引线有倾 斜角和转折点，计算时要多次叠加，利用试验得到的结果来计算杆塔的“波阻抗”显 然是不太合理的。 在测量的基础上，文f 1 5 1 提出了一个多层电路模型，如图1 8 所示。电路用e m t p 进行仿真。为计算每一串绝缘子的电压，杆塔模型以每一相的横担为界分为四部分， 每部分都包含一段无损传输线和并联的阻尼电阻和电感。参数的取值依据实验得出。 雷电通道的波阻抗取4 0 0 q 。这种模型得到的最小反击电流比传统的方法要低2 0 。 其缺点是模型中比较高的等值塔波阻造成流入地线的电流比测量值大。日本的特高压 和超高压双回线都推荐使用这种多层模型。 1 9 9 5 年，上述多层杆塔模型又! 有了新的发展【1 6 】，建立在实测超 高压杆塔雷电冲击响应的基础上， 多层杆塔模型的参数被确定下来， 冲击阻抗被认为是1 2 0q 左右。 文 1 6 1 介绍了对1 4 0 5 米高塔 进行的试验。冲击发生器放在塔 顶，电流引线和辅助电压引线用气 球吊起，保持与地面平行，与导线 垂直，这样做可以保证它们与杆塔 和导线间的磁耦合最小，却不能消 除电耦合的影响。该文也承认感应 引起的误差。文 1 6 】采用2 0 次波 形平均的方法消除噪音的干扰。 l 三l ，一， k l 么呈 r 1 3 l 么塞r z 乜 毋 、 儿 图1 8 多层杆塔模型 此外，考虑到杆塔的结构特点，还有一些利用垂直导体及多导体模型来计算波阻 抗的计算方法，在如何处理不同形状杆塔和横担等几何因素的影响上作了一定的研 究，其主要目的是为了拟合试验测量的结果，但无论是计算还是试验都没有突破杆塔 “波阻抗”的概念【2 6 卜【3 ”。 一些杆塔采用目前的公式计算值和实测结果如表1 4 所示。 i o 蟹垂节譬一 华中科技大学博士学位论文 表1 4 杆塔波阻抗计算与测量值 杆塔编号 l234567 r l h h5 02 52 53 02 51 51 o r 2 h 6 54 04 06 54 02 31 9 r 3 | m 1 1 ol o 81 3 01 4 01 1 05 ，64 0 h l l m 6 06 1 58 1 58 06 03 l 2 4 h 2 m 6 05 95 98 06 03 l2 4 h m1 2 01 2 0 51 4 0 51 6 01 2 06 24 8 j o r d a n 公式计算结果o 1 1 41 3 l1 3 01 2 81 3 01 2 71 2 9 i e e e 和c i g r e 公式计算结果q 1 8 71 8 61 6 91 8 41 8 6 1 8 31 8 5 实测值q2 0 31 3 01 3 01 4 41 4 91 5 41 4 9 实测值与各种公式计算结果各不相同，无法统一。 1 2 3 杆塔雷击响应的电磁场分析方法 计算杆塔冲击响应的电磁场分析代表方法有l u n d h o l m 提出的回路法【2 2 】【2 3 】和 w a g n e r 提出的抵消场法【1 ”，其研究方向无疑是值得肯定的，但在建立计算模型和计 算过程中存在一些错误与不足之处，限制了它们的使用范围，将其用于特高杆塔雷电 过电压分析需要进一步研究和改进。 1电荷和电流波产生的电场 雷击输电线路杆塔顶端时，以负极性雷电波为例，绝缘子串两端产生的电压由两 个分量组成： a 负