本文是一篇电气自动化论文，本文搭建的大跨越杆塔雷击暂态模型，在一定程度上体现了雷电在大跨塔中的波过程，但是实际大跨塔结构复杂，建立雷击大跨塔模型更加困难。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
雷击是造成电力线路跳闸停电事故的主要原因。在我国高压输电线路运行的总跳闸事故中，由雷击引起的跳闸事故占40%~70%，尤其在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击引起的跳闸率更高[1,2]。输电线路承担着电力能源输送的重要任务，输电线路杆塔作为电力输送通道的关键组成部分，杆塔高度高，暴露面积大，引雷能力强，其中大跨越杆塔高度更是普通杆塔的数倍，成为输电线路雷击防护的薄弱环节。雷击造成的损害不易修复，一旦发生雷击跳闸事故，不仅影响人民群众的正常生产、生活用电，严重时还会造成国民经济巨大损失。
我国地形复杂河网密布，随着电力行业迅速发展，电力系统输电网络覆盖面积增大，跨江跨河的大跨越输电塔不断出现，输电塔结构正逐渐朝着高耸、大跨越及特高压的方向快速发展[3-5]。当雷电击中大跨塔塔顶，大部分电流通过杆塔的金属结构流入接地装置，部分电流通过避雷线与相邻的杆塔形成并联路径降低单基杆塔的泄流负担。雷电流注入杆塔，行波沿杆塔传播会受到传播路径和速度、折反射现象、多导体系统耦合以及接地系统的影响，是一个非常复杂的过程，受这些因素的影响大跨塔不同位置的电位、电流波形可能会发生畸变，造成的损害也会不同，需采取相应的防雷措施[6]。基于现有常规杆塔雷击暂态模型，难以准确分析大跨越杆塔的雷击暂态特性。大跨越杆塔真型试验难度大成本高，因此开展缩比模型试验和建立有效的雷击暂态模型具有重要的科学意义和工程价值[7]。大跨越杆塔高度高、档距大、特高压输电，使其遭受雷击概率也大大提高，大跨越段输电线路的防雷设计显得十分重要[8,9]。
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1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 雷击杆塔模型研究现状
在电网建设的过程中，输电线路杆塔逐步发展，从最初的以木质材料为主的杆塔，到钢筋水泥为主的杆塔，再到现在的钢管混凝土塔，杆塔类型的变化导致其雷击计算模型也逐步发展，在国内外研究中提出了诸多雷击杆塔模型，目前在国内外的输电线路防雷计算中，通常采用集中电感、单一波阻抗、多波阻抗以及非均匀传输线4种模型[11-14]。
（1）集中电感模型
随着电路理论的发展，19世纪末提出集中参数模型(R、L、C)，20世纪初交流输电系统普及，集中电感模型用于雷击杆塔分析，在分析计算时将杆塔等效为一个电感，认为杆塔上各点电位相同。简单等效的优点在于能够快速计算整个输电网络相同类型杆塔的雷击过电压，但无法模拟实际雷电流在杆塔上的波过程，且随着后续电力系统的发展，各式杆塔类型的出现，集中电感模型的准确性降低。国标中给出了几种类型杆塔的等值电感，如表1所示。
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2 基于非均匀传输线理论的大跨越杆塔雷击暂态模型建立
2.1 非均匀传输线理论
传输线是引导电磁波沿一定方向传输的导体、介质或它们共同组成的波导系统。当引导的电磁波频率较低时，传输线几乎不会影响传播信号的幅度和相位，系统中传输线的作用可以忽略[43-44]。高频时则需要考虑传输线的分布特性，信号传播时相位会发生延迟。传输线的特性阻抗沿信号传播方向连续或非连续变化则为非均匀传输线。当传输线横向几何结构和纵向参数改变，沿线方向的电阻值、电感值、电容值和电导值随位置的变化而变化，电磁波的对称性及连续性会遭到破坏[45]。
2.1.1 非均匀传输线分布参数
在非均匀传输线的解析研究中，需要进行场路分析建模并提取电路参数。首先基于端口传输特性与非均匀传输线结构一致原则，通过集总参数网络表征非均匀传输线结构来等效近似，结合全波分析进行参数提取与特性分析。非均匀传输线的沿线分布参数不断变化，提取非均匀传输线的近似等效电路分布参数，其常用的方法有四种[46]：传统传输线方程提取法、广义传输线方程提取法、场路结合法和二端口网络法。
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2.2 大跨越杆塔整体建模
2.2.1 大跨越杆塔结构分析
我国的大跨越输电线路杆塔建设起步于20世纪60年代，受当时经济、技术等因素的影响，且钢材属于较稀缺物资，大跨越杆塔的类型通常为钢筋混凝土塔。随着经济、技术、需求的提高，大跨越杆塔的结构类型也得到了优化，逐步发展出组合角钢塔、钢管塔、钢管混凝土塔。
大跨越杆塔相较于普通的输电线路杆塔，呼高部分占到杆塔主体的80%-90%。某在建的长江大跨越杆塔如图6所示，呼高部分为316m，杆塔整体高度为349m，呼高部分占到杆塔主体的90.54%，因此大跨越杆塔的阻抗大小受呼高部分材质结构影响较大。呼高部分主材杆件的结构为钢管中加入混凝土和角钢骨架，呼高以上部分为钢管结构。
雷击大跨越杆塔塔顶时，雷电流通过杆塔，产生的电磁波以球面波的形式向外传播。在电流波未反射到塔顶前，塔顶电位大小是由杆塔及其周围的电场与磁场转换比值决定的。球面波在杆塔系统中的传播并不是一个均匀的过程，大跨越杆塔塔身与地面垂直，杆塔不同高度处的参数不同，塔身部分可用非均匀传输线模拟。
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3 大跨越杆塔缩比模型试验及仿真分析 ................... 23
3.1 缩比模型理论的基本原理 ......................... 23
3.2 大跨越杆塔缩比模型试验方案 .......................... 25
4 大跨越段输电线路雷击暂态特性研究 .............. 35
4.1 大跨越杆塔整体模型 ....................................... 35
4.1.1 大跨越杆塔横担阻抗模型 .................................... 35
4.1.2 大跨越杆塔主体非均匀传输线模型 ........................ 36
5 总结与展望.............................. 53
5.1 总结 ..................................... 53
5.2 展望 ................................... 54
4 大跨越段输电线路雷击暂态特性研究
4.1 大跨越杆塔整体模型
4.1.1 大跨越杆塔横担阻抗模型
随着我国电力基础设施建设的快速推进，新建跨越塔的高度基本在300m以上，两岸塔基之间的档距也显著增加，跨越长江、黄河等大型水系的特高压大跨越输电工程已成为电网建设的新常态。相较于普通输电线路杆塔，大跨越段输电线路杆塔高度更高、档距更长，暴露面积大，引雷能力更强，大跨越杆塔成为输电线路的薄弱环节。为此本章基于ATP-EMTP 软件建立了大跨越输电线路杆塔的雷击暂态模型，仿真分析了大跨塔不同高度和不同缩小比例下的雷击暂态特性，以及雷电流波形、接地电阻等因素对杆塔雷击暂态特性的影响规律。研究了接地电阻和避雷线等因素对大跨越段输电线路雷击暂态特性的影响。
根据第2.2.2节搭建大跨越杆塔横担阻抗模型，大跨越杆塔横担高度和几何参数如表8所示。
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5 总结与展望
5.1 总结
以某在建长江大跨越杆塔为研究对象，为准确评估大跨塔雷击暂态特性，搭建了大跨塔的雷击暂态模型，开展了大跨塔的缩比模型试验，验证了模型的正确性。根据大跨越段输电线路具体参数，结合大跨塔模型搭建了大跨越段输电线路整体仿真模型，并研究输电线路的雷击暂态特性。本文结论如下：
1.分析了大跨越杆塔的结构，基于平行多导体理论和非均匀传输线理论，提出了大跨越杆塔的雷击暂态模型，模型由大跨越杆塔横担平行导体等效阻抗模型和塔身主体非均匀传输线模型构成，通过与分段多波阻抗模型，仿真对比分析验证了模型的有效性。
2.基于缩比模型理论，说明了大跨越杆塔缩比模型试验的可行性。设计缩比模型试验方案，开展以雷击浪涌发生器和雷击窄脉冲发生器为激励源的缩比杆塔雷击暂态特性试验。在雷击浪涌发生器试验中，试验波形变化相对较缓，变化规律与实际雷电直击杆塔电位升波形不符。之后通过雷击窄脉冲发生器与电阻串接，输出电流波形大致为50/500ns幅值192A的双指数波形，测得塔顶电位升波形，电位峰值约为9.40kV。搭建了缩比杆塔仿真模型，考虑了注入线的影响，仿真得到的塔顶电位波形与试验波形整体变化规律基本一致，进一步验证了缩比试验的可行性和本文模型的有效性。
3.基于非均匀传输线理论搭建了大跨越杆塔雷击暂态模型，仿真分析了雷击大跨越杆塔从塔顶到塔底12个点处的电位升波形，不同高度处的电位升波形变化趋势存在差异；仿真分析了雷电流波前时间和接地电阻对大跨塔雷击暂态特性的影响，波前时间越短塔顶电位峰值越大，到达峰值时间越短，波形振荡越剧烈。雷电流不同波前时间产生的雷击损害不同，需采取相对应的雷击防护措施；接地电阻大小主要影响塔顶电位升波形的衰减速度和振荡幅度，接地电阻越小，衰减速度越快，波形振荡越剧烈。
参考文献（略）