50kV單回線路在多雷區(qū)防雷差異化設計措施的探討

胡淑兵，朱本玉，羅 燎，李 新

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西南昌330096）

0 引言

架空線路雷擊種類主要分為直擊雷和感應雷，110kV以上電壓等級輸電線路主要考慮直擊雷的影響。直擊雷主要有反擊和繞擊兩類。反擊與雷電流幅值、接地電阻、線路絕緣水平等因素有關；繞擊與地形地貌、線路保護角、線路絕緣水平及雷電流幅值等因素有關。

江西雷害風險等級整體較高。大部分處于Ⅲ級區(qū)域，約占總面積的2/3，Ⅳ級區(qū)域約占1/3。通過對江西省2012-2016年500kV及以上輸電線路雷擊故障點進行統(tǒng)計分析，得出故障點主要處于C2級地閃密度等級區(qū)域（16次），其次是D1（9次）、D2（3次）、C1（3次）地閃密度等級區(qū)域。500kV線路31次跳閘中繞擊跳閘28次，占比90.32%，反擊跳閘3次，占比9.68%；220kV線路136次跳閘中繞擊跳閘97次，占比71.32%，反擊跳閘39次，占比28.68%。

可見500kV線路的雷擊跳閘危害主要是由雷電繞擊造成的，因此，對于500kV線路來說，采取有效措施降低雷電繞擊率，將能起到良好的防雷效果。

1 減小地線保護角對鐵塔結(jié)構(gòu)設計及防雷效果的影響分析

對于500kV單回路鐵塔而言，國網(wǎng)通用設計鐵塔地線對導線保護角為+10°，減小地線對導線保護角的措施有兩種形式：1）+5°保護角，加高地線支架，減小地線對導線保護角；2）負保護角，將地線支架水平向外延伸，使地線在水平面內(nèi)投影范圍包絡導線在水平面內(nèi)投影范圍。以下主要詳細分析比較以上兩種措施與通用設計鐵塔時雷電繞擊跳閘率、投資費用；3）另將較常用避雷器方案也作相關比較分析。

1.1 +5°保護角鐵塔結(jié)構(gòu)設計及防雷電繞擊效果分析

500kV單回線路鐵塔地線保護角，規(guī)范要求值為不大于10°，為提高防雷電繞擊效果，減小5°保護角后為不大于+5°保護角，同時為了滿足導、地線水平偏移的要求，需將通用設計鐵塔的地線支架抬高，地線支架至導線掛點的垂直距離將由原典設7.0m基礎上調(diào)整至18.5m，塔頭形式詳見圖1所示。所得到的塔頭地線支架過高，結(jié)構(gòu)形式非常不合理，一般來講正常鐵塔的高寬比一般在4-6之間，大于6則屬于窄基塔的范疇，其受力機理和設計方案都不一樣，地線支架高度為18.5m，則地線支架底部寬度至少應有3.5m，由此鐵塔橫擔將變得更長。經(jīng)過受力優(yōu)選得到其鐵塔重量約為37.7t，較原通用設計增重約40%左右?？梢?，無論從結(jié)構(gòu)形式的合理性還是從經(jīng)濟性來看，這種結(jié)構(gòu)形式都是不合理的。

圖1 +5°保護角鐵塔塔頭示意圖

地線+5°保護角方案，通過采用電氣幾何模型（EGM）法計算，對于防雷電繞擊的效果如表1所示，可見，對于呼高不高的鐵塔，改善效果不明顯，對于呼高較高的鐵塔，略有改善效果。

表1 通用設計鐵塔與+5°保護角鐵塔防雷電繞擊跳閘率的對表

1.2 負保護角鐵塔結(jié)構(gòu)設計及防雷電繞擊效果分析

由上節(jié)分析可知，500kV單回線路鐵塔地線保護角減小5°，對于防雷電繞擊效果不是很好，那么繼續(xù)減小地線保護角至負保護角，導線懸垂串由IVI型式改為3V型式，塔頭型式如圖2所示。

圖2 負保護角鐵塔塔頭示意圖

1.2.1 負保護角鐵塔結(jié)構(gòu)設計

從圖2中可以看到，該方案地線支架高度與典設相比保持不變，但是由于橫擔結(jié)構(gòu)變長，兩個地線掛點往外側(cè)移動約4.0m，導致地線荷載產(chǎn)生的扭力較原來相比增大約38%，經(jīng)過受力優(yōu)選得到其鐵塔重量約為29.1t，較原通用設計鐵塔增重約6%。

可見，該方案的結(jié)構(gòu)塔頭形式變化較大，地線支架扭力的增加導致鐵塔各部分受力較原典設增大，但因地線規(guī)格遠小于導線的規(guī)格，地線的脫冰扭力占整個鐵塔扭力的比重不大，故內(nèi)力增大的幅度不大。

該方案的主要變化是地線支架往外伸，將導致兩個地線掛點產(chǎn)生的扭力大幅增加，使得鐵塔特別是斜材受力大幅增加。為對負保護角方案在設計覆冰和覆冰過載工況下的內(nèi)力變化情況進行分析，現(xiàn)對15mm設計覆冰和30mm過載覆冰工況下，分別對國網(wǎng)典型設計模型和負保護角方案模型（僅對地線支架和橫擔局部改造）進行滿應力計算分析。

在15mm設計覆冰下，負保護角方案較國網(wǎng)典型設計方案橫擔中部部分交叉材內(nèi)力增加了約6%，曲臂內(nèi)力增加了約3%，塔身斜材內(nèi)力增加了約3%。

在30mm過載覆冰下，負保護角方案較國網(wǎng)典型設計方案橫擔中部部分交叉材內(nèi)力增加了約10%，曲臂內(nèi)力增加了約4%，塔身斜材內(nèi)力增加了約6%。

可見，負保護角方案在15mm設計覆冰下，因橫擔結(jié)構(gòu)變長，地線脫冰扭轉(zhuǎn)力矩增大，橫擔以下結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，使得塔重增重，相應的投資增加。在30 mm過載覆冰下，負保護角方案的不同部位的內(nèi)力也均有所增加，抗冰過載能力略微有所下降。若采用負保護角方案，需通過增大桿件規(guī)格以提高鐵塔的設計覆冰抵抗能力，通過增加驗算覆冰工況來加強局部桿件的強度，以確保鐵塔的安全穩(wěn)定。

1.2.2 負保護角防雷電繞擊效果分析

負保護角方案，通過采用電氣幾何模型（EGM）法計算，對于防雷電繞擊的效果如表2所示，可見，負保護角方案對于防雷電繞擊效果顯著[1]。

表2 通用設計鐵塔與負保護角鐵塔防雷電繞擊跳閘率的對比表

負保護角設計時，雙地線能起到有效屏蔽作用，理論計算結(jié)果顯示，當?shù)孛鎶A角為0°時，其能避免繞擊事件。從降低繞擊跳閘率方面考慮，負保護角設計較通用設計鐵塔、5°保護角設計具有明顯的優(yōu)勢，經(jīng)理論計算，從本質(zhì)上消除了線路繞擊跳閘的發(fā)生，具有顯著的防雷效果[2]。

1.3 安裝避雷器防雷效果分析

裝設避雷器原則：1）突出于局部地區(qū)最高山頂?shù)臈U塔；2）附近線路發(fā)生過雷擊跳閘的桿塔。每基鐵塔避雷器通常只能保護本基鐵塔以及相鄰鐵塔不受雷擊跳閘，對于500kV單回路鐵塔，推薦在兩邊邊相各裝設一套避雷器，對于落雷密度較大地區(qū)，通常每隔一基鐵塔裝設避雷器。

經(jīng)現(xiàn)場勘察定位資料，本工程如考慮裝設避雷器方案，考慮計50基鐵塔裝設，每基單回路鐵塔邊相導線各安裝1套，共計裝設100套避雷器，避雷器使用壽命取為25年，按50年設計壽命，50年內(nèi)避雷器需更換約1次。

2 結(jié)語

進過上述分析，對比如表3：

表3 各方案工程投資比較

表3顯示，表中后三者均較通用鐵塔投資增加，5°保護角方案投資增加最大，其次為裝設避雷器方案，負保護角方案投資增加最小。據(jù)收資了解，江西省內(nèi)500kV線路鐵塔如受雷擊跳閘，考慮裝設避雷器后，其臨近鐵塔還是會出現(xiàn)雷擊跳閘的情況，這說明裝設避雷器方案需覆蓋大范圍線路段才能更有效地避免線路雷擊跳閘事件，因此實際費用較高。

通過以上研究分析，國網(wǎng)通用設計鐵塔與5°保護角設計、負保護角設計、裝設避雷器方案的綜合比較如表4所示。

表4 國網(wǎng)通用設計鐵塔與5°保護角設計、負保護角設計、裝設避雷器方案的綜合比較

綜上所述，從長遠效益考慮，為了有效降低線路雷電繞擊跳閘事故率，建議位于C2及以上雷區(qū)的單回路鐵塔采取地線對導線負保護角設計[1-2]，也符合國網(wǎng)公司發(fā)布的十八項反措中對于防雷保護的相關要求。