500 kV同塔四回輸電線路豎塔與橫塔耐雷性能比較

蘇菲，周浩，沈志恒，趙斌財(cái)

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市，310027)

0 引言

同塔多回線路可有效增加單位走廊面積輸電容量，節(jié)省線路走廊。目前，我國(guó)北京、廣東、江蘇、浙江等地已經(jīng)建設(shè)數(shù)條不同電壓等級(jí)的同塔多回線路［1-4］。同塔四回線路回?cái)?shù)較多，避雷線對(duì)導(dǎo)線的屏蔽作用較常規(guī)線路差，此時(shí)桿塔塔形會(huì)對(duì)線路的耐雷水平產(chǎn)生較大的影響。另一方面，同塔并架線路其鐵塔高度和橫擔(dān)寬度較單回線增加明顯，耐雷水平降低。因此，如何選擇500 kV同塔四回線路桿塔塔形及提高線路耐雷水平成為電力部門(mén)極為關(guān)注的課題。

目前，500 kV同塔四回線路常用桿塔有豎塔與橫塔，這2種桿塔導(dǎo)線布置各不相同，耐雷水平也有較大差距。本文對(duì)比了這2種典型桿塔在不同地面傾角以及桿塔接地電阻等情況下的防雷性能，分析其電磁環(huán)境的優(yōu)劣，為不同地區(qū)線路桿塔的選擇提供了依據(jù)。對(duì)三避雷線與單耦合地線的防雷效果進(jìn)行了研究，并提出了改進(jìn)500 kV同塔四回線路耐雷性能的措施。

1 耐雷性能計(jì)算與線路參數(shù)

1.1 耐雷性能計(jì)算方法

繞擊計(jì)算采用電氣幾何模型(electric geometry method，EGM)［5-6］，并考慮桿塔所處地面的傾角和導(dǎo)線上工頻電壓等因素的影響。反擊計(jì)算采用改進(jìn)多波阻抗模型，使用電磁暫態(tài)程序(elector-magnetic transient program，EMTP)軟件仿真計(jì)算高桿塔反擊耐雷水平，并計(jì)算其相應(yīng)的反擊跳閘率。

(1)雷電參數(shù)。本文采用2.6/50 μs斜角波的雷電流波形［7］。

(2)桿塔的波阻抗與波速。采用改進(jìn)多波阻抗模型，將四回線路桿塔分段［8］，波阻抗計(jì)算公式［9-12］為

式中:h為相應(yīng)桿塔段高度，m;r為桿塔的等效半徑，m。

(3)EGM擊距選取。電氣幾何模型的擊距公式使用 IEEE標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式［13］，即

式中:rs為雷電對(duì)導(dǎo)線擊距，m;rg為雷電對(duì)大地?fù)艟?，m。

(4)雷擊塔頂時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓分量。采用武漢大學(xué)等提出的感應(yīng)電壓計(jì)算式

式中:hc為導(dǎo)線對(duì)地高度，m;hg為避雷線對(duì)地高度，m;k0為避雷線與導(dǎo)線的幾何耦合系數(shù)。

1.2 線路參數(shù)

對(duì)比的塔型為500 kV同塔四回線路常用塔型，豎塔與橫塔。豎塔呼高33 m，全高92.1 m;橫塔呼高33 m，全高60.5 m。桿塔線路布置如圖1所示。

圖1 500 kV同塔四回線路桿塔導(dǎo)線布置Fig.1 Setting up of wire in the 500 kV transmission lines with four-circuit on a tower

500 kV四回線路的導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-400/35，地線采用LGJ-95/55。豎塔和橫塔導(dǎo)線排列方式如表1所示。

500 kV線路采用耐污FC160P/155型絕緣子，取31片。計(jì)及金具時(shí)的絕緣子V串長(zhǎng)3.8 m，I串長(zhǎng)4.9 m。

線路電壓等級(jí)較高，對(duì)桿塔的接地電阻的要求亦較高。因此，本文取5 Ω為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行反擊計(jì)算分析。

2 橫塔與豎塔的耐雷性能比較

2.1 繞擊耐雷性能對(duì)比

由圖1可知，豎塔邊相四回導(dǎo)線都有可能遭受繞擊，而橫塔只有外側(cè)導(dǎo)線可能遭受繞擊。選取一側(cè)導(dǎo)線，針對(duì)2種桿塔可能受繞擊的導(dǎo)線進(jìn)行計(jì)算。

影響線路繞擊跳閘率的主要因素有:工頻電壓、地面傾角和呼稱(chēng)高?？紤]工頻電壓影響，本計(jì)算中地面傾角為5°，呼高為33 m，避雷線保護(hù)角為原桿塔設(shè)計(jì)角度(豎塔 －0.54°，橫塔3.3°)。

地面傾角對(duì)線路繞擊跳閘率有較大的影響，不同的地面傾角下，2種桿塔的繞擊跳閘率如表2、3以及圖2所示。

表2 豎塔線路繞擊跳閘率Tab.2 Shielding failure trip out rate of vertical tower

表3 橫塔線路繞擊跳閘率Tab.3 Shielding failure trip out rate of horizontal tower

由表2、3及圖2可知:橫塔的繞擊跳閘率明顯低于豎塔。當(dāng)?shù)孛鎯A角為5°時(shí)，豎塔繞擊跳閘率為0.031次/(100 km·a)，而橫塔為0。隨著地面傾角的增大，2種桿塔繞擊跳閘率仍存在較大的差距，當(dāng)?shù)孛鎯A角為 30°時(shí)，豎塔的繞擊跳閘率為 0.24次/(100km·a)，而橫塔為0.14次/(100 km·a)，僅為豎塔的54%。分析認(rèn)為，橫塔單側(cè)導(dǎo)線1、3、5相被導(dǎo)線2、4、6相屏蔽，桿塔單側(cè)易擊相僅有3相，而對(duì)于豎塔，單側(cè)兩回線路垂直排列，易繞擊相為6相。另一方面，橫塔高度較低，大地對(duì)導(dǎo)線屏蔽作用較好，使得橫塔防繞擊性能更為優(yōu)越。

圖2 不同地面傾角下桿塔的繞擊跳閘率Fig.2 The relationship between towers'shielding failure trip out rate and ground dip angel

2.2 反擊耐雷水平對(duì)比

采用桿塔波阻抗模型對(duì)線路的反擊耐雷水平進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)桿塔及線路尺寸參數(shù)，建立合適的線路段模型，并考慮感應(yīng)電壓與線路工作電壓，使用EMTP仿真計(jì)算各型桿塔的單回、雙回反擊耐雷水平。

根據(jù)我國(guó)500 kV同塔雙回線路和國(guó)外同塔雙回及多回線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)500 kV同塔多回線路宜采用平衡高絕緣(31片155 mm絕緣子)的方式。并暫假定桿塔沖擊接地電阻為5 Ω，呼高為33 m，保護(hù)角取桿塔設(shè)計(jì)保護(hù)角。

雷擊桿塔附近避雷線，2種塔型的平均耐雷水平和反擊跳閘率如表4、圖3所示。

表4 桿塔反擊耐雷水平Tab.4 The towers'lightning withstand performance of back flashover

由表4及圖3可知:當(dāng)接地電阻為5～20 Ω時(shí)，橫塔的反擊耐雷水平優(yōu)于豎塔。接地電阻為5 Ω時(shí)，豎塔的單回耐雷水平為144.8 kA，橫塔耐雷水平為180.3 kA，橫塔反擊耐雷水平較豎塔高25%左右，隨著接地電阻的增大，2種桿塔的反擊耐雷水平差距逐漸減小，當(dāng)接地電阻為15 Ω時(shí)，兩者相差14 kA。

圖3 不同接地電阻下桿塔的反擊耐雷水平Fig.3 The relationship between towers'lightning withstand performance of back flashover and grounding resistance

分析認(rèn)為，橫塔高度較低(較豎塔低30 m左右)，較低的桿塔高度使得雷電反射波能夠更快地折返，從而抑制桿塔頂部雷電過(guò)電壓的上升，在相同的接地電阻下，橫塔的反擊耐雷水平要高于豎塔。但隨著接地電阻的增大，雷電流不能較好地沿桿塔泄放入大地，使得雷電反射波對(duì)桿塔上層雷電過(guò)電壓上升的抑制作用減弱。因此，隨著接地電阻的增大，橫塔的反擊耐雷水平快速下降。當(dāng)接地電阻進(jìn)一步增大時(shí)，雷電反射波對(duì)桿塔上層雷電過(guò)電壓的抑制作用較小，最終使得橫塔、豎塔2種桿塔反擊耐雷水平相差不大。

3 2種塔型的工程應(yīng)用分析

在典型情況下(I級(jí)落雷密度、絕緣配置31片155 mm絕緣子、桿塔接地電阻5 Ω)，線路的雷擊跳閘率如表5所示。

表5 500 kV線路雷擊跳閘率(折合單回)Tab.5 The trip out rate of 500 kV transmission line

在典型情況(接地電阻5 Ω，地面傾角5°)下，橫塔的耐雷水平明顯優(yōu)于豎塔，其單回雷擊跳閘率僅為豎塔的21%。從防雷安全角度出發(fā)，橫塔的防雷性能要優(yōu)于豎塔。

對(duì)比2種桿塔的電磁環(huán)境，豎塔的線路走廊為34 m，橫塔的線路走廊為49 m，豎塔線路下方的工頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)、無(wú)線電干擾及可聽(tīng)噪聲均優(yōu)于橫塔［14］。

對(duì)于2種塔型的經(jīng)濟(jì)性，豎塔較橫塔耗鋼量大，桿塔造價(jià)略高于橫塔。

綜合考慮防雷安全性、電磁環(huán)境與經(jīng)濟(jì)性因素，豎塔適用于雷害較輕或線路走廊緊張地區(qū)，橫塔適用于雷害嚴(yán)重或?qū)ψ呃葘挾炔幻舾械牡貐^(qū)。

4 500 kV同塔四回線路防雷建議

4.1 避雷線保護(hù)角對(duì)提升桿塔防繞擊效果研究

減小避雷線保護(hù)角是防繞擊效果最為顯著的方法之一，同塔多回線路避雷線保護(hù)角盡量減小，建議小于 0°［15-16］。

取地面傾角5°，呼高33 m，改變避雷線保護(hù)角，得到3種絕緣方式下桿塔單回線路的繞擊跳閘率隨避雷線保護(hù)角變化的曲線，如圖4所示。由圖4可知:

(1)對(duì)于豎塔，避雷線保護(hù)角對(duì)線路的繞擊跳閘率有很大的影響。避雷線保護(hù)角為－10°～－2.5°時(shí)，桿塔的繞擊跳閘率處在較低的水平，并且隨著保護(hù)角的增大，繞擊跳閘率增加速度較慢。若保護(hù)角進(jìn)一步增大，線路繞擊跳閘率迅速上升。

(2)對(duì)于橫塔，桿塔的防繞擊性能優(yōu)越，在避雷線保護(hù)角小于5°時(shí)，桿塔的繞擊跳閘率均為0，當(dāng)避雷線保護(hù)角增大到10°時(shí)，橫塔的繞擊跳閘率仍處在較低的水平。

綜上所述，建議豎塔的避雷線保護(hù)角不大于－2.5°;對(duì)于橫塔，其防繞擊性能優(yōu)越，保護(hù)角可以小于 0°。

圖4 豎塔、橫塔繞擊跳閘率與避雷線保護(hù)角關(guān)系Fig.4 The relationship between towers'shielding failure trip out rate and lightning shielding line's protection angle

4.2 耦合地線對(duì)提升桿塔防反擊效果研究

架設(shè)耦合地線通常作為一種防雷的補(bǔ)救措施，主要用于某些已經(jīng)建成投運(yùn)線路的雷擊故障頻發(fā)線路段，還適用于難以降低桿塔接地電阻的山區(qū)。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也表明，架設(shè)耦合地線可有效提高線路的反擊耐雷性能，降低線路雷擊跳閘率。

常見(jiàn)的耦合地線架設(shè)方式包括:(1)單耦合線方式，即在桿塔中央、下層導(dǎo)線下方架設(shè)1條耦合地線;(2)三避雷線方式，即在最上層橫擔(dān)中央架設(shè)1條耦合地線(共計(jì)3條避雷線)。2種耦合地線架設(shè)方案對(duì)桿塔不同高度處線路的保護(hù)效果各不相同。單耦合地線位于桿塔下方，對(duì)下層導(dǎo)線保護(hù)效果較好，而三避雷線與上層導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)較大，對(duì)上層導(dǎo)線雷電反擊保護(hù)效果較好。

以豎塔和橫塔為例，在不同的桿塔接地電阻下，對(duì)比分析了2種耦合地線架設(shè)方案的防反擊效果，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知:

(1)架設(shè)單耦合地線與三避雷線均可以提高線路反擊耐雷水平。并且在桿塔接地電阻越大時(shí)，改造效果越明顯，這與耦合地線適用于接地電阻難以降低的地區(qū)的特點(diǎn)相呼應(yīng)。耦合地線可以增加地線與線路的耦合系數(shù)，同時(shí)增大對(duì)桿塔的分流系數(shù)，使線路耐雷水平提高。

(2)對(duì)比單耦合地線與三避雷線這2種耦合地線架設(shè)方案，三避雷線的防反擊效果要優(yōu)于單耦合地線。分析認(rèn)為，由于塔身與橫擔(dān)的分流作用，桿塔上層導(dǎo)線絕緣子串承受的反擊雷電過(guò)電壓要高于下層絕緣子，易閃絡(luò)相為上層導(dǎo)線。而三避雷線與上層導(dǎo)線的耦合系數(shù)較大，對(duì)上層導(dǎo)線的保護(hù)效果優(yōu)于單耦合地線;另一方面，避雷線架設(shè)在桿塔頂部，分流作用更佳。綜上所述，架設(shè)三避雷線的防反擊效果優(yōu)于單耦合地線方案。

(3)總體來(lái)說(shuō)，對(duì)比架設(shè)耦合地線的2種方案，架設(shè)三避雷線可以更為有效地提高500 kV同塔四回線路的耐雷水平。但是在桿塔的最上方再拉1根地線，施工難度較大。而單耦合地線防雷效果雖然不及三避雷線，但仍可有效提高桿塔的反擊耐雷水平，并且架設(shè)難度較小。因此，實(shí)際中應(yīng)根據(jù)工程需要選擇合適的耦合地線架設(shè)方案。

5 結(jié)論

(1)地面傾角 0°～30°、接地電阻 5 ～20 Ω 時(shí)，橫塔的繞反擊性能均優(yōu)于豎塔，在典型情況(接地電阻5 Ω，地面傾角5°，I級(jí)落雷密度)下，橫塔的雷擊跳閘率僅為豎塔的1/4。電磁環(huán)境方面，豎塔的線路走廊為34 m，橫塔的線路走廊為49 m，豎塔線路下方的工頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)、無(wú)線電干擾及可聽(tīng)噪聲均優(yōu)于橫塔。綜上所述，建議在雷害較輕或線路走廊緊張地區(qū)采用豎塔，在雷害嚴(yán)重或?qū)ψ呃葘挾炔幻舾械牡貐^(qū)采用橫塔。

表6 不同耦合地線架設(shè)方案下豎塔與橫塔四回線路的反擊耐雷水平Tab.6 Towers'lightning withstand performance of back flashover under different coupling earth wires

(2)在地面傾角5°～30°范圍內(nèi)，橫塔的繞擊跳閘率均低于豎塔。在地面傾角為5°時(shí)，豎塔繞擊跳閘率為0.031次/(100 km·a)，而橫塔為0。隨著地面傾角的增大，2種桿塔繞擊跳閘率仍存在較大的差距，當(dāng)?shù)孛鎯A角增大到30°時(shí)，豎塔、橫塔繞擊跳閘率為0.24、0.14 次/(100 km·a)，橫塔繞擊跳閘率僅為豎塔的54%。

(3)在接地電阻5～20 Ω范圍內(nèi)，橫塔的反擊耐雷水平優(yōu)于豎塔。接地電阻為5 Ω時(shí)，橫塔的反擊耐雷水平比豎塔高40 kA左右，隨著接地電阻的增大，2種桿塔的反擊耐雷水平有一定程度的下降，當(dāng)接地電阻為15 Ω時(shí)，橫塔反擊耐雷水平仍比豎塔高14 kA。

(4)對(duì)避雷線保護(hù)角－10°～10°范圍內(nèi)桿塔的繞擊跳閘率進(jìn)行了研究。對(duì)于豎塔，當(dāng)保護(hù)角小于－2.5°時(shí)，線路繞擊跳閘率較低，且上升不明顯。若進(jìn)一步增大保護(hù)角，線路繞擊跳閘率將會(huì)迅速上升。因此，建議同塔四回線路豎塔避雷線保護(hù)角不大于－2.5°。橫塔的防繞擊性能優(yōu)越，在保護(hù)角 －10°～5°范圍內(nèi)，其繞擊跳閘率均為0，因此建議橫塔采用國(guó)網(wǎng)公司建議保護(hù)角，保護(hù)角小于0°。

(5)對(duì)于同塔四回線路，架設(shè)單耦合地線與三避雷線均可以提高線路反擊耐雷水平，并且在桿塔接地電阻越大時(shí)，改造效果越明顯。對(duì)比這2種方案，架設(shè)三避雷線可以更為有效提高線路耐雷水平，但三避雷線架設(shè)難度大于耦合地線方案，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇耦合地線方式。

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