基于雷電流頻譜特性研究提高線路耐雷性能的方法

張 杰，阮耀萱，韓永霞，唐 力，劉 剛

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510641；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510080）

基于雷電流頻譜特性研究提高線路耐雷性能的方法

張 杰1，阮耀萱1，韓永霞1，唐 力2，劉 剛2

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510641；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510080）

輸電線路防雷機(jī)理和措施一直以來是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在輸電線路防雷保護(hù)基礎(chǔ)研究中，雷電流參數(shù)具有重要研究意義。針對雷電流基礎(chǔ)參數(shù)結(jié)合雷電流頻譜特性，從濾波角度探索研究提高輸電線路耐雷性能的新方法。首先，基于各種雷電流模型簡要分析雷電流頻譜特性。其次，采用3階巴沃特斯低通濾波器對雷電流進(jìn)行濾波分析，仿真結(jié)果表明，濾波后雷電流波形發(fā)生明顯變化，波頭變平緩即陡度下降但幅值變化較小。最后，基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件建立了某110 kV、220 kV和500 kV輸電線路耐雷性能仿真模型，仿真分析了雷電流濾波前后對各電壓等級輸電線路反擊耐雷水平的影響。仿真結(jié)果表明，雷電流濾波后各電壓等級輸電線路絕緣子串兩端電壓波形變得較平緩、光滑，其反擊耐雷水平得到了大幅提高。因此，可結(jié)合雷電特點(diǎn)及濾波器的可實(shí)現(xiàn)性方面設(shè)計(jì)基于濾波器概念的新型防雷裝置。

雷電流波形；頻譜分析；濾波分析；反擊耐雷水平；PSCAD/EMTDC

0 引言

雷擊是輸電線路跳閘的主要原因，輸電線路防雷機(jī)理和措施一直以來是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外對雷電觀測、特性參數(shù)獲取及雷電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究極為重視[1-5]。與輸變電工程雷電防護(hù)相關(guān)的雷電參數(shù)有雷電日、地面落雷密度、雷電流幅值及波形等，三者決定了輸電線路雷擊跳閘率[6]。其中，雷電流幅值、陡度對輸電線路耐雷性能有很大影響，結(jié)合雷電流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對雷電流進(jìn)行濾波分析，對提高輸電線路耐雷性能有很大幫助。

各國學(xué)者對雷電流參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測研究，并提出了各種雷電流模型[7-10]。相關(guān)學(xué)者也針對各種雷電流模型進(jìn)行頻譜特性分析研究[11-14]，也有學(xué)者仿真分析了各種雷電流模型對輸電線路反擊耐雷性能的影響[15-17]。筆者主要針對雷電流頻譜特性，從濾波角度探索提高輸電線路耐雷性能的機(jī)理及方法。

針對上述問題，首先簡要分析了各種雷電流模型及頻譜特性。其次，對雷電流模型進(jìn)行濾波分析，仿真分析濾波對雷電流波形及參數(shù)的影響。最后，基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件建立某110 kV、220 kV和500 kV輸電線路耐雷性能仿真模型，仿真分析雷電流濾波后對輸電線路反擊耐雷性能的影響。

1 雷電流頻譜及濾波分析

1.1 各雷電流波形對比

雷電活動具有明顯的地域性和活動性，其波形參數(shù)監(jiān)測及波形參數(shù)分析是進(jìn)行雷電防護(hù)機(jī)理研究的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外雷電流波形參數(shù)的觀測數(shù)據(jù)表明，雷電流波頭時間為1～5 μs，平均為2～2.6 μs，波長20～350 μs。在防雷計(jì)算中IEC 60071-4推薦了斜角波和波前凹陷波（concave shape）[9]，我國規(guī)程規(guī)定電力系統(tǒng)工程計(jì)算雷電流為2.6/50 μs斜角波，而Heidler雷電流波形因與實(shí)測波形接近也被廣泛采用[7-8]。具體各雷電流模型對比如圖1所示。

針對上述不同種類雷電流波形，雷電流文獻(xiàn)[12]仿真分析了不同雷電流波模型對輸電線路耐雷水平的影響，仿真結(jié)果表明：不同雷電流波模型計(jì)算得到的輸電線路反擊耐雷水平差異較大。故雷電流波形特點(diǎn)對線路耐雷性能也有一定的影響，而波形的差異也可以看作是頻譜分布范圍的差異，因此可通過雷電流波形的頻譜特性和濾波分析來研究新的防雷機(jī)理及防雷措施。

圖1 各雷電流模型Fig.1 Models of the lightning

1.2 雷電流濾波分析

由相關(guān)研究可知[11-12]，雷電流的頻譜分量都是集中在0～100 kHz以內(nèi)，而能量譜主要集中在0～50 kHz以內(nèi)。從濾波角度理解，若將雷電流的低頻部分濾去可極大地削弱雷電流的能量進(jìn)而減少對輸電線路的危害。但雷電流能量巨大，要濾去其幅值很高的直流和低頻部分較為困難。而雷電流高頻部分量占比少，本文考慮從濾去雷電流高頻部分角度分析濾波后雷電流波形變化及對輸電線路耐雷水平的影響。

基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，利用仿真軟件自帶的3階巴特沃思低通濾波器對幅值為1 kA的2.6/50 μs雙指數(shù)波（負(fù)極性）和2.0/40 μs Heidler波（負(fù)極性）進(jìn)行低通濾波分析，濾波的截止頻率分別設(shè)置為50 kHz、100 kHz和150 kHz。得到雷電流濾波前后的對比圖見圖2，且表1給出了上述2種雷電流模型在濾波前后幅值、波前時間及陡度的變化。

由圖2可知，濾波后雷電流波形有明顯變化，而幅值變化較小，與1.1節(jié)中頻譜分析提到的雷電流高頻分量占比極小是相對應(yīng)。結(jié)合表1可知，在雷電流波高頻分量濾去后，其波頭變得相對平緩，雷電流的波前時間增大，陡度降低。由此可知，雷電流高頻分量對于雷電流波陡度影響較大。此外，2.6/50 μs雙指數(shù)波和2.0/40 μs Heidler波濾波后波形及波形參數(shù)變化趨勢相近，后續(xù)僅對2.6/50 μs雙指數(shù)波作進(jìn)一步分析。

圖2 雷電流波濾波前后波形對比圖Fig.2 Comparison of lightning current before and after filtering

表1 雷電流波濾波前后幅值和波前時間Table 1 The amplitude and front time of lightning current before and after filtering

2 雷電過電壓建模方法

由1.2節(jié)中分析可知，雷電流波在濾去高頻分量后可削弱其陡度，且輸電線路雷電反擊過電壓受雷電流陡度影響大，因此可嘗試將雷電流高頻分量濾去進(jìn)而提高輸電線路反擊耐雷水平。為驗(yàn)證雷電流濾波后其對輸電線路反擊耐雷水平的影響，基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)程序建立了某110kV、220 kV及500 kV交流輸電線路雷電過電壓仿真模型，仿真分析雷電流濾波后對不同電壓等級輸電線路反擊耐雷水平的影響。

2.1 雷電參數(shù)模擬

國內(nèi)外在雷電過電壓的工程計(jì)算中常采用的雷電流波形有雙指數(shù)波、余弦波、Heidler波形和斜角波。本文根據(jù)我國規(guī)程規(guī)定選取2.6/50 μs雙指數(shù)波，且雷電流通道波阻抗取300 Ω，雷電流模型如圖1所示。

2.2 輸電線路模擬

在雷電過電壓研究中，需充分考慮線路的頻率響應(yīng)特性，因此仿真計(jì)算中線路采用頻率相關(guān)（相位）模型。選取精確模擬110 kV、220 kV及500 kV交流輸電線路的6個檔距進(jìn)行反擊耐雷水平研究，為了消除電源處折反射的影響，兩端邊緣桿塔距離電源30 km，如圖3所示；其中l(wèi)為檔距，各電壓等級輸電線路均取350 m。

圖3 輸電線路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmission line

由于交流線路工作電壓高，雷擊塔頂反擊時，其在絕緣子兩端電壓中占比對輸電線路反擊耐雷水平有很大影響，在仿真計(jì)算時應(yīng)予以考慮[18-19]。且導(dǎo)線上工頻電壓瞬時值（相角）具有隨機(jī)性，筆者從嚴(yán)考慮，取雷擊塔頂時刻為線路耐雷水平最低時刻，即三相交流電壓某相為正峰值時刻。

2.3 桿塔的模擬

桿塔模型在輸電線路的防雷計(jì)算中至關(guān)重要，目前國內(nèi)外防雷計(jì)算分析中對桿塔的模擬主要包括集中電感模型、單一波阻抗模型及多波阻抗模型[20-21]。本文計(jì)算分析中采用由Yamada T和Hara T等提出的多導(dǎo)體分層波阻抗模型，該模型考慮橫擔(dān)和支架對桿塔波阻抗的影響，因此其波響應(yīng)特性更接近真實(shí)桿塔模型[22-23]。桿塔分層多波阻抗模型如圖4所示。

圖中，ZTK為塔身第k段主材波阻抗，ZA為鐵塔橫擔(dān)波阻抗；ZLK為塔身第k段斜材的等效波阻抗。

2.4 絕緣子串模擬

采用可控理想開關(guān)模擬絕緣子串的閃絡(luò)，其開斷狀態(tài)受絕緣子串兩端的電壓與閃絡(luò)判據(jù)控制。國內(nèi)外在計(jì)算線路耐雷水平時采用的絕緣子或空氣間隙的閃絡(luò)判據(jù)包括U50%法、伏秒特性法、積分法和先導(dǎo)發(fā)展法等[24]。相關(guān)研究表明，先導(dǎo)發(fā)展法考慮了雷擊情況下絕緣子兩端不同種類（非標(biāo)準(zhǔn)）過電壓波形的影響，在理論上更符合絕緣子閃絡(luò)放電的實(shí)際物理過程[25-27]。本文采用CIGRE推薦的先導(dǎo)發(fā)展法作為本文的閃絡(luò)判據(jù)。

圖4 桿塔分層多波阻抗模型Fig.4 Hierarchical multi-surge impedance model of towers

2.5 線路參數(shù)模擬

筆者所選取各電壓等級輸電線路均為單回線路，沿線大地電阻率取平均值為1 000 Ω·m，接地電阻取15 Ω。其中110 kV線路絕緣子有效絕緣距離為1.15 m，架空地線型號為JLB4-150，架空導(dǎo)線型號為LGJ-240/40；220 kV線路絕緣子有效絕緣距離為2.24 m，架空地線型號為JLB4-150，架空導(dǎo)線型號為2×LGJ-300/50；500 kV線路絕緣子有效絕緣距離為4.8 m，架空地線型號為JLB4-150，架空導(dǎo)線型號為4×LGJ-630/55。

3 雷電流濾波對輸電線路耐雷性能的影響

基于上述建模方法在PSCAD/EMTDC建立了各電壓等級輸電線路反擊耐雷性能仿真程序，仿真步長取為0.008 μs。根據(jù)1.2節(jié)濾波分析中所得雷電流波形，分別注入4號桿塔塔頂仿真分析雷電流濾波后對輸電線路反擊耐雷水平的影響。

3.1 110 kV輸電線路

通過仿真分別得到濾波和未濾波雷電流波擊于塔頂時輸電線路的耐雷水平，進(jìn)而將該幅值雷電流波注入4號桿塔塔頂仿真分析雷電流濾波前后對耐雷性能的影響。仿真分析表明：雷電流濾波后，反擊塔頂在絕緣子兩端形成電壓呈下降趨勢，對輸電線路耐雷水平有很大提高。圖5給出了絕緣子臨界閃絡(luò)時兩端電壓波形且表2給出了未濾波及不同截止頻率下輸電線路反擊耐雷水平。

圖5 絕緣子串臨界閃絡(luò)兩端電壓波形Fig.5 The voltage waveform across insulator with critical flashover

表2 110 kV輸電線路反擊耐雷水平Table 2 The back flashover level of 110 kV transmission line

由圖5可知，雷電流波反擊塔頂時在絕緣子兩端形成的過電壓均為短尾波。相比而言，濾波后雷電流反擊塔頂時形成的過電壓幅值均比未濾波低，且隨著截止頻率降低呈下降趨勢。其次，濾波后雷電流在絕緣子兩端形成的電壓波較未濾波其波前時間有所增大即電壓波陡度變緩，也隨著截止頻率的降低而下降。另外，濾波后絕緣子兩端過電壓波形變得很平滑，截止頻率為150 kHz時僅在10 μs左右（截止頻率為100 kHz時為13 μs和截止頻率為50 kHz時為25 μs）絕緣子兩端電壓波形有所凹陷。這是由于濾波后雷電流波波頭變緩波前時間增大即相鄰桿塔負(fù)反射電壓波傳播到雷擊桿塔時注入塔頂雷電流峰值還處于上升階段。結(jié)合表2可知，濾波后，輸電線路反擊耐雷水平有顯著提高且隨著截止頻率降低而升高，雷電流濾波截止頻率為50 kHz時，110 kV輸電線路反擊耐雷水平較未濾波提高約27.7%，由此說明，雷電流濾波后，可有效降低其在絕緣子兩端過電壓，即提高輸電線路反擊耐雷水平。

3.2 220 kV和500 kV輸電線路

進(jìn)一步分析雷電流濾波前后對不同電壓等級的影響，同3.1節(jié)所述仿真計(jì)算出濾波前后各雷電流波反擊塔頂輸電線路耐雷水平，進(jìn)而將該幅值濾波前后雷電流模型注入220 kV及500 kV輸電線路模型4號桿塔塔頂仿真分析雷電流濾波前后對耐雷性能的影響。仿真結(jié)果表明，濾波后輸電線路反擊耐雷水平有很大提高，具體波形如圖6所示，表3和表4分別給出了220 kV、500 kV輸電線路在雷電流未濾波及不同截止頻率下濾波后輸電線路反擊耐雷水平。

圖6 絕緣子串臨界閃絡(luò)兩端電壓波形Fig.6 The voltage waveform across insulator with critical flashover

表3 220 kV、500 kV輸電線路反擊耐雷水平Table 3 The back flashover level of 110 kV/500 kV transmission line

由圖6可知，濾波后雷電流反擊塔頂時形成的過電壓幅值均比未濾波低，且隨著截止頻率降低呈下降趨勢。其次，濾波后雷電流在絕緣子兩端形成的電壓波較未濾波其波前時間有所增大即電壓波陡度變緩，也隨著截止頻率的降低而下降。結(jié)合表3可知，雷電流濾波后對提高220 kV及500 kV輸電線路反擊耐雷水平同樣有很顯著效果，且雷電流濾波截止頻率為50 kHz時，220 kV和500 kV輸電線路反擊耐雷水平較未濾波提高約34.91%和34.35%。

4 對防雷器件的啟示

基于上述分析可知，雷電流經(jīng)濾波后能有效提高輸電線路反擊耐雷水平，由此可設(shè)想在輸電線路塔頂加裝濾波裝置將能有效降低雷擊桿塔引發(fā)的輸電線路跳閘等雷害事故。

通常濾波器分為有源濾波（APF）和無源濾波（FC），而無源濾波器（也稱LC濾波器）在功能上可分為低通、高通、帶通及帶阻等形式。結(jié)合1.2節(jié)可知，本文所研究對象旨在將雷電流高頻分量濾去，即采用低通無源濾波形式。實(shí)際的無源濾波器是按它對頻率成份的過濾特性和設(shè)計(jì)濾波器所用函數(shù)形式組合來區(qū)分的，1.2節(jié)中所提到的巴特沃思型濾波器也是常用的一種。在濾波器的設(shè)計(jì)中，電感線圈是LC濾波器不可或缺的元件，可分為空心線圈和磁芯線圈[28]。較理想電感器而言，由于線圈匝間存在分布電容和導(dǎo)線對地存在分布電容，故電感線圈在低頻和高頻情況下表現(xiàn)為不同的等效電路。在高頻情況下，電感線圈分布參數(shù)將不能忽略，此時電感線圈等效電路如圖7所示。其中L為電感參數(shù)，K為匝間分布電容參數(shù)，C為對地分布電容參數(shù)。

圖7 電感線圈等效電路Fig.7 Equivalent circuit of Inductance coil

由圖7可知，電感線圈高頻下的等效電路與橢圓函數(shù)型濾波器在結(jié)構(gòu)上極為相似[27]。因此，在設(shè)計(jì)濾波型避雷器件時，可從電感型避雷針角度進(jìn)行分析研究。但濾波器通常是用于對信號進(jìn)行處理，對于雷電流如此高幅值、高頻率的沖擊波能否有濾波效果應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行研究。

5 結(jié)論

筆者針對雷電流進(jìn)行了頻譜及濾波分析，并基于PSCAD/EMTDC建立了不同電壓等級雷電反擊耐雷水平的電磁暫態(tài)仿真程序仿真，計(jì)算了雷電流波濾波前后對線路耐雷水平的變化，得出以下結(jié)論：

1）雷電流波高頻分量濾去后，其幅值變化較小，但波頭變得相對平緩，雷電流的波前時間增大，陡度降低，即雷電流高頻分量對于雷電流波陡度影響較大。

2）雷電流濾波后能有效提高各電壓等級輸電線路絕緣子串兩端電壓波形變得較平緩、光滑，可以有效提高其反擊耐雷水平。

3）在實(shí)際防雷器件設(shè)計(jì)中，可從橢圓形濾波器的概念出發(fā)探索新型防雷裝置，如電感型避雷針。

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ResearchontheMethodtoImprovetheLightningProtectionPerformance Based on Spectral Characteristics of Lightning Current

ZHANG Jie1，RUAN Yaoxuan1，HAN Yongxia1，TANG Li2，LIU Gang2
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China;2.Electric Power Research Institute，China Southern Power Grid Co，.Ltd，.Guangzhou 510080，China）

Lightning is the main cause of transmission line tripping.The mechanism and the mea?sures of transmission line lightning protection has been a hot spot of research at home and abroad.In the research of basic lightning protection of transmission line，the parameters of lightning current，including the amplitude，wave front time and steepness，are significant.Based on the parameters above and com?bined with the lightning current spectrum characteristics，this paper studies the new method to improve the performance of transmission line lightning protection from the aspect of filtering.Firstly，the spec?trum features based on the lightning current waveform is introduced briefly.Secondly，the filtering analy?sis of the lightning current is carried out by the 3-order Butterworth low-pass filter.The result shows that the waveform of lightning current changes obviously after filtering，and the wave front becomes gentle，which means the gradient declines，however，the amplitude has a smaller change.Finally，based on the electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC，the lightning protection performance sim?ulation model of 110 kV，220 kV and 500 kV transmission line are established，and the influence of the lightning current filter before and after on the lightning protection level of transmission line is studied.The results show that the voltage on the insulator of each voltage classes become gentler，smoother and the lightning protection levels are improved to a great degree after filtering.Therefore，combined with the characteristics of lightning current and the feasibility of filter，the new lightning protection device can be designed based on the concept of filtering.

lightning current waveform；spectral analysis；filtering analysis；lightning withstand level；PSCAD/EMTDC

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.013

2017-03-28

張杰（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路防雷。

廣東省自然科學(xué)基金（編號：2014A030313249）；特高壓工程技術(shù)（昆明、廣州）國家工程實(shí)驗(yàn)室開放基金（編號：NEL201404）。