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摘要：主要研究了输电线路的绕击耐雷特性和反击耐雷特性。绕击耐雷分析方面，建立雷电先导传播轨迹，对比不同条件下的雷电先导传播轨迹，总结分析了影响输电线路绕击的重要因素。反击耐雷分析方面，主要针对雷电波过程中的电磁暂态结果进行研究。
关键词：耐雷特性；绕击；反击；杆塔；仿真
作者简介：徐淼（1980-），男，辽宁大连人，国网辽宁电力大连供电公司办公室副主任，工程师。（辽宁 大连 116001）
中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0234-02
随着社会的飞速发展，人们对于电力行业的要求也越来越高，要求电力行业不仅要满足各行各业充足的电力需求，还要提高供电质量，保证供电可靠性。耐雷水平是衡量供电安全性的重要指标，与电力系统的安全可靠息息相关，因此输电线路耐雷特性的仿真研究具有重要意义。
本文重点讨论了电力系统的高压输电线路中最常见的两种雷击故障：雷击绕击故障和雷击反击故障。
在雷电绕击特性研究方面主要通过选择较为适合的研究方法，利用已有现场数据，对典型雷击事件进行了模拟，建立仿真模型，得到雷电先导的传播轨迹，进而分析输电线路绕击特性。并通过改变参数进行仿真，分析各个参数对雷电先导的传播轨迹及输电杆塔闪络特性的影响。有助于今后模拟雷击暂态过程和更加深入地研究电气绝缘的闪络机理。
在雷电反击耐雷特性方面通过选用电磁暂态程序（EMTP），采用分布参数模型，利用已有现场数据，将输电线路（尤其输电杆塔）进行模拟，以便接下来利用软件仿真分析。通过改变具体参数，分析不同参数对输电杆塔闪络特性的影响，以便提出对实际防雷设计工作有益的建议，力求减少雷电危害。
一、输电线路绕击耐雷特性仿真分析
模拟电荷法是一种求解静电场问题的有效方法。基本原理：为了模拟电极表面的电荷分布，设置介质分界面上的束缚电荷、模拟电极内部以及不同介质区中的虚设电荷。在各个领域的应用中，使用最多的有点电荷、线电荷和环电荷、椭圆柱电荷、椭球电荷及双曲面电荷等。
根据唯一性定理，并且结合拉普拉斯方程及泊松方程，用虚设的模拟电荷代替介质表面和电极表面的连续分布电荷。如果模拟电荷在边界上产生的电位满足给定的边界条件，那么可以用这些虚设的模拟电荷来计算整个场域的电场。
当模拟电荷的位置、类型确定后，场中任意点的电位和场强便由这些集中电荷产生的场量迭加得到，场中任意一点的电位为：
， i=1，2，3，……n
式中：Qj表示虚设的第j个模拟电荷，Pij表示待求点P对应的电位系数，n为虚设的模拟电荷数目。
电场强度可以表示为：
仿真结果分析：
第一，同一雷电强度的下行先导，当其距离线路水平侧向距离由近至远变化时，下行先导一级定位位置逐渐降低。
第二，当侧向水平距离很近时，雷击击中地线；随着侧向水平距离的增加，雷电击中导线的概率将增加；而当侧向水平距离继续增大时，雷电击中导线的概率反而减小；侧向距离大到一定程度时，雷电将击中大地。
第三，当雷电流较大时，随着侧向距离的增大，雷电将从击中地线直接过渡到击中大地，没有击中导线的现象发生。
第四，对于相同的侧向距离，较大的雷电流倾向于击中避雷线，较小的雷电流倾向于击中大地。
由此，我们可以解读出：
导线相对地线产生迎面上行先导困难，这是由于导线在地线下方，受到地线及其先行发展起来的上行先导的屏蔽作用的缘故。但地线对导线屏蔽作用是有一定限度的，随着侧向距离的增大，屏蔽作用逐渐减弱，致使存在一定的绕击概率。
大地对导线也有屏蔽作用，雷电先导距离导线越远，大地的屏蔽作用越明显，最终雷电将全部击中大地，保护导线免受雷击。
二、输电线路反击耐雷特性仿真分析
1.针对不同杆塔高度的雷击闪络特性仿真
根据不同杆塔高度的仿真所得出的上、中、下相绝缘子两端电压及组合波形，可以看出在杆塔高度增加的情况下，电压冲击波到达三相绝缘子的时间均有一定的延迟，并且由开始的三相绝缘子均击穿，逐步发展为上、中相击穿而下相不击穿，之后只有一相击穿，最后在杆塔高度增加到一定程度后三相均不击穿。根据杆塔的耐雷水平的定义，可知，杆塔的耐雷水平随其高度的增加而提高。故在设计杆塔时应在同时考虑其他因素的情况下合理增加杆塔的高度。
2.针对不同数量绝缘子的雷击闪络特性仿真
观察3组采用不同绝缘子的片数的绝缘子串的仿真所得出的上、中、下相绝缘子两端电压及组合波形，可以看出绝缘子的片数对于其闪络电压起着决定性的作用，绝缘子数目越多则其闪络电压越大，杆塔的耐雷性能越强。当然，研究中的仿真过程因软件中的元件的采用问题，实际记入了三相间的相互感应及影响，使其出现了负极性电压击穿的情况。故在设计线路时应在同时考虑其他因素的情况下合理增加绝缘子串中的绝缘子片数。
3.针对不同幅值雷电流的雷击闪络特性仿真
观察5组采用不同幅值的雷电冲击条件下的仿真所得出的上、中、下相绝缘子两端电压及组合波形，可以看出在其他条件不变的情况下，雷电幅值增高意味着绝缘子被击穿的可能性越大。在设计线路考虑耐雷性能时，其前提条件（雷电流等）必须留有足够的裕量，并充分考虑线路所在地的落雷密度等实际情况，才能在要求的情况下保证线路的安全性和可靠性。
4.针对不同工作电压的雷击特性仿真
通过4组仿真波形可以看出在其他条件相同的情况下，随着工作电压的升高（逐步升到特高压输电线路的水平）其耐雷能力骤降。故在电力系统的电压等级升高的同时必须要重新评估线路的耐雷水平，若要在正常安全水平下运行必须大幅度改变线路参数。 三、防雷措施
衡量线路防雷性能优劣的重要指标一般有两个。一个指标就是线路雷击跳闸率，它是指每百公里线路每年由雷击引起的线路跳闸次数。另一个指标是线路的耐雷水平，指雷击线路时能引起线路绝缘子闪络的最大雷电流幅值。
线路的耐雷水平越高，雷击跳闸率就会越低，说明线路的防雷性能越好。因此，如何提高线路的耐雷水平，减低雷击跳闸率是电力工业中非常重要的工作。输电线路防雷目的是提高线路的防雷性能，降低线路的雷击跳闸率。目前高压线路防雷设计主要考虑的因素是反击，实际上山区线路雷击跳闸也有可能是绕击引起的。
为了实现线路防雷基本任务，减少雷击事故的发生隐患，以保证供电的可靠、经济运行，一般设有四道防线：
第一道防线是保护导线不受或少受雷直击。建议采用避雷线，特殊场合中可用独立避雷设备，如避雷针、消雷器，或改用电缆线作为传输线路等手段以降低雷击概率。
第二道防线是雷击塔顶或避雷线时不使或少使绝缘发生闪络。此点是本文主要研究的方向，为此，建议适当采取增大输电杆塔高度、增加每串绝缘子片数等改善措施，特殊情况下可以加耦合地线或适当加强绝缘，或在个别杆塔上用避雷器。
第三道防线是当绝缘发生冲击闪络时，尽量减小由冲击闪络转变为稳定电力电弧的概率，从而减少雷击跳闸率次数。为此建议减少绝缘上的工频电场强度，或电网中性点采用不直接接地的方式。
第四道防线是即使跳闸也不中断电力的供应。为此，可采用自动重合闸装置或用双回路以及环网供电，这是现今已很普遍的做法。
当然，并不是所以线路都要具备以上四道防线，也并不是单一改变某项参数即可，而是要综合考虑、因地制宜、合理采用，把雷害引起的停电事故次数减少到可以接受的程度。
参考文献：
[1]侯牧武，曾嵘，何金良.感应过电压对输电线路耐雷水平的影响[J].电网技术，2004，（12）：46-49.
[2]孙萍.有关输电线路防雷计算中几个参数取值的建议[J].电网技术，1998，22（8）：75-78.
[3]李海峰，王钢，赵建仓.输电线路感应雷击暂态特征分析及其识别方法[J].中国电机工程学报，2004，24（3）：114-119.
[4]陈国庆，孙才新，张志劲，等.计及风速影响的5OOkV同杆双回线路绕击耐雷性能计算模型研究[J].中国电机工程学报，2003，23（5）：108-115.
[5]陈国庆，张志劲.输电线路耐雷性能计算方法的研究现状分析[J].重庆大学学报，2003，26（5）：137-142.
[6]A.J Eriksson.An improved electrical geometric model for transmission line shielding analysis[J].IEEE TPWRD，1990，5（4）：2009-2022.
[7]Rizk F A M.Modeling of transmission line exposure to direct lightning strokes[J].IEEE Trans on Power Delivery，1990，5（4）：1983-1997.
[8]Dellera L，Garbagnati E.Lightning stroke simulation by means of the leader progression model.part I：description of the model and evaluation of exposure of free-standing strctures[J].IEEE Trans on Power Delivery，1990，5（4）：2009-2017.
[9]钱冠军，王晓瑜，汪雁，等.输电线路雷击仿真模型[J].中国电机工程学报，1999，19（8）：39-44.
[10]钱冠军，王晓瑜，汪雁.雷电屏蔽模拟理论与试验技术的研究[J].高电压技术，1998，24（2）：26-31.
[11]解广润.电力系统过电压[M].北京：水利电力出版社，1985.
[12]Gordon W Brown.Senior Member，Lightning Performance-I Shielding Failure Simplified[J].IEEE Trans.on PA&S，1978，（1）：33-38.
[13]IEEE Working Group on Estimating Lightning Performance of Transmission Lines.Estimating lightning Performance of Transmission Lines II-Updates to Analytical Models[J].IEEE Trans PWRD，1993，8（3）：1254 1267.
[14]王洪泽.从#23塔遭雷击谈最大击距问题[J].高电压技术，
2001，（4）：70-71.
[15]IEEE Working Group on Estimating Lightning Performance of Transmission Lines.Design Guide for Improving the lightning Performance of Transmission Lines[J].IEEE Standards PAR 1243，1992，（1）：919-932.
关键词：耐雷特性；绕击；反击；杆塔；仿真
作者简介：徐淼（1980-），男，辽宁大连人，国网辽宁电力大连供电公司办公室副主任，工程师。（辽宁 大连 116001）
中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0234-02
随着社会的飞速发展，人们对于电力行业的要求也越来越高，要求电力行业不仅要满足各行各业充足的电力需求，还要提高供电质量，保证供电可靠性。耐雷水平是衡量供电安全性的重要指标，与电力系统的安全可靠息息相关，因此输电线路耐雷特性的仿真研究具有重要意义。
本文重点讨论了电力系统的高压输电线路中最常见的两种雷击故障：雷击绕击故障和雷击反击故障。
在雷电绕击特性研究方面主要通过选择较为适合的研究方法，利用已有现场数据，对典型雷击事件进行了模拟，建立仿真模型，得到雷电先导的传播轨迹，进而分析输电线路绕击特性。并通过改变参数进行仿真，分析各个参数对雷电先导的传播轨迹及输电杆塔闪络特性的影响。有助于今后模拟雷击暂态过程和更加深入地研究电气绝缘的闪络机理。
在雷电反击耐雷特性方面通过选用电磁暂态程序（EMTP），采用分布参数模型，利用已有现场数据，将输电线路（尤其输电杆塔）进行模拟，以便接下来利用软件仿真分析。通过改变具体参数，分析不同参数对输电杆塔闪络特性的影响，以便提出对实际防雷设计工作有益的建议，力求减少雷电危害。
一、输电线路绕击耐雷特性仿真分析
模拟电荷法是一种求解静电场问题的有效方法。基本原理：为了模拟电极表面的电荷分布，设置介质分界面上的束缚电荷、模拟电极内部以及不同介质区中的虚设电荷。在各个领域的应用中，使用最多的有点电荷、线电荷和环电荷、椭圆柱电荷、椭球电荷及双曲面电荷等。
根据唯一性定理，并且结合拉普拉斯方程及泊松方程，用虚设的模拟电荷代替介质表面和电极表面的连续分布电荷。如果模拟电荷在边界上产生的电位满足给定的边界条件，那么可以用这些虚设的模拟电荷来计算整个场域的电场。
当模拟电荷的位置、类型确定后，场中任意点的电位和场强便由这些集中电荷产生的场量迭加得到，场中任意一点的电位为：
， i=1，2，3，……n
式中：Qj表示虚设的第j个模拟电荷，Pij表示待求点P对应的电位系数，n为虚设的模拟电荷数目。
电场强度可以表示为：
仿真结果分析：
第一，同一雷电强度的下行先导，当其距离线路水平侧向距离由近至远变化时，下行先导一级定位位置逐渐降低。
第二，当侧向水平距离很近时，雷击击中地线；随着侧向水平距离的增加，雷电击中导线的概率将增加；而当侧向水平距离继续增大时，雷电击中导线的概率反而减小；侧向距离大到一定程度时，雷电将击中大地。
第三，当雷电流较大时，随着侧向距离的增大，雷电将从击中地线直接过渡到击中大地，没有击中导线的现象发生。
第四，对于相同的侧向距离，较大的雷电流倾向于击中避雷线，较小的雷电流倾向于击中大地。
由此，我们可以解读出：
导线相对地线产生迎面上行先导困难，这是由于导线在地线下方，受到地线及其先行发展起来的上行先导的屏蔽作用的缘故。但地线对导线屏蔽作用是有一定限度的，随着侧向距离的增大，屏蔽作用逐渐减弱，致使存在一定的绕击概率。
大地对导线也有屏蔽作用，雷电先导距离导线越远，大地的屏蔽作用越明显，最终雷电将全部击中大地，保护导线免受雷击。
二、输电线路反击耐雷特性仿真分析
1.针对不同杆塔高度的雷击闪络特性仿真
根据不同杆塔高度的仿真所得出的上、中、下相绝缘子两端电压及组合波形，可以看出在杆塔高度增加的情况下，电压冲击波到达三相绝缘子的时间均有一定的延迟，并且由开始的三相绝缘子均击穿，逐步发展为上、中相击穿而下相不击穿，之后只有一相击穿，最后在杆塔高度增加到一定程度后三相均不击穿。根据杆塔的耐雷水平的定义，可知，杆塔的耐雷水平随其高度的增加而提高。故在设计杆塔时应在同时考虑其他因素的情况下合理增加杆塔的高度。
2.针对不同数量绝缘子的雷击闪络特性仿真
观察3组采用不同绝缘子的片数的绝缘子串的仿真所得出的上、中、下相绝缘子两端电压及组合波形，可以看出绝缘子的片数对于其闪络电压起着决定性的作用，绝缘子数目越多则其闪络电压越大，杆塔的耐雷性能越强。当然，研究中的仿真过程因软件中的元件的采用问题，实际记入了三相间的相互感应及影响，使其出现了负极性电压击穿的情况。故在设计线路时应在同时考虑其他因素的情况下合理增加绝缘子串中的绝缘子片数。
3.针对不同幅值雷电流的雷击闪络特性仿真
观察5组采用不同幅值的雷电冲击条件下的仿真所得出的上、中、下相绝缘子两端电压及组合波形，可以看出在其他条件不变的情况下，雷电幅值增高意味着绝缘子被击穿的可能性越大。在设计线路考虑耐雷性能时，其前提条件（雷电流等）必须留有足够的裕量，并充分考虑线路所在地的落雷密度等实际情况，才能在要求的情况下保证线路的安全性和可靠性。
4.针对不同工作电压的雷击特性仿真
通过4组仿真波形可以看出在其他条件相同的情况下，随着工作电压的升高（逐步升到特高压输电线路的水平）其耐雷能力骤降。故在电力系统的电压等级升高的同时必须要重新评估线路的耐雷水平，若要在正常安全水平下运行必须大幅度改变线路参数。 三、防雷措施
衡量线路防雷性能优劣的重要指标一般有两个。一个指标就是线路雷击跳闸率，它是指每百公里线路每年由雷击引起的线路跳闸次数。另一个指标是线路的耐雷水平，指雷击线路时能引起线路绝缘子闪络的最大雷电流幅值。
线路的耐雷水平越高，雷击跳闸率就会越低，说明线路的防雷性能越好。因此，如何提高线路的耐雷水平，减低雷击跳闸率是电力工业中非常重要的工作。输电线路防雷目的是提高线路的防雷性能，降低线路的雷击跳闸率。目前高压线路防雷设计主要考虑的因素是反击，实际上山区线路雷击跳闸也有可能是绕击引起的。
为了实现线路防雷基本任务，减少雷击事故的发生隐患，以保证供电的可靠、经济运行，一般设有四道防线：
第一道防线是保护导线不受或少受雷直击。建议采用避雷线，特殊场合中可用独立避雷设备，如避雷针、消雷器，或改用电缆线作为传输线路等手段以降低雷击概率。
第二道防线是雷击塔顶或避雷线时不使或少使绝缘发生闪络。此点是本文主要研究的方向，为此，建议适当采取增大输电杆塔高度、增加每串绝缘子片数等改善措施，特殊情况下可以加耦合地线或适当加强绝缘，或在个别杆塔上用避雷器。
第三道防线是当绝缘发生冲击闪络时，尽量减小由冲击闪络转变为稳定电力电弧的概率，从而减少雷击跳闸率次数。为此建议减少绝缘上的工频电场强度，或电网中性点采用不直接接地的方式。
第四道防线是即使跳闸也不中断电力的供应。为此，可采用自动重合闸装置或用双回路以及环网供电，这是现今已很普遍的做法。
当然，并不是所以线路都要具备以上四道防线，也并不是单一改变某项参数即可，而是要综合考虑、因地制宜、合理采用，把雷害引起的停电事故次数减少到可以接受的程度。
参考文献：
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[6]A.J Eriksson.An improved electrical geometric model for transmission line shielding analysis[J].IEEE TPWRD，1990，5（4）：2009-2022.
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[8]Dellera L，Garbagnati E.Lightning stroke simulation by means of the leader progression model.part I：description of the model and evaluation of exposure of free-standing strctures[J].IEEE Trans on Power Delivery，1990，5（4）：2009-2017.
[9]钱冠军，王晓瑜，汪雁，等.输电线路雷击仿真模型[J].中国电机工程学报，1999，19（8）：39-44.
[10]钱冠军，王晓瑜，汪雁.雷电屏蔽模拟理论与试验技术的研究[J].高电压技术，1998，24（2）：26-31.
[11]解广润.电力系统过电压[M].北京：水利电力出版社，1985.
[12]Gordon W Brown.Senior Member，Lightning Performance-I Shielding Failure Simplified[J].IEEE Trans.on PA&S，1978，（1）：33-38.
[13]IEEE Working Group on Estimating Lightning Performance of Transmission Lines.Estimating lightning Performance of Transmission Lines II-Updates to Analytical Models[J].IEEE Trans PWRD，1993，8（3）：1254 1267.
[14]王洪泽.从#23塔遭雷击谈最大击距问题[J].高电压技术，
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[15]IEEE Working Group on Estimating Lightning Performance of Transmission Lines.Design Guide for Improving the lightning Performance of Transmission Lines[J].IEEE Standards PAR 1243，1992，（1）：919-932.