1、从20世纪70年代开始，美国、前苏联、巴西、意大利和比利时就相继开始从事紧凑型输电技术的研究。 美国早于20世纪70年代就开始研究紧凑型输电技术，但在美国的输电线路中，却很少采用紧凑型输电技术。为了减小线路走廊宽度，提高单位走廊宽度输送容量，降低线路工程造价，美国更多采用同塔双回或同塔多回输电技术，且较多采用V型绝缘子串。所以，实际上，美国的紧凑型线路采用的是紧缩型技术，并非真正的紧凑型。前苏联对紧凑型输电技术的研究，也于20世纪70年代开始，他们的研究更着重于大幅度提高单位走廊宽度线路的自然功率和输送容量，即所谓高自然功率超紧凑型输电技术。它采用压缩相间距离，增加导线分裂根数，增大分裂导线的
2、分裂间距，变化导线中边相及在塔头与档中分裂导线布置方式和距离等措施，使每一根导线电荷分配均匀和表面场强分布均匀，进而达到大幅度提高线路自然功率和充分利用导线表面面积的目的。巴西从1984年至今先后建成并投运了2000多公里的500kV紧凑型线路。先后研究了4种自立式与2种拉线式塔型。工程中实际采用的塔型为三相导线按正三角型排列的自立式铁塔。2.2 国内研究现状我国对紧凑型输电技术的研究起步相对较晚，20世纪80年代初，根据“七五”科技攻关项目，完成了500kV紧凑型拉V塔和紧凑型柔索塔的研究。1994年9月，我国建成投运了第一条紧凑型输电线路：220kV安定-廊坊线。1999年12月，我国建成
3、了500kV第一条紧凑型线路：昌平-房山线，全长85km。随后，我国又建成投运了第一条500kV同塔双回紧凑型输电线路：政平宜兴线；第一条330kV紧凑型输电线路：天水成县线4。近年来，紧凑型输电技术在我国500kV输电线路上得到了一定的推广应用，河南河北200多公里，内蒙河北，两条各200公里；南网天广四回300km，东北500多公里，还有河南、湖南、山东等省都相继建设了500kV紧凑型输电线路。3 防雷性能及绝缘配合研究方法德墨500kV紧凑型输电线路的防雷性能和绝缘配合主要采用理论计算的方法展开研究，根据反击与绕击两种不同闪络情况，采用不同的方法进行计算。本论文理论计算拟分为两个主要部分
4、：1） 基于电路模型进行元件建模，采用计算机仿真软件PSCAD/EMTDC计算雷击杆塔时线路的耐雷水平；2） 基于经验公式和实验数据，依据标准和规范提供的方法进行绕击耐雷水平和雷击跳闸率的计算。以下对仿真计算原理及理论计算方法进行介绍。3.1 输电线路耐雷水平仿真平台及基本原理56将雷击杆塔时输电线路对雷电暂态有决定和影响作用的元件进行电路建模，使用PSCAD/EMTDC软件将元件模型组合为输电线路雷电过电压计算模型，经过计算机仿真计算即可得到目标参数雷击杆塔塔顶避雷线时线路的耐雷水平。在线路防雷计算和其它过电压计算设计中，一般都需要进行暂态过电压的数值模拟计算。到目前为止，使用较多的数值模拟
5、计算软件有EMTP和ATP程序等，目前EMTP程序已在我国广泛使用，为我国的电力系统雷电过电压的数值分析提供了有效的手段。目前最新版本的EMTP软件包的Windows版本（PSCAD/EMTDC）已经发行，克服了传统的DOS版本的EMTP程序的计算输入输出的不方便性和复杂性，具有友好的人机界面，更加方便计算分析，系统软件设计更加符合软件工程的思想。程序主要为两部分，图形输入输出部分PSCAD及系统模型与计算部分EMTDC。这样在用户界面与结构化设计方面就有了根本性的变化。PSCAD界面系统让使用者通过简单的拖放操作搭建图形化的输电线路杆塔的物理模型，自动生成电气参数。EMTDC又将程序分为几个
6、部分：核心计算模块，电路参数计算模块，用户模型定制模块，为用户构造模型打下了基础。另外最新Windows版本的EMTP软件包可以根据需要自己建立非线性电阻和开关模型，如建立绝缘子的雷电冲击闪络伏秒特性模型，能很好地考虑实际绝缘子串的闪络特性，使计算结果与实际运行结果更加接近。3.2 输电线路雷电过电压仿真计算模型79输电线路雷电过电压仿真计算的基本思路是对输电线路中关键元件雷电流、输电线路、杆塔、绝缘子进行电路建模，描述对应元件的暂态特性，由元件的等效模型建立输电线路雷电过电压计算模型，采用相应的电路计算方法对雷击杆塔时发生的暂态过程进行定量计算。图1 所示为雷击杆塔塔顶避雷线时，由相邻3个杆
7、塔和其间4段线路组成的输电线路系统仿真模型示意图。图1 输电线路系统仿真模型示意图其中：L为雷电流模型，T1、T2、T3为相邻3个杆塔的电路模型，I为绝缘子模型，TL1-4为杆塔间4段输电线路的模型。通过施加不同幅值雷电流，仿真判断与T1相连接的绝缘子的绝缘状态，即可获得该段线路的耐雷水平。下面对输电线路系统中主要元件的计算原理作详细介绍。3.2.1 输电线路模型1011由于雷击输电线路的作用范围比线路导线的换位步距小得多，计算线路的电气参数时，输电线路被看成包括地线、三相导线在内的n根不换位多导线系统来处理。线路的电感和电容等参数均取高频时（106Hz）的参数。多导线线路的电气参数采用已有的
8、线路参数计算程序来计算。求解多导线线路波过程的基本方法是运用矩阵特征值和特征向量，采用矩阵相似变换，把在相量上相互之间有电磁联系的多导线线路上的波过程简化为n个相互独立的模量上相当于单导线的波过程，模量上的波动方程可表示为： （3） （4） （5） （6）式中L和C为多导线线路相量上的电感和电容参数矩阵，由于不考虑换位，故均为不平衡矩阵，具有不相同的对角线元素和非对角线元素；Um和Im为模量上的电压和电流列向量；u、i为对角矩阵；S和Q分别为电压和电流的模变换矩阵，可以根据L和C的数据计算得到。采用求解单导线波过程的Bergeron计算方法分别对每个模量求解，得到模量上的波过程解后再反变换到相
9、量，得到相量上的电压和电流解：USUm （5）IQIm （6）3.2.2 线路杆塔模型12沿输电线路杆塔的波过程通常有两种模拟方法：一是把杆塔作为由电阻和电感相串联的集中参数模型；另一种是把杆塔作为分布参数来处理，各种杆塔有其特定的波阻抗。分布参数可更好地模拟杆塔的暂态过程。特别是在复杂多导线线路防雷计算中，如果用集中参数电路来等效杆塔模型，则计算结果可能严重偏离真实值。因此，本文在计算时拟采用分布参数来处理杆塔（每一段钢结构用一个Bergeron分布参数线路来表示，主要参数为长度与波阻抗），用Bergeron方法直接求解其波过程，不同的杆塔部位取不同的波阻抗。在雷电流作用下，杆塔接地装置的接
10、地电阻呈现暂态电阻的特性，一般用冲击接地电阻来表征。冲击接地电阻不同于工频接地电阻，它是土壤电特性、接地装置形状和埋深以及雷电流的函数。在计算中，一般杆塔的冲击接地电阻取为7，而对于山区，特别是岩石地区的杆塔的冲击接地电阻要高得多。为了研究杆塔冲击接地电阻的影响，计算时冲击接地电阻取7100。图2所示为德墨500kV紧凑输电线路紧凑型杆塔结构模型。在工程上，杆塔常被等效为集中参数的电感或分布参数长线，同时以塔顶电位作为横担电位来计算绝缘子两端电压。这种工程计算算法在杆塔较高时往往会导致较大的误差，因为杆塔在雷电冲击电流作用下塔顶与绝缘子横担电位有较大的差别，而且杆塔各部分的分布参数的差别也较大
11、，因此需要采用更能反映实际的杆塔模型。本文采取的如图2所示的多段分布参数导线的杆塔模型。图2中Zc为杆塔横担等效波阻抗，Zb为塔身的计算等效波阻抗，Zs为杆塔支架等效波阻抗，R为冲击接地电阻。图2 500kV紧凑型杆塔电气等效图杆塔模型采用无损传输线网络等值电路，不同部分对应的传输线波阻抗不同，塔身用多段传输线支路串联构成，每段由表示塔身和支架的波阻抗并联组成。3.2.3 雷电流模型研究表明，雷电发展具有分布参数特征，一般假设其有一个均匀分布参数的雷电通道，从无穷远天空向地面延伸，其波阻抗为Z0，认为主放电过程是沿波阻抗Z0无穷长雷电通道向雷击点发展的前行波u0、i0，其中u0= Z0i0。可
12、以把雷电放电过程简化为数学模型，得到它的彼德逊等值电路（如图3）。由于雷电通道无穷长，无反射，因此用集中参数电阻Z0等效雷电通道波阻抗；考虑电源的性质，认为雷电发展相当于电流源作用。图3中Z表示被击物体的等值波阻抗，一般把雷击零电阻的物体时，流过该物体的电流定义为雷电流，恰好是沿雷电路通道传播而来的雷电流波的两倍，等值电路中，电流源直接用雷电流来表示。 图3 模拟雷击放电电路图雷电流标准冲击波可以用如下双指数公式描述： （7）3.2.4 绝缘子模型绝缘子串是雷电过电压计算中一个十分关键的模型，雷电暂态过程中，绝缘子串的工作状态与输电线路的耐雷水平直接相关。绝缘子一般采用受控开关模型等效表示，其
13、中受控开关表示绝缘子的绝缘工作状态，而控制源就是绝缘子闪络判据模型。绝缘子闪络判据是根据绝缘子两端承受的电压来判断绝缘子串的绝缘工作情况，即是否闪络。绝缘闪络判据主要有伏秒特性定义法和先导发展法。先导发展法是利用空气放电的物理机制，计算气隙中先导放电发生的情况，当间隙中先导长度达到间隙长度时，绝缘间隙即发生闪络。1）伏秒特性定义法1316伏秒特性定义法以绝缘子标准冲击波下的伏秒特性为依据，使用伏秒特性进行计算的一个前提假设是：绝缘子两端电压波形为相同峰值标准冲击电压波。伏秒特性法从实验数据出发，可以认为是规程法的一类。伏秒特性定义的判据可描述如下：当绝缘子承受电压峰值大于绝缘50%放电电压值时
14、，根据绝缘的放电时延可判断绝缘闪络时刻。如图4所示，曲线1a为绝缘子串上所出现的电压，曲线2为绝缘子在标准冲击波作用下所得到的伏秒特性曲线。判断时根据曲线1a的峰值作水平延长线，与伏秒特性曲线2交于F点，于是认为绝缘子将于tF时刻闪络。图4 伏秒特性定义法判断绝缘子闪络示意图从伏秒特性法原理可知，判据只关心电压的峰值，而忽略了电压的波形。在雷电发生时，线路上绝缘子串电压波形如下图所示，可见，相同峰值的电压波形，实际波形的瞬时电压值在绝大部分时间内低于标准波。因此，以标准波为假设的伏秒特性法计算得到的耐雷水平低于实际的耐雷水平。2）先导发展法先导发展法研究是从长空气间隙放电过程的研究开始的，以空
15、气间隙击穿的物理过程为依据，根据绝缘子两端电压，计算闪络过程各阶段的发展速度，对绝缘子的工作状态进行判断。伏秒特性定义法得到的结果比较保守，即计算得到的耐雷水平低于实际耐雷水平。而先导发展法从绝缘子的物理过程出发，结果比较准确。但目前的防雷计算多采用规程法进行计算，计算结果与伏秒特性法结果比较接近，因此，用伏秒特性法得到的结果与规程法得到的结果具有可比性，有参考意义。而先导发展法有助于了解杆塔的较真实防雷性能，对杆塔设计更有指导意义。3.3 雷击跳闸率电气几何模型计算法1720电气几何模型是指将雷电的放电特性与线路的结构尺寸联系起来而建立的一种几何分析计算模型。基本原理和假设如下：由雷云向地面
16、发展的先导放电通道头部到达被击物体的临界击穿距离（击距）之前，击中点不确定。头部到达某物体的击距以内，即向该物体放电。击距rs的大小由雷电流幅值I决定，可以用公式（8）进行计算，其中k、p为常数。 （8）不考虑雷击目的物体形状和邻近效应等因素对击距的影响，假定先导对杆塔、避雷线、导线的击距rs相等。假定先导接近地面时的入射角服从某一给定概率分布函数，垂直落雷密度最大，水平落雷密度下降到零。电气几何模型法计算思路可用图5表示。在不同的雷电流幅值下，根据导线、避雷线、地面击距，确定对应的暴露弧，即雷电先导确定向对应物体发展的点构成的轮廓线。根据导线的在电气几何模型中的暴露弧在地面方向的投影长度，确
17、定雷击导线概率，计算雷击跳闸率。图5中线路高度可以分别按悬挂点位置、平均高度和线路上各点实际尺寸三种方法进行选取。悬挂点，即导线在杆塔悬挂位置的高度；平均高度，即悬挂点高度减去三分之二弧垂；沿线平均，根据导线的弧垂公式，确定沿线路方向各点的导线高度，该点雷击跳闸率，对沿线所有点雷击跳闸率作沿线长度平均。用悬挂点高度计算得到的是一种最恶劣情况下的雷击跳闸率；沿线平均考虑线路所有点的高度值，是一个概率统计意义下的期望值，与实际结果比较接近；平均高度只在高度上做了全线考虑，未考虑不同点的雷击跳闸率差异，因此结果仅作参考。图5 电气几何模型示意图3.4 研究依据的标准本论文中线路的防雷性能将依照国际标
18、准、国家标准和电力行业标准进行计算，其中涉及到的方法和数据符合标准规定。西南地区在雷电活动情况方面有其特殊性，本文将采用标准中推荐的适合西南地区的计算方法进行研究。本文主要涉及到的标准和规范如表1。表1 论文研究涉及到的标准及规范标准号标准中文名称制定时间DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合1997DL/T 557-94高压线路绝缘子陡波冲击耐受试验-定义、试验方法和判据1994DL/T 5092-1999110-500kV架空送电线设计技术规程1999GB/T 16434-1996高压架空线路和发电厂、变电所坏境污区分级及外绝缘选择标准1996GB 311.1-199
19、7高压输变电设备的绝缘配合IEC 60060-1高电压测试技术-第1部分:总体定义和测试需求19894 研究内容及论文展开方式通过雷击杆塔时输电线路的计算模型和基于经验和实验的理论计算，对德墨500kV紧凑型单回超高压输电线路防雷性能进行定量的描述，提供线路的耐雷水平、雷击跳闸率等关键数据；在实验室开展缩比模型的试验研究，对仿真计算结果进行验证试验；并依据国家相关标准对线路防雷性能做出评估。研究结果将为线路的建设提供技术可行性依据。下面为本论文的主要研究内容和论文的展开方式。4.1主要研究内容本论文将针对德墨500kV紧凑型线路是单回和高海拔的特点，就其防雷性能和绝缘配合开展研究工作，对由雷击
20、产生的输电线路绝缘闪络过程进行分析，研究内容包括：1） 雷击杆塔顶部与一条避雷线连接点时（与雷击塔顶时情况相同），输电线路的暂态特性，以及由此暂态过程引起的可能发生的绝缘子闪络过程和不同雷电流幅值下绝缘工作状态。对与此过程相关的耐雷水平和雷击跳闸率进行定量计算。2） 雷电绕击导线时，输电线路可能发生的绝缘子闪络的过程，以及不同雷电流幅值下绝缘工作状态。针对线路的地形特点，对与此过程相关的绕击跳闸率采用规程法和电气几何法进行定量计算。3）雷电绕击导线的试验研究，建立500kV紧凑型单回超高压输电线路的缩比模型，改变雷云高度、方位参数和避雷线保护角，确定线路的实际绕击率，为理论计算提供依据。4）绝
21、缘配合研究，依据德宏墨江500kV高海拔紧凑型线路内过电压和雷电过电压的研究结果，对紧凑型线路的绝缘水平选择进行分析和研究。包括雷电过电压下绝缘水平、操作过电压下的绝缘水平、工频暂时过电压下的绝缘水平、高海拔地区的绝缘水平。4.2 论文展开方式4.2.1 收集国内外相关研究资料收集国内外线路防雷和绝缘配合方面的研究资料，对比已建超高压紧凑型线路的防雷措施和绝缘配合设计，分析已有研究方法和研究成果的优缺点，明确后续计算研究的主要方向和侧重点。4.2.2 提取线路参数针对德墨500kV紧凑型线路，通过设计单位提取相关线路、塔型、海拔、相关电气设备参数等。4.2.3 线路过电压仿真计算利用EMPT暂
22、态过电压仿真计算平台，对线路不同区段建立仿真模型，得出内过电压和外过电压计算结果。4.2.4 得出研究结论围绕单回紧凑型、高海拔的特点，依据仿真计算结果，得出德宏墨江紧凑型线路的过电压水平和限制过电压措施，并确定该紧凑型线路的防雷性能，提出该紧凑型线路杆塔的空气间隙距离要求值。参考文献1 中华人民共和国电力行业标准，DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合，1997.2 解广润. 电力系统过电压M . 北京:水利电力出版社,1991.3 黄志秋. 同杆多回500kV输电线路雷电过电压分析：工程硕士学位论文. 北京：清华大学电机系，20024 吴维韩，张芳榴等. 电力系统过电压
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