电气技术

参数	发生概率	雷击类型
波头持续时间/μs	1.80	5.50	18.00	首次负极性雷击
0.22	1.10	4.50	后续负极性雷击
雷击持续时间/μs	30.0	75.0	200.0	首次负极性雷击
6.5	32.0	140.0	后续负极性雷击
时间间隔/ms	7	33	150	多重负极性雷击

参数	发生概率	雷击类型
波头持续时间/μs	1.80	5.50	18.00	首次负极性雷击
0.22	1.10	4.50	后续负极性雷击
雷击持续时间/μs	30.0	75.0	200.0	首次负极性雷击
6.5	32.0	140.0	后续负极性雷击
时间间隔/ms	7	33	150	多重负极性雷击

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	186.33
二次雷击	7	0.22	140	186.33
三次雷击	14	0.22	140	186.33
四次雷击	21	0.22	140	186.33
五次雷击	28	0.22	140	186.33

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	186.33
二次雷击	7	0.22	140	186.33
三次雷击	14	0.22	140	186.33
四次雷击	21	0.22	140	186.33
五次雷击	28	0.22	140	186.33

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	24.5
二次雷击	7	0.22	140	24.5
三次雷击	14	0.22	140	24.5
四次雷击	21	0.22	140	24.5
五次雷击	28	0.22	140	24.5

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	24.5
二次雷击	7	0.22	140	24.5
三次雷击	14	0.22	140	24.5
四次雷击	21	0.22	140	24.5
五次雷击	28	0.22	140	24.5

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	41.6
二次雷击	7	0.22	140	41.6
三次雷击	14	0.22	140	41.6
四次雷击	21	0.22	140	41.6
五次雷击	28	0.22	140	41.6

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	41.6
二次雷击	7	0.22	140	41.6
三次雷击	14	0.22	140	41.6
四次雷击	21	0.22	140	41.6
五次雷击	28	0.22	140	41.6

雷击次数	发生时间/ms	峰值时间/ms	冲击幅值/kV	波尾检测电压/kV
首次雷击	0	0.25	-473.0	-385.8
二次雷击	1.00	1.25	-309.8	-460.4
三次雷击	1.75	2.00	-198.4	-585.9
四次雷击	2.50	2.75	-239.8	-794.4

雷击次数	发生时间/ms	峰值时间/ms	冲击幅值/kV	波尾检测电压/kV
首次雷击	0	0.25	-473.0	-385.8
二次雷击	1.00	1.25	-309.8	-460.4
三次雷击	1.75	2.00	-198.4	-585.9
四次雷击	2.50	2.75	-239.8	-794.4

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	2.6	70	41.6
二次雷击	0.54	2.6	220	27.5
三次雷击	1.53	2.6	240	28.6
四次雷击	2.13	2.6	280	39.1

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	2.6	70	41.6
二次雷击	0.54	2.6	220	27.5
三次雷击	1.53	2.6	240	28.6
四次雷击	2.13	2.6	280	39.1

时刻/ms	实际电压值/kV	仿真电压值/kV	误差/%
0.3	-907	-887	2.20
1.0	-645	-656	1.71
1.9	-716	-718	0.02
2.5	-800	-882	10.20
3.2	-858	-846	1.40

时刻/ms	实际电压值/kV	仿真电压值/kV	误差/%
0.3	-907	-887	2.20
1.0	-645	-656	1.71
1.9	-716	-718	0.02
2.5	-800	-882	10.20
3.2	-858	-846	1.40

时刻/ms	最严苛多重雷反击过电压/ kV	最严苛多重雷绕击（闪络）过电压/kV	最严苛多重雷绕击（无闪络）过电压/kV	标准单次雷过电压/kV
0.3	-125	-886	-893	-873
1.0	-62	-778	-769	-130
1.9	-57	-163	-180	74
2.5	-10	-4	-283	64

时刻/ms	最严苛多重雷反击过电压/ kV	最严苛多重雷绕击（闪络）过电压/kV	最严苛多重雷绕击（无闪络）过电压/kV	标准单次雷过电压/kV
0.3	-125	-886	-893	-873
1.0	-62	-778	-769	-130
1.9	-57	-163	-180	74
2.5	-10	-4	-283	64

面向超高压交流输电线路过电压分析的多重雷击波形参数评定方法

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王正玺 ¹^,² , 梁涛 ¹^,² , 郭桐玮 ¹^,² , 曾宏 ³ , 崔涛 ³

电气技术 | 研究与开发 2025,26(1): 14-22

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电气技术 | 研究与开发 2025, 26(1): 14-22

面向超高压交流输电线路过电压分析的多重雷击波形参数评定方法

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王正玺¹^,², 梁涛¹^,², 郭桐玮¹^,², 曾宏³, 崔涛³

作者信息

¹ 西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室，西安 710049

² 西安交通大学电气工程学院，西安 710049

³ 国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610041

王正玺（2000—），男，重庆万州人，硕士研究生，主要从事电力系统过电压与绝缘配合。

Multiple lightning waveform parameter evaluation method for overvoltage analysis of ultra-high voltage alternating current transmission lines

Zhengxi WANG¹^,², Tao LIANG¹^,², Tongwei GUO¹^,², Hong ZENG³, Tao CUI³

Affiliations

¹ State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049

² School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049

³ State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610041

出版时间: 2025-01-15

文章导航

摘要

收起

超高压交流电力系统通常采用标准雷电流参数进行外部过电压核算，而雷电观测数据表明，80%以上的雷电过程为多重雷击现象，同标准推荐波形差异明显，在超高压交流系统多重雷事故频发的背景下，亟须提出严谨科学的多重雷参数评定方法。因此，本文以某500kV交流超高压输电系统为对象，从极端雷击工况及实际故障录波出发，提出考虑线路暂态特征的多重雷电流波形参数评定方法。分析表明，故障录波反演法可表征真实多重雷击情况；极端雷击工况法从线缆耐雷水平出发，分析了严苛条件下的雷电流参数。本文提出的波形参数评定方法可为多雷区超高压输电系统的过电压分析提供技术方案。

关键词

多重雷击 / 雷电流波形 / 故障分析 / 电力系统过电压 / 金属氧化物避雷器

Abstract

收起

Ultra-high voltage AC power system usually uses standard lightning current parameters to calculate external overvoltage, and lightning observation data show that more than 80% of the lightning process is multiple lightning strikes, which is significantly different from the standard recommended waveform. Under the background of frequent multiple lightning accidents in ultra-high voltage AC system, it is urgent to put forward a rigorous and scientific evaluation method of multiple lightning parameters. Therefore, this paper takes a 500kV AC ultra-high voltage transmission system as the object, and proposes a multiple lightning current waveform parameter evaluation method considering the transient characteristics of the line from the extreme lightning conditions and the actual fault recording. The analysis shows that the fault recording inversion method can characterize the real multiple lightning strikes. Extreme multiple lightning strikes method analyzes the lightning current parameters under harsh conditions from the lightning resistance level of the cable. The waveform parameter evaluation method proposed in this paper provides a technical scheme for overvoltage analysis of ultr-high voltage transmission system in lightning-prone areas.

Key words

multiple lightning strike / lightning current waveform / fault analysis / power system overvoltage / metal oxide arrester

引用本文

王正玺, 梁涛, 郭桐玮, 曾宏, 崔涛. 面向超高压交流输电线路过电压分析的多重雷击波形参数评定方法. 电气技术, 2025 , 26 (1) : 14 -22 .

Zhengxi WANG, Tao LIANG, Tongwei GUO, Hong ZENG, Tao CUI. Multiple lightning waveform parameter evaluation method for overvoltage analysis of ultra-high voltage alternating current transmission lines[J]. Electrical Engineering, 2025 , 26 (1) : 14 -22 .

正文

收起

0 引言

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超特高压电力系统是实现远距离能量输送，解决我国能源供给-需求逆向分布的关键技术，近年来发展迅速。电力规划设计总院16日发布的《中国电力发展报告2024》显示，我国持续完善网架结构，建强电网“大动脉”。截至2023年底，我国220kV及以上输电线路长度约92万km，较2013年增长约69.1%，西电东送规模达3亿kW，较上年增长约400万kW，有力促进了电力资源在全国范围内的优化配置^[1]。超特高压跨区域输电线路长度可达数千公里，输电走廊往往跨越高山、丘陵等地形条件复杂且雷击频发的地区，国内外大量运行经验表明，尽管超高压线路绝缘配合由内部过电压决定，但线路雷击、尤其是短时间内的多重连续雷击是导致系统故障的重要诱因^[2]，对系统绝缘构成极大威胁^[3]。相较单次雷击，多重雷波形参数复杂多变，尚无标准化依据开展雷电过电压分析，因此针对超特高压线路实际工况，确定多重雷击参数并支撑外部过电压核算，对系统绝缘配合^[4]及设备配置^[5]至关重要，是当前研究的热点和难点。

国内外雷电监测数据表明，超过80%的地面落雷均为多重雷击^[6-7]。目前，国内外学者在多重雷波形特征识别方面已经开展了大量的研究工作。现阶段，国外已通过美国^[8]、南非^[9]、奥地利^[10]、日本^[11]等地设立的观测点取得了雷击波形的众多参数，而国内也在此方面取得诸多进展，武汉大学^[12]、华北电力大学^[13]等高校，以及浙江省电力研究院^[14]、中国电科院^[15]等相关科研机构针对输电线路均开展了大量工作。但是，由于雷电流传感器的采样率、记录时长等因素限制，所捕捉的雷电流往往存在较大的失真现象。基于雷电监测及工程实践，IEEE C62.41.2及GB/T 21714—2015均对雷击波形做出规范^[16]，IEC标准采用“波前时间T₁/半峰值时间T₂”为10/350μs的电流波形作为直击雷的模拟雷电流波形，IEEE则建议10/350μs与8/20μs两种直击电流波形，除此之外，2.6/50μs波形也常常作为自然雷电流的标准波形用于仿真计算。以上参数仅针对单次雷击波形，在多重雷方面，GB/T 21714—2015标准从建筑防雷角度给出了多重雷直击下的建筑雷电流统计结果，规定了首次正极性雷击时间参数为10/350μs，首次负极性雷击时间参数为1/200μs，后续雷击时间参数均为0.25/100μs。然而，标准统计结果基于直击雷观测数据，针对具体线路，雷击方式、线路衰减等参数直接影响到达变电站内的雷电波形，直接采纳该雷电流波形无法正确考核站内避雷器的动态负荷及能量耐受。

此外，电力系统雷击事故具有偶发性，多重雷会导致更复杂的电磁环境和设备响应需求^[17]，仅依据单一雷电流标准无法反映真实故障过程的过电压水平，导致对避雷器的动态响应校核误差较高。从具体故障入手，反演多重雷击的实际波形是构建超特高压外部过电压及绝缘配合理论体系的关键。

由此，本文以某500kV交流输电线路为例，从不同角度提出考虑线路暂态特性的多重雷波形参数评定方案。具体而言，极端雷击工况方法依靠线路耐雷水平进行归算，甄别极端情况下的系统过电压；故障录波反演方法则根据实际录波反推，分析实际多重雷击参数。

1 基于极端雷击工况的多重雷波形参数评定

收起

针对特定的输电线路而言，其防雷水平决定了能够沿线传播雷电过电压的最大幅值^[18]，因此在缺乏雷击有效参数的情况下，可结合系统内杆塔结构物理参数，核算系统耐雷水平，确定能传播到站内雷电过电压的极限值。根据线路的耐雷水平可归算出多重雷击的最大幅值，直观反映线路在受到最大雷电能量涌入时的过电压程度。

本文以某500kV交流输电线路为典型对象，线路全长223.3km，两端分别连接S1变电站及S2变电站，共设463基杆塔，同塔双回部分长59.8km，过电压监测点为靠近S1变电站隔离开关的线路侧，雷击发生时，输电线路B相两端的隔离开关均断开，系统中接有并联电抗器，考虑的多重雷击事件发生在距离S1变电站112.4km的218号杆塔B相。雷击过程下某500kV输电线路结构如图1所示。

雷电流源等效电路如图2所示，采用并联波阻抗的冲击电流源模拟雷击，需确定参数包括波阻抗Z₀和雷击电流波形i₀(t)。根据GB 50064，波阻抗同雷电流幅值相关，规定雷电通道的波阻抗Z₀一般取值范围为300~400Ω ^[19]。将被击目标等效为波阻抗Z时，流过被击目标的电流i满足

（1）

$i=2{i}_{0}\frac{{Z}_{0}}{{Z}_{0}+Z}$

1.1 雷电流幅值的确定

当线路装有避雷线时，雷电躲过避雷线的保护击于导线及雷击塔顶两种情况对系统的危害最为突出，即常被提及的绕击和反击。通过计算线路绕击与反击的耐雷水平，可获得极端情况下的入侵雷电流幅值，为多重雷波形参数评定提供关键依据。给定交流输电系统的多重雷波形参数评定流程如图3所示。

1）反击的最大雷电流幅值

依据GB/T 311.2—2013，雷击杆塔耐雷水平I₁为

（2）

${I}_{1}=\frac{{U}_{50\%}}{\left(1-{k}_{0}{k}_{1}\right)\left[\beta \left({R}_{\text{ch}}+\frac{{L}_{\text{gt}}}{2.6}\right)+\frac{{H}_{\text{d}}}{2.6}\right]}$

式中：U_50%为绝缘子串50%闪络电压，U_50%= 2 445.2kV；k₀为导线与避雷线间耦合系数，k₀=0.22；k₁为电晕系数，k₁=1.28；β 为杆塔分流系数，β =0.88；R_ch为杆塔接地电阻，R_ch=5.2Ω；L_gt为杆塔电感，L_gt=21.7μH；H_d为导线平均高度，H_d=35.5m。据此可计算出雷击点218号杆塔B相的反击耐雷水平为186.33kA。

2）绕击的最大雷电流幅值

电气几何模型（electro-geometric model, EGM）法广泛应用于线路雷击位置的预测，准确性已得到西欧和美国等地区高压、超高压线路运行数据的验证。本文基于EGM击距理论，分析绕击时雷电流理论最大幅值^[20-21]。图4为线路中雷电流i₀（相应击距r_s）绕击线路的电气几何模型。对于幅值为I的雷电流，可得相应的击距r_s、r_c和r_g。

（3）

$\left\{\begin{array}{l}r_{\mathrm{s}}=10 I^{0.65} \\r_{\mathrm{c}}=1.63 \times\left(5.015 I^{0.578}+U_{\mathrm{ph}}\right)^{1.125} \\r_{\mathrm{g}}=\left\{\begin{array}{ll}{\left[3.6+1.7 \ln \left(43-h_{\text {c.av }}\right)\right] I^{0.65}} & h_{\text {c.av }}＜40 \mathrm{~m} \\5.5 I^{0.65} & h_{\text {c.av }} \geqslant 40 \mathrm{~m}\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中：r_s为雷电对地线的击距；r_c为雷电对导线的击距；r_g为雷电对大地的击距；h_c.av为导线对地平均高度；U_ph为导线上工频相电压瞬时值。图4中，弧AB为保护弧，弧BD为暴露弧，DE平面为大地捕雷面，不同雷电流幅值I所对应的击距r_s和r_c不同。

弧BD长度与雷电流幅值密切相关，雷电流幅值明确超过I_m后，系统不再发生绕击，在此临界情况下，存在θ₁=θ₂。

（4）

$\left\{\begin{array}{l}{\theta }_{1}=\mathrm{arcsin}\frac{{r}_{\text{g}}-{H}_{\text{C}}}{{r}_{\text{c}}}\\ {\theta }_{2}=\frac{\text{π}}{2}-\theta -\mathrm{arccos}\frac{{r}_{\text{c}}^{2}+{l}_{\text{sc}}^{\text{2}}-{r}_{\text{s}}^{2}}{2{r}_{\text{c}}{l}_{\text{sc}}}\end{array}\right.$

式中：θ 为避雷线保护角；H_C为导线对地高度；l_sc为导线到避雷线距离。

则临界击距r_sc为

（5）

${r}_{\text{sc}}=\frac{{H}_{\text{s}}+{H}_{\text{d}}}{2\left[1-\mathrm{sin}\left(\theta +{\theta }_{\text{g}}\right)\right]}$

式中：θ_g为地面倾角；H_s为避雷线对地平均高度。

依据杆塔布线结构，通过式（3）~式（5）可得雷电绕击线路时的最大绕击电流。计算时取H_s=40.6m、H_d=35.5m、θ =6.5°、θ_g=35°，计算得到临界击距r_sc为111.6m，临界电流为41.6kA。

绕击情况下，以50%线路绝缘冲击闪络电压为界限，当线路过电压幅值超过此值时，将发生绝缘闪络。在一般的情况中，需选取雷击位置的杆塔进行校验核算，本文选取雷击发生点218号杆塔，计算闪络雷电流幅值为则218号杆塔绕击耐雷水平I_min=24.5kA。

（6）

${I}_{\mathrm{min}}\approx \frac{{U}_{50\%}}{100}$

至此，计算得出的临界电流大于绕击耐雷水平，故选取临界电流幅值41.6kA为发生闪络时的最大雷电流，选取耐雷水平24.5kA为不发生闪络时的最大雷电流，相应的雷电通道波阻抗为300Ω，基于此进行两种严苛情况下的归算。

1.2 极端工况多重雷参数确定

根据系统参数可得到极端工况下绕击、反击雷电流的幅值，对于多重雷其他参数，可结合国际大电网会议（international conference on large high voltage electric system, conference international des grands reseaux electriques, CIGRE）对雷电流波形观测统计给出。实际统计结果表明，多重雷的雷击次数多为3~5次^[6]。CIGRE统计的直击雷电流参数见表1。

统计结果中优选95%高概率下的参数，选取最严苛反击情况下的多重雷击参数见表2，雷击点设置为输电线路218号杆塔处避雷线。

以闪络与否为判据，分析两种场景下最严苛绕击情况下的多重雷击参数分别见表3和表4，雷击点设置为输电线路218号杆塔附近故障线路。

2 基于故障录波反演的多重雷波形参数评定

收起

故障录波反演法从实际雷击观测结果反推，提取录波关键参数，以系统耐雷水平为边界，分析具体雷击过程中的多重雷参数。

2.1 多重雷击时的线路工况

本文所考虑的多重雷击过程发生在某线路B相，受雷击影响，线路B相两侧的出线断路器全部断开，经线路故障巡视，218号杆塔B相串接地端部分悬垂绝缘子有炸裂，横担、钢帽上有明显放电痕迹，线路中配置的Y20W—444/1050避雷器受到严重冲击。

实际事故中，雷击点在输电线路中档，录波装置设置在变电站入口处，距离为111.68km，多重雷击线路录波如图5所示，其中负峰值持续总时间为8.5ms，正峰值持续时间为13.2ms。观察其具体电压分布，负极性电压波动具有幅值高、振荡不规律的特点，每一次电压波动都超过避雷器Y20W— 444/1050的1mA参考电压（610kV）；正极性电压幅值更高，波动不大，远高于避雷器的1mA参考电压。

首先分析负极性振荡，0~8.5ms期间，由于此线路B相出线断路器已断开，系统不再向输电线路提供能量，故电压振荡全部来自系统外部，显然每次电压突变均是由于新的雷电流注入。突变次数为4，取突变的相对时间为0.3ms、1.0ms、1.9ms、2.5ms，对应的电压幅值分别为-907.4kV、-645.4kV、-716.0kV、-907.4kV，四次雷击均为负极性雷。后续设置0.3ms、1.0ms、1.9ms、2.5ms、3.2ms五个时间节点为关键节点，并将对应电压进行对比。

2.2 录波反推多重雷参数确定

多重雷击的参数录波显示，后续雷击均建立在前面雷击的基础上，故对于多重雷波形的还原以四重雷发生的时间顺序进行，对于每次雷击参数的确认，则是按照雷击时间、雷电波头时间、雷击幅值、雷电波尾时间的顺序进行还原。线路中监测装置的数据采集频率为4kHz，录波间隔为0.25ms，因为此次四重雷击均为负极性雷，雷击时刻波形骤降，之后再逐渐恢复到工况，故雷击发生时，录波呈现波峰状态，雷击结束后，录波呈现波谷状态，从实际录波所提取的参数定义如下。

第N次雷击发生时间：实际录波第N次波峰出现的时间。

第N次雷击峰值时间：实际录波第N次波谷出现的时间。

第N次雷击幅值：第N次波峰值与波谷值的差值。

第N次雷击波尾检测电压：在距离第N次雷击峰值时间0.25ms后，所检测到的电压值。

其中，雷击发生时间用于确认实际雷击时间，雷击峰值时间用于确定实际雷击波头时间，雷击幅值用于确认实际雷击幅值，雷击波尾检测电压用于确定实际雷击波尾时间。此处以第二次雷击为例，进行雷电参数细节阐述，录波参数分析如图6所示，四重雷击的录波参数见表5。

综合相关标准及雷电流观测结果，雷电流波头时间调整范围定义为1~10μs，调整步长为0.1μs，若时间调整范围内存在多个符合条件的参数，则以接近标准波头时间2.6μs为准；半波时间调整范围定义为20~500μs，调整步长为10μs，若调整范围内存在多个符合条件的参数，则以接近标准半波时间50μs为准；雷电流幅值调整范围定义为24.5~41.6kA，步长为0.1kA，以雷击幅值误差最小为准。

四重雷击的参数运算流程如图7所示，按照时间顺序对多重雷击进行还原，而参数按照雷击时间、雷电波头时间、雷击幅值、雷电波尾时间的顺序进行还原。录波反演所得雷电流参数见表6。

最终，得到关键时间节点的电压对比见表7。由此可见，录波反推多重雷击参数与实际多重雷击参数相似，在多个数据点上均有较高的契合度。

3 多重雷作用下的系统过电压响应分析

收起

3.1 多重雷激励下电容式电压互感器节点过电压水平

1）最严苛多重雷击下的系统过电压

结合表1的CIGRE统计规律，优选95%高概率下的参数，最严苛反击多重雷参数设置为五重雷击，雷击间隔为7ms，首次雷击波形参数为1.8/200μs，后续雷击参数设置为0.22/140μs，雷击幅值均为186.3kA；最严苛绕击多重雷参数设置为五重雷击，雷击间隔为7ms，首次雷击波形参数为1.8/200μs，后续雷击参数设置为0.22/140μs，闪络情况下，雷击幅值均为41.6kA，不闪络情况下，雷击幅值均为24.5kA。对照组雷电波形设置为单次雷击，雷击波形参数设置为2.6/50μs，根据CIGRE统计规律，雷击幅值取统计中位值20kA。基于以上参数进行仿真，得到电容式电压互感器（capacitor voltage transformer, CVT）所记录的反击条件、绕击条件、对照组的过电压波形分别如图8~图10所示。

极端多重雷击下线路不同时刻过电压的对比见表8。由此可见，反击情况下，虽然雷电流幅值较大，能量较高，但直接雷击点为避雷线，能量仅靠耦合方式侵入变电站，仿真过电压幅值并不高，而绕击多重雷与标准单次雷均使过电压幅值上升至约880kV。最严苛绕击多重雷与标准单次雷过电压波形对比如图11所示，可见最严苛绕击引发的过电压持续时间较长，能量远大于标准单次雷所引发的过电压。

2）故障反演多重雷的母线过电压水平

故障反推多重雷参数设置为四重雷击，雷击节点为0ms、0.54ms、1.53ms、2.13ms，四次雷击波形参数依次为2.6/70μs、2.6/220μs、2.6/240μs、2.6/280μs，雷击幅值依次为41.6kA、27.5kA、28.6kA、39.1kA。故障反演多重雷作用下的过电压波形如图12所示。

对比图6与图12发现，两者差异较大，这是因为CVT实际录波频率为4 000Hz，采样时间间隔为0.25ms，而运行时为了尽量还原波形，均将步长设置到μs级，若将步长设置为0.25ms，则仿真波形如图13所示。

对比图6和图13可见，此次仿真波形与实际监测波形趋势一致，两图的波形参数对应度较高，关键节点吻合度较高，因此可以认为仿真电压与录波电压基本吻合。

通过对比图11和图13发现，故障反演多重雷与标准单次雷均使过电压幅值上升到约880kV，但故障反演多重雷所引发的过电压持续时间较长，能量远大于标准单次雷所引发的过电压。

3.2 多重雷作用下的出线避雷器动态负荷对比

运行数据表明，多重雷击可导致变电站出线避雷器损伤。为此，考虑S1站母线并联出线避雷器（型号为Y20W—444/1050），分析多重雷下的避雷器能量吸收。其中，避雷器的参考电压为610kV，设置其吸收能量与温升之间的关系为ΔQ =68.8Δt，环境温度及避雷器初始温度均设置为25℃。

1）极端多重雷击下的避雷器负荷

根据Y20W5—420/1046W避雷器的伏安特性曲线，设置雷击为线路最大耐受雷水平，无闪络与有闪络情况下，最严苛绕击多重雷击下避雷器的能量吸收过程如图14所示。

无闪络时，避雷器吸收能量为6.47MJ，此时避雷器有明显的温升效应，温升为94.0K。最严苛绕击多重雷击避雷器放电电流波形如图15所示，结合图15中实线（黑色）来看，在此过程中，避雷器明显动作4次，流过的最大电流幅值依次为5 916A、5 726A、5 544A、5 613A、5 730A。

闪络时，避雷器吸收能量为6.89MJ，此时的避雷器有明显的温升效应，温升为100.1K。结合图15中虚线（红色）所示故障避雷器放电电流波形，在此过程中，避雷器明显动作4次，流过的最大电流依次为6 175A、5 878A、5 679A、5 767A、5 778A。

最严苛反击条件下的多重雷过电压未达到避雷器的动作电压，此时避雷器不动作，故避雷器在此情况下无明显能量积累，温度几乎不升高。

2）基于故障录波反演的避雷器动态负荷

调整雷击为故障录波反演多重雷波形，计算得到避雷器的能量吸收过程如图16所示。

避雷器吸收能量为4.2MJ，温升为60.6K，温升效应明显。结合图17所示故障避雷器放电电流波形，在此过程中，故障避雷器明显动作4次，后续3次动作时间接近，无法完全分开，因此将避雷器泄放电流的过程分为两次，第一次为0.3ms，流过避雷器的最大电流值为2 500A，第二次为2.5~5.2ms，流过避雷器的最大电流值为3 387.9A。

线路遭受标准单次幅值为20kA的2.6/50μs标准雷击后，过电压波形如图18所示。

可见，相较本文所建议的多重雷波形，标准单次雷击所蕴含的能量不大，仅考虑标准单次雷击作为避雷器的选型及设计依据，难以满足多重雷击的防护需求，也可能是引发多起有记录超高压避雷器损伤事故的关键原因。

3.3 小结

第3节对极端雷击工况法和故障录波反演法进行了对比论证。从分析结果可见，极端雷击工况法基于工程实际及统计数据，所总结出的雷电参数条件严苛，有效地界定了系统在多次雷击条件下的过电压分析范围；故障录波反演法具有更强的理论依据，仿真过电压与实际过电压关键节点吻合度较高。两种方法各有优势，适用于不同的应用场景。

4 结论

收起

本文提出了面向超高压交流输电线路过电压分析的多重雷波形参数评定方法——极端雷击工况法，综合了线路实际情况及多重雷观测统计结果，为系统的多重雷过电压分析给出了合理边界，同线路参数结合，适用于设计阶段的系统绝缘配合设计；故障录波反演法，参考了每次具体事故的特殊性，通过抓取录波关键数据，将多重雷参数的确定问题转化为最优化方程求解问题，可为阐释偶发事故中的多重雷波形提供依据。

基金

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2025年第26卷第1期

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接收时间：2024-08-02
首发时间：2025-11-09
出版时间：2025-01-15

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收稿日期：2024-08-02
修回日期：2024-09-19

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国家电网有限公司总部管理科技项目(5500-202326178A-1-1-ZN)

作者信息

¹ 西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室，西安 710049

² 西安交通大学电气工程学院，西安 710049

³ 国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610041

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

参数	发生概率	雷击类型
波头持续时间/μs	1.80	5.50	18.00	首次负极性雷击
0.22	1.10	4.50	后续负极性雷击
雷击持续时间/μs	30.0	75.0	200.0	首次负极性雷击
6.5	32.0	140.0	后续负极性雷击
时间间隔/ms	7	33	150	多重负极性雷击

参数

发生概率

雷击类型

95%

50%

波头持续时间/μs

1.80

5.50

18.00

首次负极性雷击

0.22

1.10

4.50

后续负极性雷击

雷击持续时间/μs

30.0

75.0

200.0

首次负极性雷击

6.5

32.0

140.0

后续负极性雷击

时间间隔/ms

150

多重负极性雷击

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	186.33
二次雷击	7	0.22	140	186.33
三次雷击	14	0.22	140	186.33
四次雷击	21	0.22	140	186.33
五次雷击	28	0.22	140	186.33

雷击次数

发生
时间/ms

波头
时间/μs

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时间/μs

雷击
幅值/kA

首次雷击

1.80

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二次雷击

0.22

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186.33

三次雷击

0.22

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186.33

四次雷击

0.22

140

186.33

五次雷击

0.22

140

186.33

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	24.5
二次雷击	7	0.22	140	24.5
三次雷击	14	0.22	140	24.5
四次雷击	21	0.22	140	24.5
五次雷击	28	0.22	140	24.5

雷击次数

发生
时间/ms

波头
时间/μs

波尾
时间/μs

雷击
幅值/kA

首次雷击

1.80

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二次雷击

0.22

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0.22

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四次雷击

0.22

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24.5

五次雷击

0.22

140

24.5

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	1.80	200	41.6
二次雷击	7	0.22	140	41.6
三次雷击	14	0.22	140	41.6
四次雷击	21	0.22	140	41.6
五次雷击	28	0.22	140	41.6

雷击次数

发生
时间/ms

波头
时间/μs

波尾
时间/μs

雷击
幅值/kA

首次雷击

1.80

200

41.6

二次雷击

0.22

140

41.6

三次雷击

0.22

140

41.6

四次雷击

0.22

140

41.6

五次雷击

0.22

140

41.6

雷击次数	发生时间/ms	峰值时间/ms	冲击幅值/kV	波尾检测电压/kV
首次雷击	0	0.25	-473.0	-385.8
二次雷击	1.00	1.25	-309.8	-460.4
三次雷击	1.75	2.00	-198.4	-585.9
四次雷击	2.50	2.75	-239.8	-794.4

雷击次数

发生
时间/ms

峰值
时间/ms

冲击
幅值/kV

波尾检测
电压/kV

首次雷击

0.25

-473.0

-385.8

二次雷击

1.00

1.25

-309.8

-460.4

三次雷击

1.75

2.00

-198.4

-585.9

四次雷击

2.50

2.75

-239.8

-794.4

雷击次数	发生时间/ms	波头时间/μs	波尾时间/μs	雷击幅值/kA
首次雷击	0	2.6	70	41.6
二次雷击	0.54	2.6	220	27.5
三次雷击	1.53	2.6	240	28.6
四次雷击	2.13	2.6	280	39.1

雷击次数

发生
时间/ms

波头
时间/μs

波尾
时间/μs

雷击
幅值/kA

首次雷击

2.6

41.6

二次雷击

0.54

2.6

220

27.5

三次雷击

1.53

2.6

240

28.6

四次雷击

2.13

2.6

280

39.1

时刻/ms	实际电压值/kV	仿真电压值/kV	误差/%
0.3	-907	-887	2.20
1.0	-645	-656	1.71
1.9	-716	-718	0.02
2.5	-800	-882	10.20
3.2	-858	-846	1.40

时刻/ms

实际电压值/kV

仿真电压值/kV

误差/%

0.3

-907

-887

2.20

1.0

-645

-656

1.71

1.9

-716

-718

0.02

2.5

-800

-882

10.20

3.2

-858

-846

1.40

时刻/ms	最严苛多重雷反击过电压/ kV	最严苛多重雷绕击（闪络）过电压/kV	最严苛多重雷绕击（无闪络）过电压/kV	标准单次雷过电压/kV
0.3	-125	-886	-893	-873
1.0	-62	-778	-769	-130
1.9	-57	-163	-180	74
2.5	-10	-4	-283	64

时刻/ms

最严苛多重雷反击过电压/
kV

最严苛多重雷绕击（闪络）过电压/kV

最严苛多重雷绕击（无闪络）过电压/kV

标准单次雷过电压/kV

0.3

-125

-886

-893

-873

1.0

-62

-778

-769

-130

1.9

-57

-163

-180

2.5

-10

-4

-283