冲击接地电阻模型对输电线路耐雷水平的比较研究_刘杰

冲击系数的 2 倍以上。 可见，在较小冲击电流下，冲
击系数较大，而在较大电流下，冲击系数较小；其变
化随冲击电流的进一步增大，减小的很小；冲击系数
随土壤电阻率的增加而减小。 所以在一个给定的土
壤电阻率的前提下，并且冲击入地电流不太小 （I>
10 kA）可以选择一个固定的冲击系数值（此处选取
平均值） 来代替随冲击电流变化而变化的冲击系数
地 体 的 电 阻 取 单 位 长 度 接 地 体 电 阻 为 0.05 Ω/m[8]，
忽 略 接 地 体 内 自 感 ，单 位 长 度 的 电 感 L0，H；第 i 段
接地体单位长度对地电导 Gi0，s； 第 i 段接地体单位 长度对零电位面的电容 Ci0，C 计算公式如下[10]：
L0=
μ0 2π
形状系数取值为 A=1.76[13-14]。
接地体工频接地电阻的计算是冲击接地电阻计
算的基础。 为了统一计算的方便，各参数的取值如下
ρ=500 Ω·m，L=116 m，h=0.6 m，d=0.02 m 带 [15-16] 入式
（1）可得杆塔接的工频接地电阻值为 R=10.76 Ω。
1.2 规程中铁搭接地装置冲击接地电阻的计算
文献[14]给出了冲击接地电阻的计算公式如下：
Rch=aR0
（2）
式中：Rch 为冲击接地电阻， 单位 Ω；a 为冲击系数；
R0 为工频接地电阻，单位 Ω。
文 献[13，14]中 给 出 了 铁 塔 接 地 装 置 冲 击 接 地
系数计算公式如下：
-3I -0.4
a=0.74 ρ-0.4（7+ 姨 L ）（1.56-e ）
（3）
式中：ρ 为土壤电阻率， 单位 Ω·m；L 为接地体总长
度， 单位 m；I 为流过杆塔接地装置的冲击电流，单
位 kA。 其它参数同上。 当 L=116 m 时，不同土壤电
阻率 ρ 下的冲击系数随冲击入地电流 I 的关系如下
图 2 所示。
由图 2 可以看到， 冲击系数随流入接地体的冲
图 2 冲击电流幅值与冲击系数的关系 Fig. 2 The relationship between impulse current amplitude
Abstract: Impulse grounding resistance has a big impact on transmission line lightning withstand level. Three models of the impulse grounding resistance such as procedure method model, spark discharge model and transient resistance model are discussed. Combined 220 kV double transmission lines, a model of transmission line lightning withstand level in ATP/EMTP is made, in which lossless multi-wave impedance is used to simulate transmission line tower, and the effect of power voltage is also considered. Respectively, the initial phase of 0° ,60° ,120° ,180° ,240° and 300° , etc., is considered to calculate the lightning withstand levels of counterattack and shielding failure. It is shown that under the same conditions, the counterattack withstand level from high to low in turn, the order is spark discharge model, procedure method model, transient resistance model. The shielding failure lightning level of these three models is almost the same. With the change of the initial phase of power voltage, the withstand level also change accordingly.
刘 杰 1， 刘 春 2， 周国伟 1， 刘 德 1， 顾用地 1 （1. 国网浙江省电力公司检修分公司， 杭州 310018； 2. 华中科技大学电气与电子工程学院， 武汉 430074）
摘 要： 对规程法冲击接地电阻模型、 火花效应接地电阻模型以及暂态接地电阻模型等三种 不同的接地模型进行了分析。 结合 220 kV 双回输电线路， 在 ATP/EMTP 中建立了相应的输电线 路耐雷水平模型。 在该耐雷模型中， 使用无损多波阻抗模拟输电线路杆塔， 同时考虑了工频电压 对耐雷水平的影响。 分别在工频电压初相角为 0°、 60°、 120°、 180°、 240°以及 300°等 6 种情况 下计算了模型的反击和绕击耐雷水平。 仿真结果表明： 在相同的条件下， 反击耐雷水平从高到低 依次为火花效应模型、 规程法模型、 暂态电阻特性模型， 而这三种接地模型下的线路绕击耐雷水 平一样。 随着电源初相角的改变， 输电线路耐雷水平也随之发生相应改变。
关键词： 冲击接地电阻； 输电线路杆塔； 耐雷水平； 火花放电模型； 暂态电阻模型
Study on Impulse Grounding Resistance Model to Lightning Withstand Level of Transmission Line
LIU Jie1, LIU Chun2, ZHOU Guowei1, LIU De1, GU Yongdi1
值。 结合图 3 的图形，对于如图 1 所示的接地体，在
L=116 m 的情况下， 不同的土壤电阻率下的冲击系
数取值如下表 1 所示。
表 1 不同土壤电阻率下冲击系数的取值
Table 1 Value of impulse coefficients under different
soil resistivity
图 3 土壤电阻率与冲击系数关系
Fig. 3 The relationship between soil and impulse coefficient
从图 3 可以看出，在相同土壤电阻率下，不同冲
击电流下（此处为 0.001 kA~100 kA）平均冲击系数
几乎和最小冲击系数， 而最大冲击系数为大于平均
图 4 非均匀分布的接地体等值电路模型 Fig. 4 Equivalent circuit model of non-uniform
distributed grounding
图 4 中 ，Ri、Li、Ci 和 Gi 分 别 是 等 分 的 第 i 段 接
地体的电阻，Ω；电感，H；电容，C；以及电导，s。 对于接
（1. Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310018， China； 2. School of Electric and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074， China）
有对变电站接地网冲击接地电阻的研究 ， [2-6] 也有对 输电线路杆塔冲击接地电阻的研究 。 [7-13] 输电线路杆 塔冲击接地电阻的大小直接影响线路的耐雷水平， 而以往的研究中多以固定的冲击接地电阻进行研 究， 这样势必降低了冲击接地电阻对耐雷水平的影
收稿日期： 2014-10-29 作者简介： 刘杰 （1988—）， 男， 硕士， 助理工程师， 现从事电力系统过电压防护工作。
（ln
2l a
-1）
（4）
Gi0=2π/[ρ（ln
l2 i
2hri
-0.61）]ห้องสมุดไป่ตู้
（5）
Gi0=ερGi0
（6）
式中：μ0=4π×10-7 H/m，为真空中的磁导率；l 为接地
体长度，单位 m；a 为接地体半径，单位 m；ρ 为土壤
and impulse coefficient
击电流幅值的变大而逐渐减小，当入地电流超过 10 kA 时，随着冲击电流的进一步的增大，冲击系数变化不 大。 在 L=116 m 的前提下，计算在不同土壤电阻率 下 冲 击 电 流 在 0.001 kA~100 kA 的 冲 击 系 数 最 大 值、最小值以及平均值的走势如图 3 所示。
R= ρ 2πL
（ln
L hd
+A）
（1）
其 中 ：R 杆 塔 水 平 接 地 装 置 的 工 频 接 地 电 阻 ，
Ω；ρ 为 土 壤 电 阻 率 ，Ω·m；L 为 接 地 体 总 长 度 ，m；h
为 接 地 体 埋 深 ，m；d 为 接 地 体 直 径 ，m；A 为 水 平 接
地极的形状系数。对于如上图所示的铁塔接地装置，
· 骳髆體 ·
2015 年第 6 期
电瓷避雷器
响。本文针对同一种铁塔接地装置，结合不同冲击电 阻模型来计算输电线路的耐雷水平， 可以为新建或 改造现有输电线路杆塔提供理论指导， 使其达到合 理的输电线路耐雷水平。
1 铁塔接地装置模型
1.1 铁塔接地装置工频接地电阻 考虑铁塔的接地装置形状如图 1 所示。
Keywords: Impulse grounding resistance； transmission line tower； lightning withstand level； spark discharge model； transient resistance model
0 引言
架空线路杆塔接地对电力系统的安全稳定运行 至关重要，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平， 减少线路雷击跳闸率的主要措施[1]。 现行的研究中
（总第 268 期）
图 1 铁塔接地装置形状 Fig. 1 The shape of tower grounding device
图中取 L1=10 m，L2=20 m 接地体的总长度 L=4 （L1+L2）=120 m。 电力标准 DL/T621—1997 交流电气 装置的 接 地[16]，给 出 了 杆 塔 水 平 接 地 装 置 的 工 频 电 阻计算公式如下：
2015 年第 6 期 （总第 268 期） 2015 年 12 月
DOI：10.16188/j.isa.1003-8337.2015.06.023
电瓷避雷器
Insulators and Surge Arresters
No6. 2015 （Ser.№.268） Dec. 2015
冲击接地电阻模型对输电线路耐雷水平的比较研究
土壤电阻率/Ω·m 100 500 1000 1500 2000
冲击系数
1.27 0.67 0.5 0.43 0.38
· 髆髕骳 ·
2015 年第 6 期
冲击接地电阻模型对输电线路耐雷水平的比较研究
（总第 268 期）
1.3 火花效应模型 在高频冲击电流的作用下， 接地体自身的电感
作用非常明显， 从而阻碍冲击电流向接地体远端流 散，使得接地体不同部位的流散电流不同。当不考虑 接地极的火花效应时，一般认为其为圆柱形，但是考 虑火花效应后， 在靠近电流注入点处的流散电流越 大，而远离注入点处的流散电流越小，流散电流大处 其周围土壤击穿区域也越大， 随着接地极远离电流 注入点，其土壤击穿区域也越来越小，直至不再发生 土壤击穿， 这就造成在接地电极周围土壤的击穿形 状呈锥形[17-18]。 为了分析问题的方便，将接地极均等 分成较小的段，这样每一小段可以近似的采用圆柱形 模型进行计算[19]。 在冲击电流的作用下，接地体可以 看成是由电阻、电感、电容以及电导组成的电路 ， [8，9，18] 如下图 4 所示。