溫靈長(zhǎng)，孫菊海

（陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西西安 710054）

雙回750 kV與雙回330 kV交流輸電線路同塔架設(shè)，可增大單位輸電線路走廊的輸送容量，節(jié)省線路走廊和工程投資，是解決線路通道問題的優(yōu)選方案，尤其是在走廊特別緊張的地區(qū)顯得更加突出。因此開展750 kV與330 kV混壓同塔四回路輸電線路的耐雷性能等關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)目前開展的750 kV西安南輸變電工程建設(shè)具有很大的促進(jìn)作用和十分重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 計(jì)算用參數(shù)

1.1 線路桿塔

根據(jù)工程實(shí)際走廊情況規(guī)劃了兩種塔型，如圖1所示。A型塔上面兩回為750 kV，下面兩回為330 kV，均為垂直排列，以下簡(jiǎn)稱A型塔；B型塔上面兩回為750 kV，為垂直排列，下面兩回為330 kV，為倒三角形排列，以下簡(jiǎn)稱B型塔。

1.2 線路參數(shù)

750 kV線路導(dǎo)線型號(hào)：6×JL3/LHA1-365/165鋁合金芯高導(dǎo)鋁絞線，分裂間距400 mm。

330 kV線路導(dǎo)線型號(hào)：4×JL3/G1A-400/35高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線，分裂間距400 mm。

地線一根采用JLB20A-150鋁包鋼絞線，一根采用OPGW-150光纜。

2 線路雷電反擊性能

2.1 雷電反擊計(jì)算模型

2.1.1 桿塔模型的建立

由于本次仿真計(jì)算的750/330 kV混壓同塔四回桿塔高度較高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以基于垂直導(dǎo)體不同高度處的波阻抗是不同的原理。建立750/330 kV混壓同塔四回桿塔的等效多波阻抗電磁暫態(tài)仿真模型[1-2]，兩種方案的建模示意圖如圖2所示。圖2中，ZTk為主支架等效波阻抗；ZAk為橫擔(dān)等效波阻抗；ZLk為輔助支架等效波阻抗；Rg為桿塔的沖擊接地電阻。其中k=1~6。

圖1 典型桿塔尺寸Fig.1 Sizes of typical tower

根據(jù)已知的750/330 kV混壓同塔四回桿塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以計(jì)算得到兩種方案桿塔的等值參數(shù)多波阻抗模型，如表1、表2所示。

2.1.2 電源模型的建立

1）雷電流源模型的建立。雷電的物理過程雖然復(fù)雜，但是從地面感受的實(shí)際效果和防雷保護(hù)的工程實(shí)用角度，可以把它簡(jiǎn)化為一個(gè)沿著一條固定波阻抗的雷電通道向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄟ^程，據(jù)此建立計(jì)算模型，見圖3。

對(duì)于750 kV系統(tǒng)線路，其反擊耐雷水平通常大于100 kA，當(dāng)I>100 kA時(shí)，Z0穩(wěn)定于300 Ω附近，在反擊計(jì)算中雷電流幅值很高，Z0較小可以取為300 Ω，而雷電流波形選用2.6/50 μs的等值斜角波[3]。

圖2 桿塔的多波阻抗模型Fig.2 The model of multi-waves impedance of tower

表1 A型塔的多波阻抗模型參數(shù)Tab.1 Characteristics of multi-waves impedance model of tower A

表2 B型塔的多波阻抗模型參數(shù)Tab.2 Characteristics of multi-waves impedance model of tower B

2）工頻電壓源模型。工作電壓是線路正常工作時(shí)加在導(dǎo)線上的電壓。當(dāng)雷擊塔頂時(shí)，利用ATPEMTP[4-5]可計(jì)算出桿塔各節(jié)點(diǎn)處電壓，通過分析絕緣子串兩端電壓是否大于臨界放電電壓U50%，即可確定線路的耐雷水平。在本次仿真計(jì)算中，不但考慮了750 kV、330 kV四回路的工作電壓和雷擊塔頂時(shí)感應(yīng)電壓[6]，而且計(jì)入了沖擊電暈的影響。固定雷電流波形的波頭和波尾時(shí)間，通過不斷改變雷電流幅值，直到使絕緣子串恰好閃絡(luò)為止，此時(shí)的雷電流即為線路的反擊耐雷水平。

圖3 雷電流源等值電路Fig.3 The equivalent circuit of the lightning current

本次計(jì)算中為使防雷分析更加準(zhǔn)確，在計(jì)入線路工作電壓影響時(shí)按750 kV、330 kV輸電系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓（800 kV、363 kV）的有效值來計(jì)算。轉(zhuǎn)換為單相電壓后幅值分別為653.2 kV和296.3 kV，相角均為45°，輸入到ATP-EMTP的交流電壓源模型中即可。

2.1.3 輸電線路模型的建立

本次仿真計(jì)算的750 kV與330 kV混壓同塔四回路共有14條線路，由于ATP自帶的LCC模塊最多可以設(shè)置9條線路，計(jì)算時(shí)采用了自建的14回路LCC模塊。

2.1.4 雷擊塔頂時(shí)導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓

由于雷擊塔頂時(shí)，迅速向上發(fā)展的主放電引起周圍空間電磁場(chǎng)的突然變化，也會(huì)在架空線路的導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，該感應(yīng)過電壓的極性與雷電流的極性相反；同時(shí)由于避雷線與導(dǎo)線的耦合產(chǎn)生了電磁屏蔽作用，使得導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓降低，所以此時(shí)作用在導(dǎo)線上的附加電壓要考慮到耦合和感應(yīng)兩部分的作用。

按照GB/T 50064“交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范”給出的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中，a為雷電流陡度，kA/μs；kb為主放電速度與光速c的比值，I為雷電流瞬時(shí)值，kA；hc，t為導(dǎo)線在桿塔處的懸掛高度，m；ht，av為地線對(duì)地平均高度，m；dR為雷擊桿塔時(shí)，迎面先導(dǎo)的長(zhǎng)度，dR=5I0.65，m；k0為地線與導(dǎo)線間的耦合系數(shù)。

2.1.5 絕緣子串模型的建立

在EMTP-ATP仿真計(jì)算軟件中，將絕緣子串等效為壓控開關(guān)，絕緣子串的沖擊閃絡(luò)電壓U50%則為開關(guān)的導(dǎo)通電壓，計(jì)算得到750 kV線路的33片懸式瓷絕緣子串的沖擊閃絡(luò)電壓U50%約為2822 kV；計(jì)算中考慮到感應(yīng)電壓的影響，故壓控開關(guān)導(dǎo)通電壓設(shè)置為（2822 kV-Ui），330 kV線路的19片懸式瓷絕緣子串的沖擊閃絡(luò)電壓U50%約為1645 kV；計(jì)算中考慮到感應(yīng)電壓的影響，故壓控開關(guān)導(dǎo)通電壓設(shè)置為（1645 kV-Ui’）。

2.2 反擊跳閘率的計(jì)算

當(dāng)雷擊線路桿塔塔頂時(shí)，根據(jù)電磁暫態(tài)程序法和3.1節(jié)雷電反擊計(jì)算模型，以絕緣子串的U50%為閃絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，固定雷電流波形的波頭和波尾時(shí)間，通過不斷改變雷電流幅值，恰好引起絕緣子閃絡(luò)時(shí)即可確定線路的反擊耐雷水平。

對(duì)反擊跳閘率的計(jì)算，常用的計(jì)算公式見式（2）。

式中，N為每100 km線路每年遭受雷擊的次數(shù)；g為擊桿率，山丘1/4、平原1/6；η為建弧率；P1為雷電流幅值超過雷擊桿塔耐雷水平的概率。

只要雷電流幅值超過線路的耐雷水平，就會(huì)引起線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)。但只有在沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的工頻電弧時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致線路跳閘。在線路沖擊閃絡(luò)的總數(shù)中，可能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定工頻電弧的比例，稱為建弧率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的分析結(jié)果，建弧率可按式（3）計(jì)算。

式中，η為建弧率；E為絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度，kV/m。

本次仿真計(jì)算的750/330 kV同塔四回鐵塔位于關(guān)中地區(qū)，屬西北地區(qū)，故雷電流產(chǎn)生概率可由式（4）計(jì)算得到

式中，I為雷電流幅值，kA。

線路落雷次數(shù)N指每100 km線路每年遭受雷擊的次數(shù)，次/（100 km·a），計(jì)算公式見式（5）。

式中，Ng為落雷次數(shù)，次/（km2·a）；hT為桿塔高度，m；b為兩根地線之間的距離，m。

2.3 反擊耐雷性能計(jì)算結(jié)果

由于750/330 kV混壓同塔四回桿塔兩側(cè)線路排布完全對(duì)稱，不平衡度極小，所以如果兩側(cè)采用相同相序，則單回路耐雷水平將和雙回路耐雷水平相差很小（即一旦發(fā)生閃絡(luò)就是同電壓等級(jí)的雙回線路一起閃絡(luò)），容易發(fā)生危害較大的雙回路同時(shí)閃絡(luò)故障，故建議不采用同相序，或者可以小幅度增加單側(cè)絕緣子片數(shù)或結(jié)構(gòu)布置，實(shí)現(xiàn)桿塔兩側(cè)的弱不平衡。

本次計(jì)算采用的相序?yàn)槟嫦嘈?，?jì)算考慮接地電阻為7 Ω和10 Ω兩種情況。

A型塔桿塔結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果見表3—表5。

表3 750 kV/330 kV同塔四回路反擊耐雷水平（A型塔）Tab.3 The lightning counterattack level of the quadruplecircuit transmission line on the same tower with different voltages 750 kV/330 kV（tower A）

在兩種電壓等級(jí)的線路中，750 kV線路通常先于330 kV線路閃絡(luò)，即單回雷擊閃絡(luò)就是750 kV線路單回反擊閃絡(luò)概率；隨著雷電流的增加，會(huì)發(fā)生兩回線路同時(shí)閃絡(luò)的情況，計(jì)算結(jié)果顯示，接地電阻為7 Ω時(shí)通常是兩回750 kV線路同時(shí)閃絡(luò)，接地電阻為10 Ω時(shí)也會(huì)出現(xiàn)單回750 kV和單回330 kV同時(shí)閃絡(luò)的現(xiàn)象；隨著雷電流的進(jìn)一步增加，會(huì)發(fā)生兩回750 kV線路和一回330 kV線路同時(shí)閃絡(luò)的三回線路同時(shí)閃絡(luò)的現(xiàn)象。

表5 750 kV/330 kV輸電線路反擊跳閘率計(jì)算結(jié)果（A型塔）Tab.5 The lightning counterattack tripping rate results of the quadruple-circuit transmission line on the same tower with different voltages 750 kV/330 kV（tower A）

隨著雷電流的增大，線路也會(huì)出現(xiàn)四回線路同時(shí)閃絡(luò)的現(xiàn)象，但這需要的雷電流幅值至少在200 kA以上，發(fā)生概率極小。

B型塔的反擊耐雷水平計(jì)算結(jié)果見表6—表8。

表6 750 kV/330 kV同塔四回路反擊耐雷水平（B型塔）Tab.6 The lightning counterattack level of the quadruplecircuit transmission line on the same tower with different voltages 750 kV/330 kV（tower B）

表7 750 kV/330 kV同塔四回路反擊耐雷水平計(jì)算結(jié)果（B型塔）Tab.7 The lightning counterattack level results of the quadruple-circuit transmission line on the same tower with different voltages 750 kV/330 kV（tower B）

表8 750 kV/330 kV輸電線路反擊跳閘率計(jì)算結(jié)果（B型塔）Tab.8 The lightning counterattack tripping rate results of the 750 kV/330 kV transmission line（tower B）

與前一種塔形類似，在兩種電壓等級(jí)的線路中，750 kV線路通常先于330 kV線路閃絡(luò)，即單回雷擊閃絡(luò)就是750 kV線路單回反擊閃絡(luò)概率；隨著雷電流的增加，會(huì)發(fā)生兩回線路同時(shí)閃絡(luò)的情況。計(jì)算結(jié)果顯示，通常是單回750 kV和單回330 kV同時(shí)閃絡(luò)，這與A型塔的現(xiàn)象不同；隨著雷電流的進(jìn)一步增加，會(huì)發(fā)生三回線路同時(shí)閃絡(luò)的現(xiàn)象，當(dāng)接地電阻為7 Ω時(shí)，通常是“兩回750 kV和單回330 kV”的閃絡(luò)現(xiàn)象，當(dāng)接地電阻為10 Ω時(shí)，通常是“單回750 kV和兩回330 kV”的閃絡(luò)現(xiàn)象。

與A型塔似，線路出現(xiàn)四回線路同時(shí)閃絡(luò)需要的雷電流幅值至少在200 kA以上，發(fā)生概率極小。

750/330 kV混壓同塔四回輸電線路的反擊跳閘率略高于750 kV同塔雙回輸電線路[2]。

2.4 分析與比較

2.4.1 兩種方案反擊耐雷性能的比較

從表9、表10中的數(shù)據(jù)可以看到，A型塔的330 kV線路的反擊耐雷性能要優(yōu)于B型塔的桿塔塔形，750 kV線路的反擊耐雷性能則劣于B型塔，并且當(dāng)接地電阻增大時(shí)，兩種方案的差異會(huì)增大。

表9 兩種方案桿塔反擊耐雷性能比較Tab.9 Comparison of the lightning counterattack performance between two schemes

表10 兩種方案桿塔反擊耐雷性能比較Tab.10 Comparison of the lightning counterattack performance between two schemes

2.4.2 接地電阻的影響分析

從表9、表10中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)接地電阻由7 Ω增加至10 Ω時(shí)，不論是A型塔還是B型塔，系統(tǒng)的反擊耐雷性能均會(huì)明顯變差，并且對(duì)于兩回以上的多回線路同時(shí)閃絡(luò)的影響更大。比如對(duì)于A型塔，接地電阻為10 Ω時(shí)的單回反擊跳閘率是7 Ω時(shí)的1.52倍，雙回反擊跳閘率是7 Ω時(shí)的2.1倍，三回反擊跳閘率是7 Ω時(shí)的8.1倍，四回反擊跳閘率是7 Ω時(shí)的38倍。因此，在實(shí)際的工程建設(shè)中，應(yīng)盡量減小桿塔的沖擊接地電阻。

3 輸電線路雷電繞擊性能的計(jì)算

3.1 繞擊耐雷性能計(jì)算方法

對(duì)繞擊采用電氣幾何模型[6-8]，對(duì)于高桿塔先導(dǎo)入射角ψ的概率分布密度函數(shù)Pg（ψ）的表達(dá)式見式（6）。

雷電流繞擊導(dǎo)線時(shí)，并非所有的繞擊都會(huì)引起絕緣子串閃絡(luò)。只有當(dāng)雷電流在導(dǎo)線上引起的電壓大于絕緣子串U50%放電電壓時(shí)才能導(dǎo)致線路絕緣閃絡(luò)。雷電為負(fù)極性時(shí)，繞擊耐雷水平可由式（7）確定：

式中，Imin為繞擊耐雷水平，kA；U-50%為絕緣子負(fù)極性50%閃絡(luò)電壓絕對(duì)值，kV；Z0為閃電通道波阻抗，Ω；ZC為導(dǎo)線波阻抗，Ω；Uph為導(dǎo)線上持續(xù)運(yùn)行相電壓的瞬時(shí)值，kV。

在計(jì)算Imax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)，詳見式（8）[9]、（9）[10-11]、（10）[9，12]，需要采用MATLAB進(jìn)行迭代計(jì)算：

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。

在確定繞擊耐雷水平和最大繞擊電流之后，綜合考慮雷電先導(dǎo)的入射隨機(jī)性，得到繞擊跳閘率n2的計(jì)算公式見式（11）[12]，單位：次/（100 km·a）。

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。

3.2 繞擊耐雷性能計(jì)算結(jié)果

利用EMTP-ATP仿真計(jì)算程序建立750/330 kV混壓同塔四回桿塔模型與線路模型后，分析計(jì)算750 kV與330 kV輸電線路的最大繞擊雷電流、繞擊耐雷水平與繞擊跳閘率。

A型塔的繞擊耐雷水平計(jì)算結(jié)果見表11—表14。

由式（9）可知，線路的繞擊耐雷水平和最大繞擊電流與線路的瞬時(shí)工作相關(guān)，750 kV和330 kV線路工作電壓周期變化時(shí)的耐雷水平和最大繞擊電流如表11、表12所示。

從表11和表12的計(jì)算結(jié)果中可以看到，A型塔對(duì)于下方的330 kV線路，由于上方地線、750 kV線路和下方大地的屏蔽保護(hù)，可以成功繞擊于其上的雷電流很小，基本上不會(huì)大于10 kA。這種幅值的電流低于330 kV線路的繞擊耐雷水平，即使繞擊于330 kV線路上，也不會(huì)造成絕緣子的閃絡(luò)從而發(fā)生跳閘事故。

表11 750 kV線路耐雷水平和最大繞擊電流（A型塔）Tab.11 The lightning resistance level of the 750 kV power transmission line and the most shielding electric current（tower A）

表12 330 kV線路耐雷水平和最大繞擊電流（A型塔）Tab.12 The lightning resistance level of the 330 kV power transmission line and the most shielding electric current（tower A）

表13 750 kV輸電線路繞擊性能計(jì)算結(jié)果（A型塔）Tab.13 The lightning shielding performance results of the 750 kV power transmission line（tower A）

表14 330 kV輸電線路繞擊性能計(jì)算結(jié)果（A型塔）Tab.14 The lightning shielding performance results of the 330 kV power transmission line（tower A）

B型塔的繞擊耐雷水平計(jì)算結(jié)果見表15—表18。

對(duì)于B型塔結(jié)構(gòu)，位于第四橫擔(dān)內(nèi)側(cè)的330 kV線路位置特殊，由于同高的外側(cè)330 kV的保護(hù)，不會(huì)發(fā)生雷電繞擊于其上的現(xiàn)象，故省略其計(jì)算。

從表15和表16的計(jì)算結(jié)果中可以看到，與A型塔類似，B型塔對(duì)于下方的330 kV線路，由于上方地線、750 kV線路和下方大地的屏蔽保護(hù)，可以成功繞擊于其上的雷電流低于330 kV線路的繞擊耐雷水平，即使繞擊于330 kV線路上，也不會(huì)造成絕緣子的閃絡(luò)從而發(fā)生跳閘事故。

3.3 分析與比較

3.3.1 兩種方案繞擊耐雷性能的比較

兩種方案繞擊耐雷性能的比較見表19。

從表19中的數(shù)據(jù)可以看到，兩種方案的繞擊耐雷性能都是比較優(yōu)良的，下側(cè)的330 kV線路基本均不會(huì)發(fā)生繞擊閃絡(luò)故障，對(duì)于上側(cè)的兩回750 kV線路，B型塔對(duì)各相的保護(hù)效果略優(yōu)于A型塔?？傮w來說，兩種方案下各相線路發(fā)生繞擊跳閘事故的概率均低于0.001，發(fā)生概率很低。

3.3.2 保護(hù)角對(duì)繞擊率的影響

研究避雷線不同保護(hù)角對(duì)線路繞擊率的影響，由于同塔四回桿塔下層330 kV線路基本不會(huì)發(fā)生繞擊跳閘現(xiàn)象，在這里僅對(duì)上層750 kV線路進(jìn)行討論，計(jì)算結(jié)果見表20。從表20中的數(shù)據(jù)可以看到，無論對(duì)于哪種方案，當(dāng)避雷線保護(hù)角增大時(shí)，750 kV各相導(dǎo)線的繞擊率均隨著增加，當(dāng)保護(hù)角減小時(shí)，線路的繞擊率則隨之減小，因此從降低繞擊率的角度出發(fā)，桿塔塔形設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小避雷線的保護(hù)角。

表15 750 kV線路耐雷水平和最大繞擊電流（B型塔）Tab.15 The lightning resistance level of 750 kV power transmission line and the most shielding electric current（tower B）

表16 330 kV線路耐雷水平和最大繞擊電流（B型塔）Tab.16 The lightning resistance level of 330 kV power transmission line and the most shielding electric current（tower B）

表17 750 kV輸電線路繞擊性能計(jì)算結(jié)果（B型塔）Tab.17 The lightning shielding performance results of the 750 kV power transmission line（ tower B）

表18 330 kV輸電線路繞擊性能計(jì)算結(jié)果（B型塔）Tab.18 The lightning shielding performance results of the 330 kV power transmission line（ tower B）

表19 750 kV/330 kV混壓同塔四回輸電線路兩種塔型的繞擊耐雷性能比較Tab.19 The comparison of the lightning protection performance of shielding failure between two tower types in quadruple-circuit transmission line and the dual voltage 750 kV/330 kV on the same tower

表20 不同保護(hù)角對(duì)線路繞擊率的影響Tab.20 The influence on the power transmission line shielding rate with different protecting angles

4 結(jié)論

1）塔型A的330 kV線路反擊耐雷性能要優(yōu)于塔型B，750 kV線路的反擊耐雷性能則劣于塔型B，并且當(dāng)接地電阻增大時(shí)，反擊耐雷性能均會(huì)明顯變差，并且對(duì)于兩回以上的多回線路同時(shí)閃絡(luò)的影響更大。因此，在實(shí)際工程建設(shè)中，應(yīng)盡量減小桿塔的沖擊接地電阻。

2）兩種塔型的繞擊耐雷性能都是比較優(yōu)良的，各相線路發(fā)生繞擊跳閘事故的概率均低于0.001，發(fā)生概率很低。下側(cè)的兩回330 kV線路均不會(huì)發(fā)生繞擊閃絡(luò)故障，對(duì)上側(cè)的兩回750 kV線路，B型塔對(duì)各相的保護(hù)效果略優(yōu)于A型塔。

3）減小地線的保護(hù)角，混壓四回線路的雷電繞擊跳閘率明顯減低。建議進(jìn)一步減小地線保護(hù)角。

4）兩種塔型的防雷性能均滿足要求，但A塔型相對(duì)較高，鐵塔較重，B塔型走廊寬度要求相對(duì)較大，房屋拆遷量較大，750 kV西安南輸變電工程750 kV與330 kV混壓四回路段最終采用何種塔型，還需通過其他電氣性能計(jì)算和工程房屋拆遷量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

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