110 kV同塔六回輸電線路耐雷性能分析

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(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，西安 710048； 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710054；3.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049； 4.江蘇豐東熱技術(shù)股份公司，江蘇 鹽城 224100)

0 引言

隨著國(guó)家推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)，城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)以及城郊地區(qū)的線路走廊日益緊張，線路多經(jīng)過(guò)城市綠化帶、人行道等路徑擁擠地段[1-3]。對(duì)于66 kV及以下線路工程，采用鋼管桿、混凝土桿管徑小(1 m以下)、易實(shí)施，且經(jīng)濟(jì)性好，可滿足線路走廊要求。對(duì)于110 kV及以上線路工程，特別是雙回路、多回路工程，由于荷載較大，采用鋼管桿雖可滿足走廊占地要求，但管徑偏大(2 m左右)、壁厚增加較多，經(jīng)濟(jì)性較差。

110 kV六回路桿塔是一種占地小、通道緊湊塔型，是多回路技術(shù)在城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)以及城郊地區(qū)線路工程的全新應(yīng)用，依據(jù)西安區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展及城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)線路走廊的限制的實(shí)際情況，城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)的110 kV同塔六回輸電線路的設(shè)計(jì)已擺到議事日程，可避免大規(guī)模的拆遷和改建，提升設(shè)計(jì)創(chuàng)新品質(zhì)。

因線路桿塔上架設(shè)六回110 kV線路，致使桿塔高度增加。和同電壓等級(jí)的傳統(tǒng)線路相比，避雷線屏蔽性能變差，耐雷水平降低，且存在著雙回及以上線路同時(shí)閃絡(luò)跳閘的問(wèn)題。因此，研究同塔六回線路的耐雷性能滿足國(guó)家電網(wǎng)公司輸電線路建設(shè)的需要。

筆者針對(duì)這一新的110 kV同塔六回線路，研究了六回同塔線路的繞擊和反擊耐雷性能及其影響因素，并與常規(guī)110 kV輸電線路的耐雷性能進(jìn)行對(duì)比，提出了改善同塔六回并架線路耐雷性能的具體建議，對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行都具參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型

筆者采用EMTP仿真軟件進(jìn)行同塔六回線路的建模與相關(guān)計(jì)算。基于垂直導(dǎo)體不同高度處的波阻抗是不同的原理，建立110 kV同塔六回線路中鐵塔的等效多波阻抗電磁暫態(tài)仿真模型，見(jiàn)圖1。

圖1 同塔六回輸電桿塔圖Fig.1 The tower of 110 kV six-circuit transmission lines

本次仿真計(jì)算的桿塔上共架設(shè)有20條線路(含地線)，由于ATP自帶的JMarti模型最多可以設(shè)置9條線路，計(jì)算時(shí)采用了LCC模塊中的同樣計(jì)及線路頻率效應(yīng)的Semlyen模型，LCC的設(shè)置與線路的長(zhǎng)度、土壤電阻率、導(dǎo)線懸掛位置有關(guān)。

將絕緣子串等效為動(dòng)作電壓為臨界放電電壓U50%的壓控開(kāi)關(guān)，通過(guò)分析絕緣子串兩端的電壓是否大于臨界的放電電壓U50%，確定線路的耐雷水平，用與桿塔臂相連的壓控開(kāi)關(guān)等效。本文仿真的110 kV同塔六回線路采用懸式I型合成絕緣子串，沖擊閃絡(luò)電壓U50%約為1 050 kV。同時(shí)，為使防雷分析更加準(zhǔn)確，計(jì)入線路工作電壓、耦合和感應(yīng)電壓U′的影響，具體表現(xiàn)在絕緣子串壓控開(kāi)關(guān)的電壓重新設(shè)置為(U50%-U′)上。

反擊跳閘率的計(jì)算依照《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行。

在繞擊耐雷性能的研究中采用電氣幾何模型法(electric geometry model，EGM)，模型示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 雷繞擊中相導(dǎo)線的電氣幾何模型示意圖Fig.2 EGM of lightning striking lines on middle phase

由圖2可知，隨著雷電流幅值的增大，暴露弧BD逐漸縮小，當(dāng)雷電流增大到Imax時(shí)縮小為零，此時(shí)雷或擊中避雷線、或擊中大地，不再發(fā)生繞擊。Imax稱為最大繞擊電流。在計(jì)算時(shí)，雷電對(duì)大地、導(dǎo)線和避雷線的擊距都是Imax的指數(shù)函數(shù)[4-5]，見(jiàn)式(1)到(3)，需要采用MATLAB進(jìn)行迭代計(jì)算。

rs=10I0.65

(1)

rc=1.63(5.015I0.578+0.001Uph)1.125

(2)

(3)

式中：rs為雷電對(duì)地線的擊距，m；rc為雷電對(duì)導(dǎo)線的擊距，m；rg為雷電對(duì)大地的擊距，m；Uph為導(dǎo)線上工作電壓瞬時(shí)值，kV；hc.av為導(dǎo)線對(duì)地平均高度，m。

采用ATP模型來(lái)確定線路的繞擊耐雷水平,即最小閃絡(luò)電流Imin。

綜合考慮雷電先導(dǎo)的入射隨機(jī)性，采用以下公式計(jì)算繞擊跳閘率，單位：次/(100 km·a)。

(4)

式中：N0為地閃密度；P2(I)為雷電流概率密度函數(shù)；χ為引入先導(dǎo)入射角后，暴露弧的投影。

2 繞擊跳閘率

在計(jì)算桿塔的最大繞擊電流時(shí)使用電氣幾何模型(EGM)，傳統(tǒng)電氣幾何模型只考慮地線和大地對(duì)雷擊相導(dǎo)線的屏蔽作用，但對(duì)于同塔六回線路，導(dǎo)線間的屏蔽作用不可忽視，并且在不同地形地貌下(不同的地面傾角)，大地的屏蔽作用不同，相應(yīng)的電氣幾何模型也不同。

2.1 是否考慮導(dǎo)線間的相互屏蔽的影響

為對(duì)比傳統(tǒng)的EGM和本文所建議的EGM的結(jié)果，下面針對(duì)圖1所示的同塔六回鐵塔，采取以下兩種方法計(jì)算每相導(dǎo)線的繞擊跳閘率。

方法1：保留地線，直接忽略其他導(dǎo)線。電氣幾何模型見(jiàn)圖2(a)，圖中C2指的是位置較低的導(dǎo)線。相應(yīng)的擊距公式和幾何關(guān)系式中用地線和該相導(dǎo)線的相關(guān)參數(shù)，即用避雷線對(duì)所有導(dǎo)線屏蔽保護(hù)。

方法2：忽略地線，保留位置較高且橫擔(dān)較長(zhǎng)的導(dǎo)線，把位置較高且橫擔(dān)較長(zhǎng)的導(dǎo)線當(dāng)做地線，電氣幾何模型見(jiàn)圖2(b)，圖中C1代表位置較高的導(dǎo)線，C2代表位置較低的導(dǎo)線，rc1代表雷電對(duì)位置較高的導(dǎo)線的擊距，rc2代表雷電對(duì)位置較低的導(dǎo)線的擊距。相應(yīng)的擊距公式和幾何關(guān)系式中也用這兩根導(dǎo)線的相關(guān)參數(shù)。具體來(lái)說(shuō)，采用避雷線對(duì)第一、二層導(dǎo)線屏蔽保護(hù)，第二層導(dǎo)線對(duì)第三、四層導(dǎo)線屏蔽保護(hù)，第四層導(dǎo)線對(duì)第五、六層導(dǎo)線屏蔽保護(hù)，第六層導(dǎo)線對(duì)第七、八層導(dǎo)線屏蔽保護(hù)，第八層導(dǎo)線對(duì)第九層導(dǎo)線屏蔽保護(hù)。

運(yùn)用以上兩種方法，得到每層導(dǎo)線的最大繞擊電流及繞擊跳閘率，見(jiàn)表1。

表1 110 kV同塔六回輸電線路繞擊性能計(jì)算結(jié)果Table 1 The shielding failure trip-out rate of 110 kV sextuple circuit transmission lines

注：基于每年40個(gè)雷暴日每平方公里，地面傾角為0。

從表1中的數(shù)據(jù)可看到，9層導(dǎo)線的繞擊耐雷水平相差不大，這是因?yàn)槔@擊耐雷水平僅與線路參數(shù)、絕緣子耐雷性能有關(guān)，與所處桿塔位置無(wú)關(guān)。

對(duì)比兩種方法，可以發(fā)現(xiàn)用方法二計(jì)算得到的繞擊耐雷性能較好，尤其是第七、八、九層導(dǎo)線，由于上方導(dǎo)線的屏蔽保護(hù)優(yōu)于地線，沒(méi)有發(fā)生繞擊跳閘(繞擊耐雷水平>最大繞擊電流)。這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的電氣幾何模型即方法一把相鄰導(dǎo)線的繞擊概率也計(jì)入目標(biāo)導(dǎo)線的繞擊概率中，故導(dǎo)線的繞擊概率有一部分的重疊。因此，考慮到臨近導(dǎo)線屏蔽作用的電氣幾何模型更加符合同塔六回桿塔的實(shí)際運(yùn)行情況。

下面以方法二的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析?？梢园l(fā)現(xiàn)位于較高位置的Ⅰ回線路的繞擊跳閘率較高，尤其是第二層導(dǎo)線，這是因?yàn)閷?duì)于較高位置(高于40 m)的導(dǎo)線來(lái)說(shuō)，雷電對(duì)大地的擊距較小，大地對(duì)導(dǎo)線的屏蔽效果較弱，并且第二層導(dǎo)線的地線保護(hù)角較小，地線對(duì)其的屏蔽效果不如另外兩相，所以第二層導(dǎo)線的繞擊跳閘率較高。對(duì)于第四層及以下導(dǎo)線，由于位置較低(低于40 m)，大地對(duì)導(dǎo)線的屏蔽保護(hù)效果不斷增強(qiáng)，起到主要保護(hù)作用，同時(shí)也受到距離較近的上方導(dǎo)線的屏蔽保護(hù)，使得位于桿塔較低位置的導(dǎo)線不會(huì)因?yàn)榫嚯x避雷線太遠(yuǎn)而繞擊跳閘率過(guò)高。

作為比較,文獻(xiàn)[6]中給出的典型110 kV單回線路桿在40個(gè)雷暴日下的繞擊跳閘率為0，本文計(jì)算得到的同塔六回鐵塔由于桿塔較高,線路的落雷密度(100 km每年的落雷次數(shù))遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通線路，且桿塔的地線保護(hù)小太小，地線屏蔽性能變差，造成了繞擊雷擊跳閘率較高。

2.2 地面傾角的影響

同一條輸電線路，由于要跨越的地區(qū)不同、地貌，地面傾角不同，地面傾角直接影響大地對(duì)導(dǎo)線的屏蔽性能[7-8]。通過(guò)EGM利用擊距法對(duì)地面傾角的影響進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3。

圖3 繞擊跳閘率隨地面傾角變化曲線Fig.3 Variation curve of shielding failure trip-out rate with grounding obliquity

從圖3發(fā)現(xiàn)，隨著地面傾角的增大，繞擊跳閘率呈非線性上升，當(dāng)?shù)孛鎯A角小于10°時(shí)，地面傾角對(duì)繞擊率的影響不大，當(dāng)?shù)孛鎯A角大于10°，繞擊率呈倍數(shù)增加，這對(duì)線路的防雷保護(hù)很不利，因此當(dāng)?shù)孛鎯A角較大時(shí)(山坡地區(qū))，建議采取減小保護(hù)角(甚至為負(fù)值)和增加絕緣子片數(shù)等措施來(lái)改善。

3 反擊跳閘率

3.1 導(dǎo)線相序排列的影響

利用EMTP-ATP仿真計(jì)算程序建立110 kV同塔六回桿塔模型與線路模型后，計(jì)算在沖擊接地電阻Rg=10 Ω時(shí)，不同導(dǎo)線相序排列方式下，六回導(dǎo)線桿塔的反擊耐雷水平與反擊跳閘率。

由于六回線路的排列組合過(guò)于復(fù)雜，簡(jiǎn)化為以下8種情形，六回導(dǎo)線的相序排列方式見(jiàn)表2。這里再次說(shuō)明，桿塔左側(cè)懸掛Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ回線路，導(dǎo)線型號(hào)為2×LGJ-240/40，右側(cè)懸掛Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ回線路，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300/40。兩根地線型號(hào)分別為OPGW-48，OPGW-24光纜，桿塔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

工程經(jīng)驗(yàn)表明，同塔六回不換位線路，由于桿塔尺寸較大且導(dǎo)線之間存在著復(fù)雜的電磁、靜電耦合分量關(guān)系，在不同相序排列情況下線路的反擊耐雷水平不同，針對(duì)以上的8種相序，得到的線路的反擊耐雷水平見(jiàn)表3。

表2 六回線路的相序排列方式Table 2 The wires hanging position of sextuple circuit transmission lines

表3 不同相序排列方式時(shí)110 kV六回線路反擊跳閘情況Table 3 Lightning flashover performance of 110 kV sextuple circuit lines with different hanging position of wires

注：基于每年50個(gè)雷暴日每平方公里。

從上往下觀察表3可發(fā)現(xiàn)，所有相序排列下的單回閃絡(luò)概率相同，這是因?yàn)槲挥谧罡邫M擔(dān)的線路最容易發(fā)生閃絡(luò)，所以單回閃絡(luò)水平與相序排列無(wú)關(guān)。下面主要關(guān)注相序排列對(duì)雙回耐雷水平的影響。

表3中的數(shù)據(jù)顯示，相序1、2、3的排列方式(上層兩回線路同相序)下，線路的雙回反擊耐雷水平相同，說(shuō)明位于較低位置的四回導(dǎo)線的排列方式對(duì)雙回反擊跳閘率沒(méi)有影響。

為了避免三回及三回以上線路同時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，決定將位于桿塔較低位置的Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ回線路按照左右異相序，同側(cè)的兩回線路也逆相序排列。

在逆相序的排列中，相序6與相序1～3的單回、雙回耐雷水平相同，這是因?yàn)?，在相?中，雖然Ⅰ、Ⅳ回為逆相序排列，但是兩回的A相均位于最高橫擔(dān)，易同時(shí)發(fā)生閃絡(luò)。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)逆相序4、5、7、8的雙回耐雷水平高于相序1-3，雙回反擊跳閘率降低約23%。例如在相序8中，A相分別位于左側(cè)Ⅰ回線路的上端和右側(cè)Ⅳ回線路的下端，當(dāng)A相工作電壓為正峰值時(shí)，左側(cè)Ⅰ回線路的A相發(fā)生單相閃絡(luò)(因?yàn)椴捎玫呢?fù)雷電流通過(guò)桿塔流入大地，引起桿塔迅速抬升高負(fù)電位的幅值，因而造成線路電壓處于正峰值時(shí)，懸掛絕緣子兩端的壓差是最大的，也最容易發(fā)生閃絡(luò))，但是由于Ⅳ回線路的A相位于下端，不容易發(fā)生閃絡(luò)，并且左側(cè)的A相發(fā)生單相閃絡(luò)后，A相導(dǎo)線流過(guò)較大的電流，通過(guò)電磁耦合將提高其他各相的耐雷水平，故雙回跳閘率降低。

因此，對(duì)于同塔六回輸電線路，位于較高橫擔(dān)兩回線路的相序排列主要影響雙回反擊跳閘率，為了避免多回線路同時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，建議多回路架設(shè)輸電線路時(shí)盡量采取不對(duì)稱排布的方式，如相序4、5、7、8，即左右兩回異相序，且同側(cè)的三回線路也異相序排列。

3.2 接地電阻的影響

桿塔的沖擊接地電阻與所處位置的土壤的土質(zhì)、電阻率、潮濕程度等因素有關(guān)，桿塔的接地電阻回影響桿塔各處的電位分布，從而影響該線路的反擊耐雷水平。

利用EMTP-ATP仿真計(jì)算程序建立110 kV同塔六回桿塔模型與線路模型后，導(dǎo)線排列方式采取相序8，分別計(jì)算不同接地電阻Rg=7 Ω、Rg=10 Ω、Rg=15 Ω時(shí)桿塔的反擊耐雷水平與反擊跳閘率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同桿塔接地電阻時(shí)110 kV六回線路反擊跳閘情況Table 4 Lightning flashover performance of 110 kV sextuple circuit lines with different ground resistances

注：基于每年50個(gè)雷暴日每平方公里。

表4中的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)接地電阻R由7 Ω增加至15 Ω時(shí)，線路的單回和雙回反擊耐雷性能均會(huì)明顯變差，并且對(duì)于兩回線路同時(shí)閃絡(luò)的影響更大，接地電阻為15 Ω和10 Ω時(shí)，線路的單回反擊跳閘率分別是7 Ω時(shí)的3.33倍和1.69倍，雙回反擊跳閘率分別是7 Ω時(shí)的5.93倍和2.31倍。因此，在實(shí)際的工程建設(shè)中，尤其對(duì)于同塔多回線路的建設(shè)，應(yīng)盡量減小桿塔的沖擊接地電阻。

3.3 與常規(guī)同塔雙回線路反擊跳閘率的比較

文獻(xiàn)[9]中的指出110 kV同塔雙回線路的單回和雙回反擊耐雷水平分別為100 kA、110 kA。運(yùn)用相同的計(jì)算公式，帶入同塔雙回線路的參數(shù)，得到其反擊跳閘率，見(jiàn)表5。

表5 同塔六回線路和同塔雙回線路的反擊耐雷性能比較Table 5 Back striking performance comparison between sextuple circuit lines and double circuit lines

注：基于每年50個(gè)雷暴日每平方公里。

從表5中的數(shù)據(jù)可知，110 kV同塔六回桿塔的反擊耐雷性能弱于常規(guī)同塔雙回桿塔，這主要是由于這種類型的桿塔塔身更高，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，使得受到同等幅值雷電流擊打下，在桿塔各處能夠建立起更高的電壓，從而更容易發(fā)生超過(guò)臨界值絕緣子閃絡(luò)的現(xiàn)象，并且由于六回桿塔的高度更高，落雷密度更高，故反擊跳閘率更高，由此可見(jiàn)，相比于傳統(tǒng)同塔雙回輸電線路，100 kV同塔六回輸電線路的反擊耐雷性能應(yīng)引起重視。

4 結(jié)論

通過(guò)研究，我們得到以下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)電氣幾何模型發(fā)現(xiàn)，本文所推薦的考慮到導(dǎo)線間屏蔽效應(yīng)的EGM更加適用于110 kV同塔六回輸電線路的繞擊耐雷性能分析。

2)對(duì)于110 kV同塔六回輸電線路，地面傾角對(duì)繞擊跳閘率的影響較大，線路經(jīng)過(guò)山坡地段時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)雷電繞擊防護(hù)。

3)導(dǎo)線的相序排列方式對(duì)線路的單回反擊跳閘率沒(méi)有影響，但是對(duì)多回反擊跳閘率影響較大，為了避免多回線路同時(shí)發(fā)生閃絡(luò)，建議多回路架設(shè)輸電線路時(shí)盡量采取不對(duì)稱排布的方式。

4)110 kV同塔六回線路與常規(guī)線路相比，桿塔高度更高，引雷面積更大，更容易遭受雷擊，桿塔的地線保護(hù)小太小、屏蔽性能差，繞擊跳閘率遠(yuǎn)高于單回輸電線路，單回和雙回反擊跳閘率約為常規(guī)雙回輸電線路的3～5倍，應(yīng)引起重視。