蘇菲，周浩，沈志恒，趙斌財

(浙江大學電氣工程學院，杭州市，310027)

0 引言

同塔多回線路可有效增加單位走廊面積輸電容量，節(jié)省線路走廊。目前，我國北京、廣東、江蘇、浙江等地已經(jīng)建設數(shù)條不同電壓等級的同塔多回線路［1-4］。同塔四回線路回數(shù)較多，避雷線對導線的屏蔽作用較常規(guī)線路差，此時桿塔塔形會對線路的耐雷水平產(chǎn)生較大的影響。另一方面，同塔并架線路其鐵塔高度和橫擔寬度較單回線增加明顯，耐雷水平降低。因此，如何選擇500 kV同塔四回線路桿塔塔形及提高線路耐雷水平成為電力部門極為關注的課題。

目前，500 kV同塔四回線路常用桿塔有豎塔與橫塔，這2種桿塔導線布置各不相同，耐雷水平也有較大差距。本文對比了這2種典型桿塔在不同地面傾角以及桿塔接地電阻等情況下的防雷性能，分析其電磁環(huán)境的優(yōu)劣，為不同地區(qū)線路桿塔的選擇提供了依據(jù)。對三避雷線與單耦合地線的防雷效果進行了研究，并提出了改進500 kV同塔四回線路耐雷性能的措施。

1 耐雷性能計算與線路參數(shù)

1.1 耐雷性能計算方法

繞擊計算采用電氣幾何模型(electric geometry method，EGM)［5-6］，并考慮桿塔所處地面的傾角和導線上工頻電壓等因素的影響。反擊計算采用改進多波阻抗模型，使用電磁暫態(tài)程序(elector-magnetic transient program，EMTP)軟件仿真計算高桿塔反擊耐雷水平，并計算其相應的反擊跳閘率。

(1)雷電參數(shù)。本文采用2.6/50 μs斜角波的雷電流波形［7］。

(2)桿塔的波阻抗與波速。采用改進多波阻抗模型，將四回線路桿塔分段［8］，波阻抗計算公式［9-12］為

式中:h為相應桿塔段高度，m;r為桿塔的等效半徑，m。

(3)EGM擊距選取。電氣幾何模型的擊距公式使用 IEEE標準推薦的公式［13］，即

式中:rs為雷電對導線擊距，m;rg為雷電對大地擊距，m。

(4)雷擊塔頂時導線上的感應電壓分量。采用武漢大學等提出的感應電壓計算式

式中:hc為導線對地高度，m;hg為避雷線對地高度，m;k0為避雷線與導線的幾何耦合系數(shù)。

1.2 線路參數(shù)

對比的塔型為500 kV同塔四回線路常用塔型，豎塔與橫塔。豎塔呼高33 m，全高92.1 m;橫塔呼高33 m，全高60.5 m。桿塔線路布置如圖1所示。

圖1 500 kV同塔四回線路桿塔導線布置Fig.1 Setting up of wire in the 500 kV transmission lines with four-circuit on a tower

500 kV四回線路的導線型號為4×LGJ-400/35，地線采用LGJ-95/55。豎塔和橫塔導線排列方式如表1所示。

500 kV線路采用耐污FC160P/155型絕緣子，取31片。計及金具時的絕緣子V串長3.8 m，I串長4.9 m。

線路電壓等級較高，對桿塔的接地電阻的要求亦較高。因此，本文取5 Ω為標準進行反擊計算分析。

2 橫塔與豎塔的耐雷性能比較

2.1 繞擊耐雷性能對比

由圖1可知，豎塔邊相四回導線都有可能遭受繞擊，而橫塔只有外側導線可能遭受繞擊。選取一側導線，針對2種桿塔可能受繞擊的導線進行計算。

影響線路繞擊跳閘率的主要因素有:工頻電壓、地面傾角和呼稱高?？紤]工頻電壓影響，本計算中地面傾角為5°，呼高為33 m，避雷線保護角為原桿塔設計角度(豎塔 －0.54°，橫塔3.3°)。

地面傾角對線路繞擊跳閘率有較大的影響，不同的地面傾角下，2種桿塔的繞擊跳閘率如表2、3以及圖2所示。

表2 豎塔線路繞擊跳閘率Tab.2 Shielding failure trip out rate of vertical tower

表3 橫塔線路繞擊跳閘率Tab.3 Shielding failure trip out rate of horizontal tower

由表2、3及圖2可知:橫塔的繞擊跳閘率明顯低于豎塔。當?shù)孛鎯A角為5°時，豎塔繞擊跳閘率為0.031次/(100 km·a)，而橫塔為0。隨著地面傾角的增大，2種桿塔繞擊跳閘率仍存在較大的差距，當?shù)孛鎯A角為 30°時，豎塔的繞擊跳閘率為 0.24次/(100km·a)，而橫塔為0.14次/(100 km·a)，僅為豎塔的54%。分析認為，橫塔單側導線1、3、5相被導線2、4、6相屏蔽，桿塔單側易擊相僅有3相，而對于豎塔，單側兩回線路垂直排列，易繞擊相為6相。另一方面，橫塔高度較低，大地對導線屏蔽作用較好，使得橫塔防繞擊性能更為優(yōu)越。

圖2 不同地面傾角下桿塔的繞擊跳閘率Fig.2 The relationship between towers'shielding failure trip out rate and ground dip angel

2.2 反擊耐雷水平對比

采用桿塔波阻抗模型對線路的反擊耐雷水平進行計算。根據(jù)桿塔及線路尺寸參數(shù)，建立合適的線路段模型，并考慮感應電壓與線路工作電壓，使用EMTP仿真計算各型桿塔的單回、雙回反擊耐雷水平。

根據(jù)我國500 kV同塔雙回線路和國外同塔雙回及多回線路的運行經(jīng)驗，我國500 kV同塔多回線路宜采用平衡高絕緣(31片155 mm絕緣子)的方式。并暫假定桿塔沖擊接地電阻為5 Ω，呼高為33 m，保護角取桿塔設計保護角。

雷擊桿塔附近避雷線，2種塔型的平均耐雷水平和反擊跳閘率如表4、圖3所示。

表4 桿塔反擊耐雷水平Tab.4 The towers'lightning withstand performance of back flashover

由表4及圖3可知:當接地電阻為5～20 Ω時，橫塔的反擊耐雷水平優(yōu)于豎塔。接地電阻為5 Ω時，豎塔的單回耐雷水平為144.8 kA，橫塔耐雷水平為180.3 kA，橫塔反擊耐雷水平較豎塔高25%左右，隨著接地電阻的增大，2種桿塔的反擊耐雷水平差距逐漸減小，當接地電阻為15 Ω時，兩者相差14 kA。

圖3 不同接地電阻下桿塔的反擊耐雷水平Fig.3 The relationship between towers'lightning withstand performance of back flashover and grounding resistance

分析認為，橫塔高度較低(較豎塔低30 m左右)，較低的桿塔高度使得雷電反射波能夠更快地折返，從而抑制桿塔頂部雷電過電壓的上升，在相同的接地電阻下，橫塔的反擊耐雷水平要高于豎塔。但隨著接地電阻的增大，雷電流不能較好地沿桿塔泄放入大地，使得雷電反射波對桿塔上層雷電過電壓上升的抑制作用減弱。因此，隨著接地電阻的增大，橫塔的反擊耐雷水平快速下降。當接地電阻進一步增大時，雷電反射波對桿塔上層雷電過電壓的抑制作用較小，最終使得橫塔、豎塔2種桿塔反擊耐雷水平相差不大。

3 2種塔型的工程應用分析

在典型情況下(I級落雷密度、絕緣配置31片155 mm絕緣子、桿塔接地電阻5 Ω)，線路的雷擊跳閘率如表5所示。

表5 500 kV線路雷擊跳閘率(折合單回)Tab.5 The trip out rate of 500 kV transmission line

在典型情況(接地電阻5 Ω，地面傾角5°)下，橫塔的耐雷水平明顯優(yōu)于豎塔，其單回雷擊跳閘率僅為豎塔的21%。從防雷安全角度出發(fā)，橫塔的防雷性能要優(yōu)于豎塔。

對比2種桿塔的電磁環(huán)境，豎塔的線路走廊為34 m，橫塔的線路走廊為49 m，豎塔線路下方的工頻電場、磁場、無線電干擾及可聽噪聲均優(yōu)于橫塔［14］。

對于2種塔型的經(jīng)濟性，豎塔較橫塔耗鋼量大，桿塔造價略高于橫塔。

綜合考慮防雷安全性、電磁環(huán)境與經(jīng)濟性因素，豎塔適用于雷害較輕或線路走廊緊張地區(qū)，橫塔適用于雷害嚴重或對走廊寬度不敏感的地區(qū)。

4 500 kV同塔四回線路防雷建議

4.1 避雷線保護角對提升桿塔防繞擊效果研究

減小避雷線保護角是防繞擊效果最為顯著的方法之一，同塔多回線路避雷線保護角盡量減小，建議小于 0°［15-16］。

取地面傾角5°，呼高33 m，改變避雷線保護角，得到3種絕緣方式下桿塔單回線路的繞擊跳閘率隨避雷線保護角變化的曲線，如圖4所示。由圖4可知:

(1)對于豎塔，避雷線保護角對線路的繞擊跳閘率有很大的影響。避雷線保護角為－10°～－2.5°時，桿塔的繞擊跳閘率處在較低的水平，并且隨著保護角的增大，繞擊跳閘率增加速度較慢。若保護角進一步增大，線路繞擊跳閘率迅速上升。

(2)對于橫塔，桿塔的防繞擊性能優(yōu)越，在避雷線保護角小于5°時，桿塔的繞擊跳閘率均為0，當避雷線保護角增大到10°時，橫塔的繞擊跳閘率仍處在較低的水平。

綜上所述，建議豎塔的避雷線保護角不大于－2.5°;對于橫塔，其防繞擊性能優(yōu)越，保護角可以小于 0°。

圖4 豎塔、橫塔繞擊跳閘率與避雷線保護角關系Fig.4 The relationship between towers'shielding failure trip out rate and lightning shielding line's protection angle

4.2 耦合地線對提升桿塔防反擊效果研究

架設耦合地線通常作為一種防雷的補救措施，主要用于某些已經(jīng)建成投運線路的雷擊故障頻發(fā)線路段，還適用于難以降低桿塔接地電阻的山區(qū)。實際運行經(jīng)驗也表明，架設耦合地線可有效提高線路的反擊耐雷性能，降低線路雷擊跳閘率。

常見的耦合地線架設方式包括:(1)單耦合線方式，即在桿塔中央、下層導線下方架設1條耦合地線;(2)三避雷線方式，即在最上層橫擔中央架設1條耦合地線(共計3條避雷線)。2種耦合地線架設方案對桿塔不同高度處線路的保護效果各不相同。單耦合地線位于桿塔下方，對下層導線保護效果較好，而三避雷線與上層導線之間的耦合系數(shù)較大，對上層導線雷電反擊保護效果較好。

以豎塔和橫塔為例，在不同的桿塔接地電阻下，對比分析了2種耦合地線架設方案的防反擊效果，計算結果見表6。由表6可知:

(1)架設單耦合地線與三避雷線均可以提高線路反擊耐雷水平。并且在桿塔接地電阻越大時，改造效果越明顯，這與耦合地線適用于接地電阻難以降低的地區(qū)的特點相呼應。耦合地線可以增加地線與線路的耦合系數(shù)，同時增大對桿塔的分流系數(shù)，使線路耐雷水平提高。

(2)對比單耦合地線與三避雷線這2種耦合地線架設方案，三避雷線的防反擊效果要優(yōu)于單耦合地線。分析認為，由于塔身與橫擔的分流作用，桿塔上層導線絕緣子串承受的反擊雷電過電壓要高于下層絕緣子，易閃絡相為上層導線。而三避雷線與上層導線的耦合系數(shù)較大，對上層導線的保護效果優(yōu)于單耦合地線;另一方面，避雷線架設在桿塔頂部，分流作用更佳。綜上所述，架設三避雷線的防反擊效果優(yōu)于單耦合地線方案。

(3)總體來說，對比架設耦合地線的2種方案，架設三避雷線可以更為有效地提高500 kV同塔四回線路的耐雷水平。但是在桿塔的最上方再拉1根地線，施工難度較大。而單耦合地線防雷效果雖然不及三避雷線，但仍可有效提高桿塔的反擊耐雷水平，并且架設難度較小。因此，實際中應根據(jù)工程需要選擇合適的耦合地線架設方案。

5 結論

(1)地面傾角 0°～30°、接地電阻 5 ～20 Ω 時，橫塔的繞反擊性能均優(yōu)于豎塔，在典型情況(接地電阻5 Ω，地面傾角5°，I級落雷密度)下，橫塔的雷擊跳閘率僅為豎塔的1/4。電磁環(huán)境方面，豎塔的線路走廊為34 m，橫塔的線路走廊為49 m，豎塔線路下方的工頻電場、磁場、無線電干擾及可聽噪聲均優(yōu)于橫塔。綜上所述，建議在雷害較輕或線路走廊緊張地區(qū)采用豎塔，在雷害嚴重或對走廊寬度不敏感的地區(qū)采用橫塔。

表6 不同耦合地線架設方案下豎塔與橫塔四回線路的反擊耐雷水平Tab.6 Towers'lightning withstand performance of back flashover under different coupling earth wires

(2)在地面傾角5°～30°范圍內(nèi)，橫塔的繞擊跳閘率均低于豎塔。在地面傾角為5°時，豎塔繞擊跳閘率為0.031次/(100 km·a)，而橫塔為0。隨著地面傾角的增大，2種桿塔繞擊跳閘率仍存在較大的差距，當?shù)孛鎯A角增大到30°時，豎塔、橫塔繞擊跳閘率為0.24、0.14 次/(100 km·a)，橫塔繞擊跳閘率僅為豎塔的54%。

(3)在接地電阻5～20 Ω范圍內(nèi)，橫塔的反擊耐雷水平優(yōu)于豎塔。接地電阻為5 Ω時，橫塔的反擊耐雷水平比豎塔高40 kA左右，隨著接地電阻的增大，2種桿塔的反擊耐雷水平有一定程度的下降，當接地電阻為15 Ω時，橫塔反擊耐雷水平仍比豎塔高14 kA。

(4)對避雷線保護角－10°～10°范圍內(nèi)桿塔的繞擊跳閘率進行了研究。對于豎塔，當保護角小于－2.5°時，線路繞擊跳閘率較低，且上升不明顯。若進一步增大保護角，線路繞擊跳閘率將會迅速上升。因此，建議同塔四回線路豎塔避雷線保護角不大于－2.5°。橫塔的防繞擊性能優(yōu)越，在保護角 －10°～5°范圍內(nèi)，其繞擊跳閘率均為0，因此建議橫塔采用國網(wǎng)公司建議保護角，保護角小于0°。

(5)對于同塔四回線路，架設單耦合地線與三避雷線均可以提高線路反擊耐雷水平，并且在桿塔接地電阻越大時，改造效果越明顯。對比這2種方案，架設三避雷線可以更為有效提高線路耐雷水平，但三避雷線架設難度大于耦合地線方案，因此應根據(jù)實際情況選擇耦合地線方式。

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