基于ATP-EMTP的全復合材料電桿線路防雷技術研究

馬文陽，霍鋒，杜志葉，鄭春生，劉輝，王哲，范冕

（1.湖北工業(yè)大學太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，湖北武漢 430068；2.中國電力科學研究院有限公司，湖北武漢 430074；3.中國石化集團勝利石油管理局有限公司電力分公司，山東東營 257000；4.武漢大學電氣與自動化學院，湖北武漢 430072）

0 引言

在輸電線路中，桿塔是線路支撐的主要部件和雷電流泄流的通道。而木桿、混凝土電桿、鐵塔等傳統(tǒng)輸電線路電桿的缺陷在長久的運行中逐漸暴露出來[1]。相比之下，復合材料電桿具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、韌性強、抗風性能好等優(yōu)點，同時電桿的表面具有一定憎水性，防污閃和抗覆冰能力相應提高[2-4]。

輸電線路防雷方面存在的問題，一直以來備受電力行業(yè)關注[5-8]。據(jù)統(tǒng)計，輸電線路因雷擊造成的故障占總跳閘率的50%～80%[9-11]，這對線路的安全造成了重大影響。而復合材料電桿的出現(xiàn)，為改善線路的防雷性能提供了一種有效途徑，不少文獻將其應用在架空線路當中，線路的耐雷水平大幅度提升[12-15]。但在配電網(wǎng)線路的研究中，相關文獻只指出利用復合材料電桿的絕緣性來提高絕緣距離與雷擊閃絡電壓[16-18]，未設置雷電流泄流通道，從而導致耐雷水平的提升相對有限。

對于配電網(wǎng)線路中常用的混凝土電桿，雷擊閃絡的路徑是導線與鐵橫擔之間的間隙，其絕緣強度只能由絕緣子的爬電距離決定。由于配電線路絕緣子的爬電距離通常只有15～37 cm，雷電閃絡電壓較低，整個配電網(wǎng)的耐雷水平都相對較低[19]。由于全絕緣復合材料電桿本身無法泄放電流，如果不采取一定的接地方式將雷擊電流釋放，雷電電流會沿線路傳導損傷導線，或進入變電站引起站內(nèi)設備閃絡跳閘，造成很大的危害。因此，需要通過合理設計復合材料電桿的接地引下線的數(shù)量，形成一定數(shù)量的釋放通道，將雷電流控制在一定范圍引入至大地，這樣在增大電桿平均絕緣距離的同時，合理配置了接地通道，在有效提升電桿耐雷性能同時，又限制了雷電流的不利影響，提升線路整體的運行可靠性。由于復合材料電桿的制作工藝復雜，造價比普通混凝土電桿高，所以應合理設計電桿結構尺寸，從而降低其成本。

本文研究的重點是在提高復合材料電桿輸電線路防雷性能的同時盡可能地降低電桿造價及施工成本。以6 kV 復合材料電桿的防雷性能為研究對象，基于ATP 仿真分析平臺，對照6 kV 混凝土電桿防雷性能，深入分析了6 kV 復合材料電桿多種結構尺寸和接地配置下的耐雷性能，并結合實際線路工程，提出了6 kV 復合材料電桿優(yōu)化結構和全線差異化接地方式。

1 復合材料電桿模型

對于復合材料電桿來說，其組合形式有3 種：（1）只有塔頭是復合材料；（2）只有塔身是復合材料；（3）塔頭、塔身均為復合材料。為保證線路供電的可靠性，體現(xiàn)電桿的耐腐蝕、防污性，本文選擇第3種。對試點運行中6 kV 復合材電桿增加接地引下線，引下線的布置方式采用順線方向懸空接地[20]。引下線的布置如圖1 所示，其中紅色為導體。

圖1 接地引下線Fig.1 Down-lead line to ground

本文選擇由復合材料管材塔身、環(huán)氧樹脂方管橫擔和針式絕緣子組成的絕緣電桿組合方式，其結構如圖2 所示。導線采用三角形排列方式，絕緣子采用P-10 型針式絕緣子。

圖2 復合材料電桿結構Fig.2 Structure of composite pole

圖2中H1和H2 分別為B 相導線到接地導體和接地導體到橫擔的距離，H3 為桿塔呼高；d1和d2對應于A 相導線和C 相導線分別到接地引下線的距離，d3 為BC 兩相導線的距離。其幾何尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 復合材料電桿相關參數(shù)Table 1 Related parameters of composite pole m

圖3 為塔頭結構圖，其中E為引下線與橫擔中心的距離，F(xiàn)為導線距引下線的水平距離。因為將復合材料視為絕緣，對于接地電桿來說，其雷擊閃絡路徑是導線-引下線間的空氣間隙，空氣間隙的雷電沖擊50%閃絡電壓梯度為700 kV/m[21-22]。

圖3 塔頭局部示意圖Fig.3 Local structure of tower head

由此可以算出各相間雷電沖擊閃絡電壓，對于接地電桿，B 相與引下線間的閃絡電壓為420 kV，A 相和C 相與引下線間的閃絡電壓均為700 kV；而對于非接地電桿，BC 相與AC 相的相間閃絡電壓均為987 kV。

2 仿真計算與分析

2.1 感應雷仿真分析

根據(jù)相關文獻和實驗結果，線路上的感應雷過電壓最高可達300～400 kV[23]，因配電網(wǎng)絕緣間隙短，閃絡電壓低，所以其主要對配電網(wǎng)線路造成威脅。

根據(jù)計算，接地電桿的感應雷擊跳閘率為0.11 次/（100 km·a）；非接地電桿感應雷擊跳閘率為0。在后續(xù)的優(yōu)化當中，只需保持其閃絡電壓在感應雷過電壓的最大值之上即可有效避免感應雷對線路造成威脅。本文主要考慮直擊雷對復合材料電桿的影響。

2.2 直擊雷雷擊接地電桿仿真計算

直擊雷雷擊配電線路包括雷擊桿塔頂部、雷擊導線和雷擊避雷線。因本文無地線設計，并且考慮復合材料電桿的絕緣性，則只需考慮雷擊導線的情況。直擊雷雷擊導線時，中間相（圖2 中的B 相的位置）最高，最容易遭受雷擊，所以對于接地電桿主要考慮直擊雷雷擊B 相時的耐雷水平。本文基于ATP-EMTP 仿真軟件，搭建復合材料電桿仿真計算模型，經(jīng)計算得出接地電桿直擊雷雷擊B 相導線時單相閃絡電流為2.7 kA，三相閃絡電流為81.4 kA。由于35 kV 及以下配網(wǎng)中性點采取非有效接地方式，發(fā)生單相接地故障時配電網(wǎng)線路仍帶可故障運行1～2 h[24]，并且雷擊斷線的條件為同一電桿上至少發(fā)生兩相閃絡，所以允許中間相發(fā)生單相閃絡故障。因為電桿結構是對稱的以及雷擊中間相，所以造成雷擊事故產(chǎn)生單相閃絡和三相閃絡，取三相閃絡電流的值作為耐雷水平的值。

根據(jù)DLT 1674—2016《35 kV 及以下配網(wǎng)防雷技術導則》中的公式計算雷擊跳閘率，地閃密度為2.78 次/（km2·a），6 kV 復合材料電桿直擊雷雷擊跳閘率為0.091 9 次/（100 km·a），總雷擊跳閘率為0.2019次/（100 km·a），遠低于T/CES 029—2019《10 kV架空線路雷擊跳閘風險評估導則》中給出的10 kV雷擊跳閘率控制值，即5 次/（100 km·a）。

從仿真結果可以看出6 kV 復合材料電桿逐基接地耐雷水平非常高，甚至高于文獻25 中推薦的110 kV 輸電線路56～68 kA 的耐雷水平，直擊雷雷擊跳閘率也很低，所以逐基接地的方式過于保守。

2.3 直擊雷雷擊非接地電桿仿真計算

對于非接地電桿，雷電流失去分流途徑，雷電流只會造成相間閃絡，絕緣間隙上的雷擊過電壓增大，耐雷水平顯著減小。在無避雷線情況下，雷電直擊導線時，雷擊閃絡的間隙為AB 相間空氣間隙或BC 相間空氣間隙。經(jīng)仿真計算，非接地電桿耐雷水平為9.8 kA，直擊雷雷擊跳閘率為0.256 6 次/（100 km·a）。對于同電壓等級下，相同結構和大小的混凝土電桿的耐雷水平為11 kA，直擊雷雷擊跳閘率為6.853 3 次/（100 km·a）。復合材料電桿在不接地時，其直擊雷雷擊跳閘率僅為混凝土電桿的3.5%左右，但是耐雷水平卻降低了11%。

由于6 kV 配電網(wǎng)線路中耐雷水平和雷擊跳閘率沒有明確的考核指標，復合材料電桿的雷擊跳閘率遠遠低于普通混凝土電桿的值，因此以普通混凝土電桿的耐雷水平作為防雷優(yōu)化的考核指標，在確保輸電線路防雷性能的同時增加其經(jīng)濟性。

3 防雷優(yōu)化設計

3.1 桿塔結構優(yōu)化

6 kV 配電網(wǎng)下的混凝土電桿通常采用針式絕緣子，絕緣間隙只有0.15 m；目前低壓配電網(wǎng)中采用的復合材料電桿絕緣間隙最大為1 m。由第2 節(jié)仿真分析結果可以看出，復合材料電桿防雷性能很好，可適當減少橫擔長度，降低復合材料電桿的造價。優(yōu)化方法為等比例減少兩邊橫擔長度d1和d2，比例系數(shù)為K，K分別為1.0，0.8，0.6 和0.4。

3.2 接地方式優(yōu)化

設置接地的方式有3 種：（1）逐基接地；（2）全線不接地；（3）分段接地。根據(jù)2.2 節(jié)和2.3 節(jié)仿真分析對比，第1 種與第2 種在此情況下均不適合。根據(jù)線路位置和當?shù)乩纂娞岢鋈鐖D4 所示的分段接地優(yōu)化。為保證配電網(wǎng)供電線路可靠性，變電站進線端的電桿不考慮在優(yōu)化范圍內(nèi)。

圖4 分段接地方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of sectioned grounding scheme

用N來表示間隔塔的數(shù)量，在線路上每間隔N基電桿進行1 次引下線接地，如圖4 所示。N等于電桿總數(shù)時全線不接地，N=0 時全線接地，N=1 時電桿隔1 基接地。

3.3 優(yōu)化設計流程

N值越小防雷性能越好，但是隨之而來接地引下線的數(shù)量就會增多，而由于該復合材料電桿接地引下線是支撐至外側引下，整體結構稍復雜，接地數(shù)量增多后，引下裝置生產(chǎn)、施工和運維的成本會增加；增大N雖然節(jié)省了施工成本但是會降低防雷的性能。因此分段接地優(yōu)化設計應在確保防雷性能的同時盡量減少接地引下線的數(shù)量。

綜合電桿結構和接地方式的優(yōu)化，提出如圖5所示的6 kV 配電網(wǎng)線路復合材料電桿防雷設計優(yōu)化方法，具體流程如下。

圖5 防雷優(yōu)化流程Fig.5 Optimization process of lightning protection

4 實例分析

4.1 線路概況

某6 kV 配電線路地處沿海重污穢地區(qū)，為提升線路運行可靠性，降低雷擊等故障率，計劃改造為復合材料電桿線路。線路地區(qū)平均雷暴日32.2 d/a，潮間帶的土壤電阻率為20～50 Ω/m，其他地區(qū)為40～100 Ω/m，地閃密度為2.11 次/（km2·a）。線路包括45基塔，檔距50 m，線路弧垂0.25 m，接地電阻10 Ω。電桿塔身和橫擔均采用復合絕緣材料，塔高12 m。

此線路電桿均是在平地上，所以不用考慮傾角問題；因為整個線路跨度不長，整個線路地區(qū)的地閃密度相差不大，不需要分地區(qū)考慮。

4.2 線路優(yōu)化

本文選取該線路1—10 號電桿進行分析。N取1 時，1，3，5，7，9 號電桿接地。當K=1.0 時，非接地電桿的直擊雷耐雷水平為21 kA，明顯高于考核指標。由于每一個接地電桿附近都有一個非接地電桿，導致接地電桿的泄流途徑減少，所以其直擊雷耐雷水平較逐基接地時降低5%左右，直擊雷跳閘率相應增加12%左右。當K=0.4 時，非接地電桿的耐雷水平仍未超出考核指標。由于橫擔尺寸的減小導致絕緣間隙減小，可以看出接地電桿的直擊雷耐雷水平顯著降低，僅為K=1.0 時接地電桿的33%左右，但總的耐雷水平相比于混凝土電桿仍較高，可以繼續(xù)進一步優(yōu)化。各基電桿雷耐雷水平如圖6。

圖6 N=1時各基電桿耐雷水平Fig.6 Lightning withstand level of each pole when N=1

N取2 時，1，4，7，10 電桿接地，其余電桿不接地。計算出耐雷水平見圖7。當K=1.0 時，由于非接地電桿附近泄流途徑減少為一個，導致其直擊雷耐雷水平較隔一基接地時降低21%左右，直擊雷雷擊跳閘率增加14%左右。當K=0.4 時，非接地電桿的直擊雷耐雷水平仍高于考核指標，還有約17%的安全裕度?？傮w來說還是可以繼續(xù)進行防雷優(yōu)化。

圖7 N=2 時各基電桿耐雷水平Fig.7 Lightning withstand level of each pole when N=2

N取3 時，1 號，5 號，9 號電桿接地，其余電桿不接地。計算出耐雷水平見圖8。在非接地電桿中，由于3 號電桿和7 號電桿附近都是不接地電桿，缺少了泄流途徑，其耐雷水平相比于其他非接地電桿更低，相應的直擊雷跳閘率也變得更高。從圖8 中可以看出即使K=1.0 時的非接地電桿耐雷水平已經(jīng)很靠近考核指標，K=0.8 時耐雷水平已經(jīng)低于考核指標，由此可見N=3 并不適合設置在該區(qū)段該。

圖8 N=3 時各基電桿耐雷水平Fig.8 Lightning withstand level of each pole when N=3

耐雷水平和雷擊跳閘率皆為輸電線路防雷的重要研究對象。在滿足耐雷水平的前提下，對各方案組合的雷擊跳閘率進行比較以確定最合適的防雷方案。經(jīng)過防雷優(yōu)化的迭代計算，得出以下合適的優(yōu)化組合：N=2，K=0.6；N=2，K=0.4。接地電桿和非接地電桿的雷擊跳閘率如表2 所示，無論是接地電桿還是非接地電桿橫擔尺寸的減小，不僅導致直接雷跳閘率增大，而且還導致感應雷跳閘率的大幅上升。所以從首先保證防雷性能再提高經(jīng)濟性的方面考慮，本文取N=2，K=0.6 作為最優(yōu)防雷設計方案。

表2 復合材料電桿雷擊跳閘率Table 2 Lightning trip-out rate of composite pole

根據(jù)此區(qū)段迭代優(yōu)化結果，在接地方式上，設置每隔2 基電桿進行引下線接地，較全線逐基接地減少使用3/5 接地引下線。由于接地方式為外側懸空接地引下線，建設和運維成本較高，減少3/5 引下線后大幅降低了線路建設和運維成本；電桿塔頭尺寸比優(yōu)化前縮短了40%，使結構更為緊湊、安全。此實驗結果針對35 kV 以下的線路均有一定的參考意義。

5 結論

1）針對感應雷的影響，改進后的6 kV 復合材料電桿的雷擊閃絡電壓為420～987 kV，超過最大感應過電壓（400 kV），可以有效減少感應雷引起的線路閃絡。

2）逐基接地復合材料電桿防雷計算表明，其直擊雷雷擊導線耐雷水平為81.4 kA，遠超6 kV 配電線路中混凝土電桿的耐雷水平，甚至高于文獻25中推薦的110 kV 輸電線路56～68 kA 的耐雷水平。相比于混凝土電桿，復合材料電桿的直擊雷雷擊跳閘率顯著降低。

3）不接地復合材料電桿雷擊閃絡均發(fā)生在相間，耐雷水平顯著降低，只有9.8 kA，已低于混凝土電桿的耐雷水平。復合材料電桿的直擊雷雷擊跳閘率是逐基接地電桿的2.6 倍左右，但是仍遠低于混凝土電桿。

4）6 kV 復合材料電桿線路在地閃密度2.11次/（km2·a）下，每隔2 基電桿進行引下線接地。同時電桿塔頭尺寸較優(yōu)化前縮短了40%，達到運行要求。