500 kV 交直流混架塔防雷性能分析

柏丹丹，王 睿，施 芳，戴雨劍

（華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)不斷發(fā)展，輸電線路走廊資源日益緊缺，局部地區(qū)協(xié)調(diào)難度大，開辟線路新走廊愈發(fā)困難[1-2]。交直流線路或不同電壓等級線路共架、平行架設(shè)或共用走廊已成為一種發(fā)展趨勢。以北京地區(qū)為例，受密集的旅游景區(qū)、自然保護區(qū)、城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)及軍事設(shè)施的限制，走廊資源極其稀缺，若將交流和直流線路同塔混架，則能有效節(jié)約線路走廊，提高單位長度的電能輸送能力。

運行經(jīng)驗表明，雷擊仍是造成交、直流線路跳閘的最主要因素，在電網(wǎng)總事故中占據(jù)很大比重[3-4]。交直流同塔架設(shè)需要采用三層或四層橫擔，會直接導致桿塔全高較高或塔身寬度較大，從而影響其耐雷水平的高低。

目前，國內(nèi)外對在運的各種電壓等級的交直流線路以及同塔多回架設(shè)的交流或直流線路的耐雷水平已經(jīng)開展了大量研究工作[5-7]，但針對交直流同塔多回尤其是500 kV 交直流同塔混架線路的雷擊跳閘率研究較少。為此，本文通過搭建相關(guān)模型來計算分析不同架設(shè)方式下500 kV 交直流混架塔的防雷特性。

1 已建500 kV 交直流線路的耐雷性能

表1 所示為我國在運500 kV 交流輸電線路的雷擊跳閘率的統(tǒng)計平均值，可以看出，500 kV交流輸電線路的雷擊跳閘率平均值均高于0.14次/（100 km·a），且不同區(qū)域500 kV 交流線路的雷擊跳閘率水平相差較大，這主要是由于我國不同地區(qū)雷電活動強度分布各異有關(guān)。

表1 我國在運500 kV 交流輸電線路的雷擊跳閘率

從表2 可以看出，國家電網(wǎng)公司±500 kV 直流輸電線路2005—2012 年的雷擊閃絡率在0.066～0.463 次/（100 km·a）之間波動。

表2 2005—2012 年國家電網(wǎng)公司500 kV 直流輸電線路雷擊閃絡情況

2 交直流混架線路耐雷性能的分析方法

2.1 反擊計算方法和模型參數(shù)

一般來說，雷擊線路檔距中央而引起線路反擊的情況極為罕見，因此主要考慮雷擊桿塔塔頂而引起的反擊閃絡。研究中反擊計算采用行波法基于EMTP 程序進行建模仿真[8]。本文采用的計算條件包括：雷電流波形采用2.6/50 μs；桿塔采用多波阻抗建模；采用IEC 60071—4 推薦的相交法作為絕緣子閃絡判據(jù)。

對線路桿塔采用分段波阻抗模擬。多波阻抗模型將桿塔結(jié)構(gòu)分為主支架、斜材和橫擔3 個部分分別建模，且每部分都假設(shè)為均勻分布，計算波阻抗典型的經(jīng)驗公式有3 種[9-12]。

式中：rek，Hk分別為圓柱體的等效半徑和圓柱體頂端距地垂直高度。

式中：rTk，rB分別為塔柱第k 層和底端等值半徑；RTk，RB分別為兩塔柱第k 層和底端間距離。

（2）斜材部分波阻抗

試驗表明，支架部分波阻抗大約為：

（3）桿塔橫擔部分波阻抗

式中：hk為第k 個橫擔對地的高度；rAk取橫擔與桿塔主體連接處橫擔寬度的1/4。

2.2 繞擊計算方法和模型參數(shù)

交直流線路繞擊跳閘機理相同[5]，線路繞擊耐雷性能主要受地形、保護角、塔高等因素影響[4]。輸電線路繞擊性能的仿真計算常用EGM（電氣幾何模型法）和LPM（先導發(fā)展模型法）[13-15]。EGM經(jīng)過了數(shù)十年的演進和發(fā)展，其計算結(jié)果與各國電網(wǎng)的運行經(jīng)驗比較符合。在美、日及歐洲各國得到了廣泛應用，在我國的電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計中也受到普遍認可。而LPM 是近年來隨著長間隙放電研究的迅猛發(fā)展，有關(guān)學者根據(jù)長間隙放電和地閃之間相似性提出的一種雷電仿真模擬方法。該方法綜合考慮下行先導的發(fā)展，地面物體迎面先導的起始，下行先導和迎面先導之間的相對運動，以及最后擊穿判據(jù)等因素，通過動態(tài)電場計算，對下行先導繞擊輸電線路的物理過程進行仿真。

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由于人們對雷電先導發(fā)展過程認識的局限性，不同學者對先導發(fā)展模型的關(guān)鍵判據(jù)存在分歧，不同模型、參數(shù)所對應的計算結(jié)果也有較大差別。本文采用EGM 對交直流混架線路的繞擊耐雷性能進行仿真研究，一般認為相較于EGM，LPM 的雷電計算結(jié)果偏小。

對應某一雷電流I，有相應的擊距rs。在一定的rs下，暴露弧在地面的投影見圖1。線路地平面上（水平方向，地面傾斜角為零時）的相應暴露面積χ 為：

式中：g（Ψ）為先導接近地面時的入射角Ψ 的概率分布函數(shù)；θ 為地面傾斜角。

考慮不同雷電流的出現(xiàn)概率，則：

式中：P（I）為雷電流I 的概率分布密度。

3 交直流混架塔型及計算參數(shù)

3.1 線路參數(shù)

直流輸電線路導線采用4×JL/G2A-720/50 鋼芯鋁絞線，分裂間距為500 mm，交流輸電線路導線采用4×JL/G1A-630/45 鋼芯鋁絞線，避雷線為JLB20A-150，具體參數(shù)如表3 所示。在ATP/EMTP 中采用考慮頻率特性的JMARTI 模型進行模擬，并在遭受雷擊的鐵塔兩側(cè)分別設(shè)置一條相同特性的長線路以消除雷電波從塔頂傳播到兩側(cè)線路末端所產(chǎn)生的反射波對該處過電壓計算的影響，雷擊鐵塔兩側(cè)的檔距為400 m，土壤電阻率取1 000 Ω·m。

3.2 桿塔塔型及尺寸數(shù)據(jù)

在桿塔設(shè)計時兼顧線路同塔混架后走廊寬度、對地距離等方面的要求，設(shè)計了垂直排列鼓型、三角排列和并列垂直排列三大類塔型，計及交、直流線路金具串的型式，最終合計分析了8種±500 kV/500 kV 交直流同塔多回輸電塔型，詳細尺寸如附錄A 中所示，其中垂直排列鼓型塔有4IIV-39，4IVV-39，4VIV-39，4VVV-39，并列垂直排列塔型有3VIV-39 和3VVV-39，三角排列又分為正三角和倒三角2 種排布方式，3VIT-39 為正三角排列型式，3VIT-2-39 為倒三角排布型式。

表3 導、地線參數(shù)

交、直流線路均采用復合絕緣子，其中交流金具串中絕緣子長度為4.9 m，直流金具串中絕緣子長度為7.5 m。

4 交直流混架多回輸電線路的耐雷性能

4.1 反擊耐雷性能的計算

一般來說，由雷擊地線檔距中央而引起導、地線閃絡的情況十分罕見，本文未予以考慮，重點計算了雷擊桿塔塔頂?shù)那闆r。基于ATP-EMTP搭建的仿真模型，對所述塔型進行線路反擊耐雷水平的計算分析，結(jié)果如表4 所示。在呼高39 m、接地電阻取10 Ω 的情況下，前述8 種±500 kV/500 kV 交直流同塔多回輸電線路的反擊耐雷水平均由交流線路決定，其值皆在214 kA 以上，平原地區(qū)的反擊跳閘率不高于0.016 次/（100 km·a），山區(qū)則不高于0.024 次/（100 km·a）；直流線路部分無論在平原還是山區(qū)的反擊跳閘率均為0，反擊耐雷水平均在364 kA 以上，這是因為直流線路部分絕緣水平高于交流線路高導致其反擊耐雷水平也高于交流線路。塔型3VIT-2-39 的反擊耐雷水平比同等呼高的3VIT 高約12%，塔型3VVV-39 比3VIV-39 低25 kA，而4 種垂直排列的塔型反擊耐雷水平相當，差值在15 kA 以內(nèi)。

在同等條件下，比對前述8 種±500 kV/500 kV 交直流同塔多回輸電線路與單獨架設(shè)±500 kV直流線路、500 kV 同塔雙回交流線路的反擊耐雷水平，從圖2 可以看出：與單獨架設(shè)的±500 kV直流線路相比，交直流同塔并架線路桿塔的直流耐雷水平明顯更高，因此認為交直流同塔并架線路中直流線路基本不會發(fā)生反擊閃絡，主要原因是直流線路比交流線路的絕緣強度要高，在較大的雷電流擊中桿塔時，交流線路會全部閃絡，雷電流的能量基本全部沿著交流導線和桿塔流入大地，桿塔上兩回500 kV 交流線路的作用類似于線路避雷器，對直流線路起到很好的保護作用；與單獨架設(shè)的500 kV 同塔雙回交流線路相比，交直流同塔并架線路中的500 kV 交流反擊耐雷水平與之相當。

表4 500 kV 交直流同塔多回輸電線路反擊耐雷水平

圖2 混架與單獨架設(shè)線路的反擊耐雷水平對比

4.2 繞擊性能的計算

在呼高39 m、接地電阻取10 Ω 的情況下，分別計算在平原、一般山地和高山大嶺地區(qū)前述8 種塔型的繞擊跳閘率，平原地區(qū)的保護角取0°，一般山地和高山大嶺地區(qū)保護角均取-10°。

如表5 所示，所有塔型擊中直流部分的概率基本為0，只有在高山大嶺地區(qū)3VIT-39，3VIT-2-39，3VIV-39，4VIV-39，4VVV-39 才有較小的繞擊跳閘率，均小于0.001 4，因此±500 kV/500 kV 交直流同塔多回輸電線路的繞擊跳閘率主要由交流部分控制，這主要是由于前述8 種塔型中交流線路相對掛于直線線路的外側(cè)，保護角數(shù)值相對較小。在平原地區(qū)，除了塔型3VIT-2-39 繞擊跳閘率為0.147 5 次/（100 km·a）、塔型4IVV-39 繞擊跳閘率為0.000 2 次/（100 km·a），其余塔型均不會跳閘。在一般山地和高山大嶺地區(qū)，塔型3VIT-2-39 的繞擊跳閘率最大，塔型3VIT-39，4IIV-39，4IVV-39 其次，在高山地形下繞擊跳閘率分別為0.533 2，0.477 8，0.651 6 次/（100 km·a），接著是塔型3VIV-39，3VVV-39，4VVV-39在高山地形下繞擊跳閘率約為0.2 次/（100 km·a），最小的是塔型4VIV-39，在高山地形下繞擊跳閘率只有0.086 2 次/（100 km·a）。

表5 交直流同塔多回輸電線路繞擊跳閘率（接地電阻取10 Ω）

由前述計算結(jié)果可以看出，交直流同塔并架線路一般只有500 kV 交流的最外側(cè)導線會發(fā)生繞擊閃絡，直流線路基本不會發(fā)生繞擊閃絡，繞擊耐雷性能要優(yōu)于單獨架設(shè)±500 kV 直流線路。計算同等條件下單獨架設(shè)的常規(guī)500 kV 同塔雙回線路在平原地區(qū)、山區(qū)的繞擊跳閘率分別為0和0.018 4 次/（100 km·a），可以看出，在山區(qū)地形條件下單獨架設(shè)常規(guī)500 kV 同塔雙回線路的繞擊跳閘率低于所有前述8 種交直流混架塔型，主要原因是常規(guī)500 kV 交流同塔雙回線路相對于交直流同塔并架線路來說桿塔尺寸較小，導線與地線的垂直相對較近，地線對導線的屏蔽效果更好一些。

4.3 綜合耐雷性能分析

假設(shè)接地電阻為10 Ω，呼高為39 m，平原地區(qū)保護角取0°，山區(qū)地區(qū)保護角取-10°，計算得到前述8 種交直流混架塔型的雷擊跳閘率如圖3 所示。

圖3 ±500 kV/500 kV 交直流同塔多回輸電線路雷擊跳閘率

可以看出，平原地帶防雷效果由優(yōu)至劣的排序為塔型4IIV-39，4VIV-39，4VVV-39，4IVV-39，3VIV-39，3VIT-39，3VVV-39，3VIT-2-39，除了塔型3VIT-39，3VVV-39，3VIT-2-39 外，其余塔型的雷擊跳閘率均在0.01 次/（100 km·a）以下，塔型3VIT-2-39 最高，為0.154 0 次/（100 km·a）；山區(qū)地帶的雷擊跳閘率在0.033 7～0.713 1次/（100 km·a）之間波動，由低至高分別為3VIV-39，4VIV-39，4VVV-39，3VVV-39，3VIT-39，4IIV-39，4IVV-39，3VIT-2-39。

根據(jù)本文前述在運線路的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，輸電線路的統(tǒng)計雷擊跳閘率隨機性較大，500 kV 交流線路在0.144～0.643 次/（100 km·a）之間波動，±500 kV 直流線路則位于0.07～0.29 次/（100 km·a） 之間，而最新規(guī)程中500 kV 單回線路雷擊跳閘率控制參考值S′為0.14 次/（100 km·a），±500 kV 直流線路為0.15 次/（100 km·a）。在平原地區(qū)，所提8 種±500 kV/500 kV 交直流同塔架設(shè)輸電鐵塔的耐雷水平基本能滿足規(guī)程中的要求，但在山區(qū)地形中大部分塔型需要采取增大保護角、減少接地電阻、降低桿塔高度等措施來降低雷擊跳閘率。

5 結(jié)論

基于多種應用場景，設(shè)計了8 種典型的±500 kV/500 kV 交直流同塔多回輸電鐵塔，并采用行波法分析其反擊耐雷水平，采用EGM 分析其繞擊性能，得出如下結(jié)論：

（1）在同等條件下，±500 kV/500 kV 交直流同塔架設(shè)輸電鐵塔的反擊耐雷水平主要由500 kV 交流線路決定，與單獨架設(shè)±500 kV 直流線路相比，反擊耐雷水平更高，但與單獨架設(shè)的常規(guī)500 kV 交流同塔雙回路的反擊耐雷水平相當。

（2）在同等條件下，±500 kV/500 kV 交直流同塔架設(shè)輸電鐵塔中直流線路的繞擊耐雷水平與單獨架設(shè)的±500 kV 直流線路相比，由于地線保護角更小，擊中直流部分的概率基本為0，交直流混架塔的繞擊耐雷水平也主要由500 kV 交流線路決定。與單獨架設(shè)的常規(guī)500 kV 交流同塔雙回路相比，繞擊耐雷水平略低。

（3）在平原地區(qū)，所提8 種塔型的耐雷水平基本能滿足規(guī)程規(guī)范中所提要求，除了塔型3VIT-2-39 的雷擊跳閘率較高為0.154 0 次/（100 km·a）外，其余塔型均不超過0.01 次/（100 km·a）；但在山區(qū)，大部分塔型均需要采用降低接地電阻、減少保護角、降低桿塔呼高等措施來提高耐雷水平。

附錄A

圖A1 3VIT-39 型鐵塔單線

圖A2 3VIT-2-39 型鐵塔單線

圖A3 3VIV-39 型鐵塔單線

圖A4 3VVV-39 型鐵塔單線

圖A5 4IIV-39 型鐵塔單線

圖A6 4IVV-39 型鐵塔單線

圖A7 4VIV-39 型鐵塔單線

圖A8 4VVV-39 型鐵塔單線