隨著電力系統的發展，架空輸電線路的高度和傳輸容量都在不斷提高，架空輸電線路綿延數千km ，經常遭受各種雷電過電壓侵襲，引發停電事故。

　　因此，架空輸電線路雷電過電壓防護研究是建設超高壓電網和智能電網必須研究的重要課題。輸電線路雷電過電壓從發生機理來看，可以分為感應雷電過電壓、繞擊雷電過電壓(裝有避雷線的架空線路) 、反擊雷電過電壓。由于3 種雷電過電壓的發生機理、過程不同，所采取的防護手段也不相同。感應雷過電壓主要對35 kV 及以下的架空輸電線路產生危害， 110 kV 及以上的架空輸電線路由于線路絕緣水平較高以及避雷線的屏蔽效應，感應雷過電壓一般不會引起絕緣子串閃絡;反擊、繞擊雷電過電壓由于是雷電流直接作用產生的，又稱為直擊雷電過電壓。反擊雷電過電壓主要靠提高線路絕緣水平，降低桿塔接地電阻來提高耐雷水平，而繞擊過電壓主要靠改進線路保護角等方式來降低繞擊發生概率。現有的輸電線路雷電過電壓的防護研究大多采用經驗數據、電氣幾何模型法等研究方法，試圖在設計階段消除雷電過電壓對架空輸電線路的威脅。

　　然而大量的運行經驗表明，即使在防雷設計階段考慮了眾多完善的防雷手段，由于防雷設計所采用的數據、方法、模型與投運線路的實際情況還有不少出入，導致實際線路雷擊事故跳閘率與設計值存在誤差，各種雷電過電壓事故時有發生[2-4 ] 。因此，對已經投運的輸電線路上所發生的雷電過電壓類型進行準確辨識，為架空輸電線路的防雷設計提供可靠的數據，對提高防雷設計效率十分必要。

　　文獻[5 ]從繼電保護的角度提出了對直流輸電線路雷電繞擊與反擊的識別方法，該方法主要針對的是直流輸電線路。文獻[ 6 ]提出了磁帶、磁鋼棒等方式測量雷電流波形參數來實現對繞擊和反擊的識別，但是由于這些測量裝置不能重復測量，獲取數據的工作量大，需依據工作經驗來做判斷，易造成過電壓識別的誤判，漏判。文獻[ 7-14 ]對雷電信號進行了深入的研究，提出了利用電流高低頻能量比值、零模與線模分量比值、波前波尾最大斜率比值、波形一致性系數、模極大值等構成判據，實現對雷電干擾和短路信號的辨識。上述文獻出發點是暫態行波保護，主要目的在于辨識雷電干擾對暫態行波保護的影響，而非對雷電過電壓類型進行識別。目前，交流系統的雷電過電壓類型的非現場識別方法研究仍是一個難點。

　　由于現有的變電站錄播裝置采樣率過低(通常只有數十kHz) ，難以完整準確的記錄雷電過電壓波形(通常波頭、波長時間都在μs 級) ，且未考慮TV 在過電壓下的磁飽和特性，變電站錄波裝置是無法準確獲取雷電過電壓信號的。文獻[ 15 ]提出了針對配電網的過電壓模式識別方法，采用的是變電站內部過電壓監測裝置所獲取的過電壓信號。由于變電站內部結構復雜多樣，雷電行波沿輸電導線傳輸到變電站內部時，會發生多次復雜的折反射，使波形畸變失真。因此，對于雷電過電壓類型的辨識，即使利用變電站過電壓監測裝置獲取了真實可靠的變電站內部的過電壓信號，也難以用于分析、辨識線路上所發生的雷電過電壓類型。

　　基于上述考慮，本文從輸電線路電流行波的角度，研究交流輸電線路中感應、繞擊、反擊雷電過電壓的發生機理、過程以及波頭特征，提出了利用輸電線路電流行波波頭的時域特征量實現雷電過電壓類型的辨識，為輸電線路防雷設計、優化運行水平、線路維護等提供統計數據支持。由于采用了輸電線路的雷電流行波作為分析對象，能有效避免雷電流行波在變電站內部的折反射所帶來的影響。EMTP仿真計算表明，利用本文所提取的特征量能有效辨識雷電過電壓類型。

　　1 　輸電線路的雷電過電壓發生機理

　　1. 1 　感應雷電過電壓

　　雷云接近輸電線路上空時，在架空輸電線路上將感應出與雷云電荷量相等但極性相反的電荷，稱為束縛電荷。當雷云對地放電時，由于云中電荷很快中和，束縛電荷被釋放，在輸電線路上感應出極性與雷電流相反的過電壓。架空線上的感應雷過電壓波形及其幅值與導線、雷電流參數等多個因素有關。

　　由于三相導線與雷擊點距離基本相等，因此三相架空線上的感應雷過電壓極性相同，波形相似，幅值相近。J ankov 在雷電流回擊模型和耦合的Agraw2al 模型基礎上 ，給出了架空線路感應雷過電壓的幅值估計公式:

　　式中， ku = k3 h; h 為導線離地高度; d 為雷擊點到導線的距離;系數k0 、k1 、k2 和k3 由雷電流特性決定。

　　1. 2 　反擊雷電過電壓

　　雷電流擊中輸電桿塔塔頂時，大部分雷電流沿桿塔流入大地，由于桿塔、避雷線波阻抗及接地電阻的存在，雷電流流過桿塔進入大地時，會在桿塔上產生很大的壓降，使塔頂、橫擔的電位陡升。當絕緣子串兩端所承受的電位差超過其沖擊閃絡電壓時，絕緣子串發生閃絡，導致輸電線路發生接地故障。

　　雷電流作用于桿塔并發生反擊包括桿塔電位升高和絕緣子串擊穿兩個過程，如圖1 所示。當絕緣子串未被擊穿時，除大部分雷電流沿桿塔入地外，少部分雷電流被避雷線分流。根據空間電磁耦合原理，輸電線路中將耦合出一個電流行波。此時，輸電線路通道中沒有直擊雷電流，只含有空間電磁耦合電流。當桿塔電位繼續上升，導致絕緣子串擊穿后，雷電流將注入輸電線路。此時，輸電線路中將會有大量的雷電流，較之前一階段的空間電磁耦合分量，輸電線路的電流將發生大幅躍升。反擊發生時，桿塔電位升高和絕緣子擊穿兩個過程彼得遜等值電路如圖2 所示。設桿塔波阻抗為Z1 、避雷線波阻抗為Z2 、接地電阻為Rg ， ，輸電線路波阻抗為Z ， 雷電通道波阻抗為Z0 ， 雷電流為i。絕緣子串作用相當于等值電路開關S ，絕緣子串未擊穿，S 未閉合時，輸電線路波阻抗Z 中沒有雷電流，絕緣子串擊穿，S 閉合后，雷電流注入輸電線路通道。

圖1 　反擊示意圖

圖2 　反擊等值電路

　　1. 3 　繞擊雷電過電壓

　　雷電流直接擊中輸電導線時，由于大量雷電流注入，導致輸電線路對地電壓陡升。當絕緣子串兩端承受的電位差大于絕緣子串沖擊閃絡電壓時，絕緣子串發生閃絡，導線通過桿塔對地放電。繞擊發生時，雷電流首先直接作用于導線。因此繞擊時導線的電流行波全部為雷電流分量，不存在類似反擊的電磁耦合分量，其發生過程的示意圖如圖3 所示。

圖3 　繞擊示意圖

　　繞擊發生時，導線電位升高和絕緣子串閃絡兩個過程的彼得遜等值電路如圖4 。絕緣子串作用相當于等值電路開關S ，絕緣子串未擊穿，S 未閉合時，雷電流導致輸電線路電位升高，桿塔、避雷線中沒有雷電流;絕緣子串擊穿，S 閉合后，雷電流通過桿塔入地。由于輸電線路直接被雷電流作用，在繞擊過程中輸電線路雷電流中不存在電磁耦合電流分量。

圖4 　繞擊等值電路

　　由上述分析可知，當輸電線路發生感應雷過電壓時，電流行波為感應電流，三相基本相似;發生反擊時，在絕緣子未擊穿之前，電流為電磁耦合電流，擊穿之后，線路電流由電磁耦合電流突變為直擊雷電流。發生繞擊時，線路電流為直擊雷電流分量。

　　2 　輸電線路的雷電過電壓電磁暫態仿真

　　2. 1 　感應雷電過電壓

　　本文采用EMTP 電磁暫態仿真程序對架空輸電線路的感應、繞擊、反擊3 種雷電過電壓進行仿真計算。圖5 為220 kV 系統仿真模型。輸電線路長為30 km。根據桿塔尺寸結構，采用文獻[ 17 ]所提出的計算公式，得到桿塔分段波阻抗模型，如