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(jì)院有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(jí)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(hù)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(dān)，會(huì)直接導(dǎo)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(duì)在運(yùn)的各種電壓等級(jí)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(duì)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(jì)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(yùn)500 kV 交流輸電線路的雷擊跳閘率的統(tǒng)計(jì)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(dòng)強(qiáng)度分布各異有關(guān)。

表1 我國在運(yùn)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(luò)率在0.066～0.463 次/（100 km·a）之間波動(dòng)。

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

2 交直流混架線路耐雷性能的分析方法

2.1 反擊計(jì)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(luò)。研究中反擊計(jì)算采用行波法基于EMTP 程序進(jìn)行建模仿真[8]。本文采用的計(jì)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(luò)判據(jù)。

對(duì)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(dān)3 個(gè)部分分別建模，且每部分都假設(shè)為均勻分布，計(jì)算波阻抗典型的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)表明，支架部分波阻抗大約為：

（3）桿塔橫擔(dān)部分波阻抗

式中：hk為第k 個(gè)橫擔(dān)對(duì)地的高度；rAk取橫擔(dān)與桿塔主體連接處橫擔(dān)寬度的1/4。

2.2 繞擊計(jì)算方法和模型參數(shù)

交直流線路繞擊跳閘機(jī)理相同[5]，線路繞擊耐雷性能主要受地形、保護(hù)角、塔高等因素影響[4]。輸電線路繞擊性能的仿真計(jì)算常用EGM（電氣幾何模型法）和LPM（先導(dǎo)發(fā)展模型法）[13-15]。EGM經(jīng)過了數(shù)十年的演進(jìn)和發(fā)展，其計(jì)算結(jié)果與各國電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)比較符合。在美、日及歐洲各國得到了廣泛應(yīng)用，在我國的電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中也受到普遍認(rèn)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(xué)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(dǎo)的發(fā)展，地面物體迎面先導(dǎo)的起始，下行先導(dǎo)和迎面先導(dǎo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及最后擊穿判據(jù)等因素，通過動(dòng)態(tài)電場計(jì)算，對(duì)下行先導(dǎo)繞擊輸電線路的物理過程進(jìn)行仿真。

當(dāng)前選用ONT之間僅支持在Portal認(rèn)證方式下的二層漫游（即在同一個(gè)VLAN/網(wǎng)段內(nèi)漫游），以保證漫游過程中無線終端的IP地址不變，避免因IP地址變化導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。

由于人們對(duì)雷電先導(dǎo)發(fā)展過程認(rèn)識(shí)的局限性，不同學(xué)者對(duì)先導(dǎo)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(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果也有較大差別。本文采用EGM 對(duì)交直流混架線路的繞擊耐雷性能進(jìn)行仿真研究，一般認(rèn)為相較于EGM，LPM 的雷電計(jì)算結(jié)果偏小。

對(duì)應(yīng)某一雷電流I，有相應(yīng)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(shí)）的相應(yīng)暴露面積χ 為：

式中：g（Ψ）為先導(dǎo)接近地面時(shí)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(jì)算參數(shù)

3.1 線路參數(shù)

直流輸電線路導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(duì)該處過電壓計(jì)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(jì)時(shí)兼顧線路同塔混架后走廊寬度、對(duì)地距離等方面的要求，設(shè)計(jì)了垂直排列鼓型、三角排列和并列垂直排列三大類塔型，計(jì)及交、直流線路金具串的型式，最終合計(jì)分析了8種±500 kV/500 kV 交直流同塔多回輸電塔型，詳細(xì)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(dǎo)、地線參數(shù)

交、直流線路均采用復(fù)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(jì)算

一般來說，由雷擊地線檔距中央而引起導(dǎo)、地線閃絡(luò)的情況十分罕見，本文未予以考慮，重點(diǎn)計(jì)算了雷擊桿塔塔頂?shù)那闆r。基于ATP-EMTP搭建的仿真模型，對(duì)所述塔型進(jìn)行線路反擊耐雷水平的計(jì)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?yàn)橹绷骶€路部分絕緣水平高于交流線路高導(dǎo)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(dāng)，差值在15 kA 以內(nèi)。

在同等條件下，比對(duì)前述8 種±500 kV/500 kV 交直流同塔多回輸電線路與單獨(dú)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(dú)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(rèn)為交直流同塔并架線路中直流線路基本不會(huì)發(fā)生反擊閃絡(luò)，主要原因是直流線路比交流線路的絕緣強(qiáng)度要高，在較大的雷電流擊中桿塔時(shí)，交流線路會(huì)全部閃絡(luò)，雷電流的能量基本全部沿著交流導(dǎo)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(duì)直流線路起到很好的保護(hù)作用；與單獨(dú)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(dāng)。

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(dú)架設(shè)線路的反擊耐雷水平對(duì)比

4.2 繞擊性能的計(jì)算

在呼高39 m、接地電阻取10 Ω 的情況下，分別計(jì)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(hù)角取0°，一般山地和高山大嶺地區(qū)保護(hù)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(duì)掛于直線線路的外側(cè)，保護(hù)角數(shù)值相對(duì)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(huì)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(jì)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(dǎo)線會(huì)發(fā)生繞擊閃絡(luò)，直流線路基本不會(huì)發(fā)生繞擊閃絡(luò)，繞擊耐雷性能要優(yōu)于單獨(dú)架設(shè)±500 kV 直流線路。計(jì)算同等條件下單獨(dú)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(dú)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(duì)于交直流同塔并架線路來說桿塔尺寸較小，導(dǎo)線與地線的垂直相對(duì)較近，地線對(duì)導(dǎo)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(hù)角取0°，山區(qū)地區(qū)保護(hù)角取-10°，計(jì)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?yàn)樗?IIV-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(dòng)，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(yùn)線路的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，輸電線路的統(tǒng)計(jì)雷擊跳閘率隨機(jī)性較大，500 kV 交流線路在0.144～0.643 次/（100 km·a）之間波動(dòng)，±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(hù)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(yīng)用場景，設(shè)計(jì)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(dú)架設(shè)±500 kV 直流線路相比，反擊耐雷水平更高，但與單獨(dú)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(dāng)。

（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(dú)架設(shè)的±500 kV 直流線路相比，由于地線保護(hù)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(dú)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(hù)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