復(fù)合材料桿塔防雷優(yōu)化設(shè)計方法研究

趙 淳，胡 雯

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；2.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢430205）

復(fù)合材料桿塔防雷優(yōu)化設(shè)計方法研究

趙 淳1，胡 雯2

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；2.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢430205）

復(fù)合材料桿塔作為一種新型輸電桿塔，造價相比普通鐵塔更高，但技術(shù)優(yōu)勢明顯。雷擊是影響輸電線路安全運(yùn)行的主要風(fēng)險源，開展合理的防雷優(yōu)化設(shè)計是推廣應(yīng)用復(fù)合材料桿塔的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對這一問題，確定雷電地閃、地形和線路參數(shù)是防雷優(yōu)化設(shè)計的影響因素，建立了綜合考慮以上影響因素的防雷優(yōu)化設(shè)計方法，提出了桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及合理的調(diào)整范圍，提出了桿塔分段接地設(shè)計方法，并將其應(yīng)用于典型110 kV同桿雙回復(fù)合材料桿塔線路的優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用該方法后桿塔塔頭尺寸可較優(yōu)化前縮減30%～40%，接地桿塔數(shù)量可減少2/3。

復(fù)合材料；桿塔；輸電線路；防雷；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

輸電線路是電網(wǎng)的主動脈，是地面廣域分布的超大規(guī)模系統(tǒng)，其最大幾何尺度可達(dá)數(shù)千公里。綿延分布的輸電線路不可避免的受到自然環(huán)境及人為因素的雙重影響，導(dǎo)致跳閘及故障時有發(fā)生[1－6]。據(jù)國網(wǎng)公司2005－2010年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，外力破壞、風(fēng)害、冰害、雷擊、污閃和鳥害是造成輸電線路運(yùn)行故障的主要因素，這六種因素造成的線路跳閘占跳閘總數(shù)的90.6%；造成的線路停運(yùn)占停運(yùn)總數(shù)的86.5%[7－8]。因此，做好輸電線路防外力破壞、防風(fēng)害、防冰害、防雷擊、防污閃和防鳥害（簡稱“六防”）工作，是提升輸電線路安全運(yùn)行水平的重中之重。

復(fù)合材料桿塔是以不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂等材料為基體，采用纏繞、拉擠、真空灌注等工藝添加玻璃纖維制成的[9－10]。全絕緣復(fù)合材料桿塔與普通鐵塔相比，在六防方面具有以下特點：

1）防外力破壞：桿塔主材間連接簡單緊密，不易偷盜；

2）防風(fēng)害：橫擔(dān)絕緣，懸垂絕緣子（串）可取消；材料強(qiáng)度大，強(qiáng)風(fēng)天氣下不易損壞；

3）防冰害：憎水性能好，表面涂層憎水角≥120°，粘附力和脫落時間大約為鋼材的一半；

4）防雷擊：無架空地線且桿塔絕緣，雷電流不能釋放入地，但閃絡(luò)路徑由相對地變?yōu)橄鄬ο?，閃絡(luò)路徑長度有所增加；

5）防污閃：有效爬電距離大，較常規(guī)絕緣子（串）的爬電距離增加近50%；

6）防鳥害：表面光滑，飛鳥筑巢難度大。

綜上可見，全絕緣復(fù)合材料桿塔與普通鐵塔相比，除防雷擊特性外，其余五防特性明顯更優(yōu)。由于復(fù)合材料相比鋼材價格更高，如直接套用普通鐵塔的典型結(jié)構(gòu)和尺寸，經(jīng)濟(jì)性勢必成為應(yīng)用復(fù)合材料桿塔的明顯缺陷。

因此，如何在保證和提升防雷性能的同時，盡量降低造價就成為推廣應(yīng)用復(fù)合材料桿塔的關(guān)鍵。為解決上述問題，筆者擬從桿塔結(jié)構(gòu)尺寸和接地方式兩方面，基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則提出復(fù)合材料桿塔的防雷優(yōu)化設(shè)計方法，并應(yīng)用該方法針對典型線路開展復(fù)合材料桿塔改造工程設(shè)計。

1 防雷優(yōu)化設(shè)計影響因素

影響輸電線路防雷性能的因素一般包括：雷電地閃參數(shù)、地形參數(shù)、線路參數(shù)。

1.1 雷電地閃參數(shù)

雷電地閃參數(shù)包括表征雷電頻度和強(qiáng)度的兩類參數(shù)，其中雷電頻度通過地閃密度表征，雷電強(qiáng)度通過雷電流幅值累積概率表征[11－12]。不同地區(qū)雷電地閃參數(shù)差異明顯，目前可基于廣域雷電地閃監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到可真實反映桿塔處實際雷電特征的參數(shù)值[13－14]。

1.2 地形參數(shù)

地形主要包括山區(qū)和平原，一般分為山谷、山頂、爬坡、沿坡和平地5種地貌，如圖1所示。

不同位置桿塔的地形參數(shù)差異明顯，可基于三維地理信息數(shù)據(jù)提取。

圖1 地貌分類示意圖Fig.1 The schematic diagram of landscape classification

1.3 線路參數(shù)

線路參數(shù)一般包括：

1）桿塔參數(shù)，包括桿塔編號，桿塔幾何尺寸，桿塔中心樁經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔高度和附近土壤電阻率，接地裝置電阻值；

2）導(dǎo)地線參數(shù)，包括導(dǎo)線型號、分裂數(shù)及分裂間距，地線型號[15]；

3）導(dǎo)（地）線絕緣子（串）參數(shù)，包括型號、片數(shù)、懸掛方式；

4）檔距參數(shù)，包括水平檔距、雷電氣象條件下的導(dǎo)/地線弧垂。

需要注意的是，對于復(fù)合材料桿塔，條件允許時可取消絕緣子（串）；如采用全絕緣方式，地線和接地裝置也將取消[16]。

1.4 影響因素分析

對一條初設(shè)完成的線路而言，其線路走向已經(jīng)確定，即每基桿塔的坐標(biāo)無法變更。這樣，桿塔處的雷電地閃參數(shù)和地形參數(shù)實際上也已確定。因此，防雷優(yōu)化設(shè)計其實就是考慮雷電地閃參數(shù)和地形參數(shù)，合理優(yōu)化線路參數(shù)。對復(fù)合材料桿塔而言，線路參數(shù)中可優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容包括桿塔幾何尺寸和接地方式，其中接地方式涉及地線和接地裝置參數(shù)。

2 防雷優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)與方法

2.1 優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)

對復(fù)合材料桿塔而言，若僅考慮經(jīng)濟(jì)因素，采用圖2所示的未設(shè)地線和接地裝置的全絕緣形式顯然是最適宜的。但正如前文所述，由于不同桿塔處的雷電和地形特征差異較大，僅采用一種桿塔形式顯然無法滿足整條線路的運(yùn)行要求。圖2所示的110 kV雙回復(fù)合材料桿塔，因無地線且塔身、橫擔(dān)完全絕緣，不存在雷電反擊的情況，雷擊跳閘均由雷電直擊導(dǎo)線引起的相間閃絡(luò)造成，仿真計算得到耐雷水平約為23kA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求的110 kV雙回線路耐雷水平50～61 kA[17]。如果將此塔形應(yīng)用于多雷區(qū)和強(qiáng)雷區(qū)，必將給線路運(yùn)行帶來極大風(fēng)險。而如果所有地區(qū)桿塔均按圖3所示加設(shè)地線和接地引下線，則有可能造成部分桿塔設(shè)計過于保守，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。因此，應(yīng)綜合經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性要求開展防雷優(yōu)化設(shè)計。

經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)顯然是桿塔造價，技術(shù)性評價指標(biāo)可采用雷擊跳閘率表征。目前國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司均結(jié)合自身實際提出了適宜的雷擊跳閘率控制值，以國家電網(wǎng)公司為例，雷擊跳閘率控制值如表1所示[18]。

圖2 全絕緣復(fù)合材料桿塔Fig.2 All insulated composite material tower

圖3 復(fù)合材料桿塔的地線和接地引下線Fig.3 Ground wire and down conductor of composite material tower

表1 雷擊跳閘率控制值Table.1 The control values of lightning trip-out rate

復(fù)合材料桿塔防雷優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)就是確保雷擊跳閘率滿足控制值的前提下，盡可能降低桿塔造價。

2.2 優(yōu)化設(shè)計方法

針對防雷優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，綜合各影響因素，提出如圖4所示的復(fù)合材料桿塔防雷優(yōu)化設(shè)計方法。

防雷優(yōu)化設(shè)計的控制因素包括三方面：一是雷擊跳閘率控制值要求；二是防雷設(shè)計裕度的合理性；三是桿塔設(shè)計的其他硬性要求。具體方法如下：

1）根據(jù)初設(shè)方案中的桿塔經(jīng)緯度坐標(biāo)獲得桿塔處的雷電參數(shù)和地形參數(shù)，并結(jié)合桿塔結(jié)構(gòu)和接地方式的初設(shè)方案，計算桿塔繞、反擊耐雷水平I1、I2及繞、反擊跳閘率 Rr、Rf。

2）對比雷擊跳閘率R（R=Rr+Rf）與控制值，如R滿足控制值要求，則對設(shè)計裕度合理性進(jìn)行評估；如不滿足要求，則對桿塔結(jié)構(gòu)和接地方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，直至滿足控制值要求為止。

圖4 復(fù)合材料桿塔防雷優(yōu)化設(shè)計方法Fig.4 The optimization design method of lightning protection for composite material tower

3）對滿足雷擊跳閘率控制值要求的桿塔，計算R與控制值的差值；如差值合理，則校核桿塔參數(shù)是否滿足其他設(shè)計要求；如差值過大，則對桿塔結(jié)構(gòu)和接地方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，直至差值合理為止。

4）對防雷設(shè)計裕度合理的桿塔，校核桿塔參數(shù)是否滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的其他設(shè)計要求；如滿足則形成防雷優(yōu)化設(shè)計方案；如不滿足則對桿塔結(jié)構(gòu)和接地方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，直至滿足要求即形成防雷優(yōu)化設(shè)計方案。

3 桿塔結(jié)構(gòu)與接地方式優(yōu)化設(shè)計方法

3.1 桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

110 kV普通鐵塔通常采用7～8片絕緣子，絕緣間隙長度約1～1.2 m；目前復(fù)合材料桿塔絕緣間隙長度達(dá)1.7～1.9 m。單純從間隙長度上看，可適當(dāng)縮減復(fù)合桿塔橫擔(dān)長度。具體優(yōu)化方法包括：①保持塔頭部分各橫擔(dān)高度不變，等比例調(diào)整各橫擔(dān)長度；②適當(dāng)調(diào)整桿塔呼高，但應(yīng)滿足桿塔對地安全距離要求[19]。同塔雙回桿塔塔頭結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整方法如圖5所示，其中k為調(diào)整系數(shù)。

不同調(diào)整系數(shù)下典型110 kV同桿雙回復(fù)合材料桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。據(jù)此參數(shù)計算得到地閃密度 2.78 次/（km2·a）、 地面傾角 0～30°條件下桿塔雷擊跳閘率，如圖6所示?？梢?，不同調(diào)整系數(shù)下，桿塔雷擊跳閘率變化明顯，對表2所示的復(fù)合材料桿塔調(diào)整系數(shù)取0.8較為合適。

圖5 同塔雙回桿塔塔頭結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整示意圖Fig.5 The schematic diagram of tower head structure adjustment for double－circuit tower

表2 不同調(diào)整系數(shù)下的110 kV同桿雙回復(fù)合桿塔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 The structure parameters of 110 kV doublecircuit composite material tower under different adjustment coefficient

圖6 110 kV同桿雙回復(fù)合材料桿塔雷擊跳閘率計算值Fig.6 The computation values of lightning trip－out rate of 110 kV double－circuit composite material tower

3.2 桿塔接地方式優(yōu)化設(shè)計方法

復(fù)合材料桿塔如不設(shè)置架空地線，則雷電均直接擊中導(dǎo)線，由于直擊下的耐雷水平很低，因此目前實際應(yīng)用的復(fù)合材料桿塔一般都選擇架設(shè)地線，這樣可以攔截大量雷電。既然已確定全線架設(shè)地線，那么接地方式優(yōu)化設(shè)計的核心就聚焦到采用何種方式設(shè)置圖3所示的接地引下線：①全線不接地；②逐塔接地；③分段接地。對于采用如圖7所示分段接地的線路，還應(yīng)確定具體方式。

分段接地的具體方式可用分段系數(shù)N/M表示，其中N為鄰近的兩接地段間所間隔的不接地桿塔數(shù)量，M為一個接地段內(nèi)連續(xù)接地桿塔數(shù)量。如每隔1基塔接地1次，則圖7中的N=1，M=1，N/M=1；如逐塔接地，則N=0，M為桿塔總數(shù)，N/M=0；如全線不接地，則N為桿塔總數(shù)，M=0，N/M=∞；如每隔1基塔連續(xù)有M基塔接地，N=1/M（M為正整數(shù)）。

圖7 分段接地方式示意圖Fig.7 The schematic diagram of segmented grounding

不接地情況下，典型110 kV同桿雙回復(fù)合材料桿塔的反擊耐雷水平約為18 kA，遠(yuǎn)低于普通110 kV鐵塔；繞擊耐雷水平約為12 kA。對應(yīng)的地閃密度2.78 次/（km2·a）、地面傾角 0～30°條件下的雷擊跳閘率計算值如圖8所示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出表1所示的控制值。

圖8 不接地時110kV同桿雙回塔雷擊跳閘率計算值Fig.8 The computation values of lightning trip－out rate of 110kV double－circuit composite material tower un－grounded

接地情況下，典型110 kV同桿雙回復(fù)合材料桿塔的反擊耐雷水平約為150 kA，達(dá)到普通500 kV鐵塔水平；繞擊耐雷水平約為5 kA，與普通110 kV鐵塔持平。對應(yīng)的地閃密度2.78次/（km2·a）下的雷擊跳閘率，即使在地面傾角30°下仍小于0.1次/（100 km·a），遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于110 kV線路控制值要求，甚至低于500 kV線路控制值要求。

因此，合理的接地方式應(yīng)按照圖4所示方法并綜合雷電、地形等參數(shù)分析確定。復(fù)合材料桿塔作為一種新型桿塔，目前可借鑒的運(yùn)行經(jīng)驗十分有限，因此出于線路運(yùn)行安全考慮，規(guī)定進(jìn)線段和出線段桿塔（鄰近變電站的5基桿塔）均逐塔接地。

4 典型優(yōu)化設(shè)計案例

4.1 線路簡介

A線為110 kV同桿雙回線路，共65基桿塔。2011－2014年線路走廊各區(qū)段平均地閃密度值如表3所示，雷電流幅值累積概率分布擬合表達(dá)式如式（1）所示。依據(jù)表1給出的雷擊跳閘率控制值要求，折算至A線路走廊實際平均地閃密度下的控制值為1.01次/（100 km·a）。這里選取 46號－54號桿塔段作為典型案例論述復(fù)合材料桿塔防雷優(yōu)化設(shè)計方法。

表3 A線各區(qū)段2011—2014年平均地閃密度值Table 3 The ground flash density of every tower section of A line during the years from 2011 to 2014

4.2 優(yōu)化設(shè)計方案

46號～54號桿塔段如逐塔接地，按圖4所示方法分析后發(fā)現(xiàn)各基桿塔雷擊跳閘率均滿足控制值要求，但安全裕度偏大，因此需要對其桿塔結(jié)構(gòu)和接地方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，即確定合理的調(diào)整系數(shù)k和分段系數(shù)N/M。

如圖9所示，k=1、N/M=1 時，46 號～54號桿塔段內(nèi)不接地桿塔的雷擊跳閘率為0.70次/（100 km·a），明顯低于控制值；當(dāng)k=0.6時，不接地桿塔的雷擊跳閘率才超出控制值。因此，可進(jìn)一步開展優(yōu)化設(shè)計。

圖9 N/M=1時46號－54號桿塔段雷擊跳閘率計算值Fig.9 The computation values of lightning trip－out rate of 46－54 tower section when N/M=1

如圖10所示，將46號－54號桿塔段中46號、49號、52號桿塔接地，其余桿塔不接地，即N/M=2時，若k=0.7，則各基桿塔的雷擊跳閘率均滿足控制值要求；若k=0.6，則僅有接地桿塔滿足控制值要求。當(dāng)N/M＞2時，即使k=1，不接地桿塔的雷擊跳閘率仍超出控制值。因此，46號－54號桿塔段采用分段接地，且分段系數(shù)N/M=2；接地桿塔的調(diào)整系數(shù)k=0.6，不接地桿塔k=0.7。

圖10 N/M=2時46號－54號桿塔段雷擊跳閘率計算值Fig.10 The computation values of lightning trip－out rate of 46－54 tower section when N/M=2

依據(jù)其他設(shè)計要求，對優(yōu)化后的方案進(jìn)行校核，結(jié)果表明優(yōu)化方案完全滿足其他設(shè)計要求。

5 結(jié)論與展望

針對復(fù)合材料桿塔防雷設(shè)計存在的問題，分析確定了防雷優(yōu)化設(shè)計的影響因素，提出了防雷優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，建立了綜合考慮各影響因素的防雷優(yōu)化設(shè)計方法，提出了桿塔結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)和接地方式分段系數(shù)，并將其應(yīng)用于典型110 kV同桿雙回復(fù)合材料桿塔線路的優(yōu)化設(shè)計，驗證了該方法的有效性和實用性。通過本文的研究得到了以下結(jié)論：

1）防雷優(yōu)化設(shè)計影響因素包括雷電地閃、地形及線路參數(shù)；優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)是考慮雷電地閃和地形參數(shù)，合理優(yōu)化線路參數(shù)，在確保雷擊跳閘率滿足控制值的前提下，盡可能降低桿塔造價。

2）未優(yōu)化的110 kV復(fù)合材料桿塔結(jié)構(gòu)安全裕度一般在30%～40%，提出了基于調(diào)整系數(shù)的桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，即保持塔頭部分各橫擔(dān)高度不變，等比例調(diào)整各橫擔(dān)長度。

3）逐塔接地110 kV復(fù)合材料桿塔線路的防雷性能可達(dá)到甚至優(yōu)于普通500 kV線路水平，但不接地時防雷性能僅為普通110 kV線路的40%，提出了基于分段系數(shù)的桿塔接地方式優(yōu)化方法。

4）典型110 kV同桿雙回復(fù)合材料桿塔線路在地閃密度約 4次/（km2·a）下，每隔 2基塔有 1基塔接地；接地桿塔塔頭尺寸縮減至原桿塔60%、不接地桿塔縮減至原桿塔70%即可滿足運(yùn)行要求。

5）研究成果對于推廣復(fù)合材料桿塔應(yīng)用具有重要意義，該方法的推廣應(yīng)用可顯著改善目前復(fù)合材料桿塔設(shè)計裕度過大、工程造價過高的現(xiàn)狀，同時起到推進(jìn)差異化防雷技術(shù)實施的作用。

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Research on the Optimization Design Method of Lightning Protection for Composite Material Tower

ZHAO Chun1，HU Wen2
（1.Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China；2.College of Information Engineering，Hubei University of Economics，Wuhan 430205，China）

As a new type of transmission line tower，composite material tower has a higher cost compared with the ordinary iron tower.But there is an obvious technology advantage in composite material tower.Lightning is a major risk source affecting the safe operation of transmission line.So the reasonable optimization design for lightning protection is a key point in the process of application of composite material tower.In order to solve this problem，the influence factors of optimization design are presented，which consist of ground flash，landscape，and line parameters.Based on these factors，the optimization design method is proposed.Further，the tower structure design method is proposed.Using this method，the reasonable adjustment range of tower structure also has been given.The segmented grounding design method is proposed in this paper.Finally，these methods have been applied to a typical 110 kV doublecircuit composite material transmission line.Compared with before optimization design，the tower head size can be cut 30%～40%，and the number of grounding towers can be decreased 2/3.The research results in this paper can play an important role in application of composite material tower.

composite material;tower;transmission line;lightning protection;optimization design

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.018

2016－04－11

趙 淳（1985—），男，博士，高工，主要研究方向為雷電監(jiān)測、預(yù)警及防護(hù)技術(shù)。

國家電網(wǎng)公司總部科技指南項目。