周志成，趙賢根，楊 英，劉 洋，路永玲，楊 瑞

（1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211103；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

國內(nèi)外的運行經(jīng)驗表明繞擊是造成500k V超高壓輸電線路雷擊跳閘的主要原因［1－3］。以江蘇省超高壓輸電線路為例，僅500 k V興斗5294線的56號桿塔就于2009-03-21、2010-07-22和 2011-07-18連續(xù)三年遭雷電繞擊而導(dǎo)致生線路跳閘，嚴重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

500 k V興斗5294線的56號桿塔為雙回直線轉(zhuǎn)角塔（型號：SZJ2）。直線轉(zhuǎn)角塔的絕緣子串一般偏離垂直線較大的角度，該偏角的存在，導(dǎo)致直線轉(zhuǎn)角塔的耐雷性能與直線塔有所區(qū)別，尤其是雷電繞擊性能。直線轉(zhuǎn)角塔絕緣子串偏離垂直線角度是線路建成后因掛設(shè)導(dǎo)線的力學(xué)平衡關(guān)系而自然形成的角度，在線路和桿塔設(shè)計之初，并不能準確地給出直線轉(zhuǎn)角塔的絕緣子串偏角，故無法準確評估其耐雷性能，導(dǎo)致線路建成后可能會留有隱患。

直線轉(zhuǎn)角塔已經(jīng)大量應(yīng)用于江蘇省超高壓輸電線路，但目前針對直線轉(zhuǎn)角塔的防雷保護分析，國內(nèi)外還未見諸報道。因此，針對已投入使用的直線轉(zhuǎn)角塔線路段，根據(jù)絕緣子串偏離垂直線的實際角度，系統(tǒng)評估直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊耐雷性能，對保障輸電線路的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。

目前，用于評價線路繞擊耐雷性能的方法主要有規(guī)程法［4］，電氣幾何模型［5－8］，先導(dǎo)發(fā)展模型［9－11］和繞擊概率模型［12，13］。其中，電氣幾何模型法（EGM）將雷電的放電特性同線路的結(jié)構(gòu)尺寸聯(lián)系起來，通過擊距描述導(dǎo)體的引雷能力，從物理上很好地解釋了線路屏蔽失效的原因，其結(jié)果與近二三十年的運行結(jié)果基本符合，因而得到廣泛應(yīng)用［14］。本文將采用電氣幾何模型，研究桿塔呼高和絕緣子串偏角對雙回直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊耐雷性能的影響，分析雙回直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊閃絡(luò)跳閘故障，并提出相應(yīng)的防雷改造措施。

1 計算分析條件

計算工具采用華中科技大學(xué)自主開發(fā)的輸電線路防雷分析系統(tǒng)（LPTL V1.2）［15］。LPTL V1.2內(nèi)置了電氣幾何模型分析方法，可以考慮輸電線路桿塔的具體結(jié)構(gòu)、不同地形地貌，同時可以選擇計算方法的不同參數(shù)。

本文采用電氣幾何模型時選擇的計算條件如下：

擊距公式采用IEEE委員會于1997年推薦的公式［16］r＝a·Ib，其中a＝10，b＝0.65。

雷電先導(dǎo)對地擊距與對導(dǎo)線擊距的比值取0.8，雷電先導(dǎo)對地線擊距與對導(dǎo)線擊距的比值取1。

計算考慮雷電入射角，先導(dǎo)入射角概率密度函數(shù)如式（1）所示，其中m和km按照日本學(xué)者的推薦分別取3和0.75。

2 500 kV直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊耐雷性能

2.1 線路導(dǎo)、地線坐標計算

直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路轉(zhuǎn)角如圖1所示，其中α為線路轉(zhuǎn)角角度。實際工程中α較小，江蘇省超高壓輸電線路資料統(tǒng)計結(jié)果表明，直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路轉(zhuǎn)角均不超過20°，一般小于10°。

圖1 直線轉(zhuǎn)角塔處線路轉(zhuǎn)角示意圖

因為線路走向變化，直線轉(zhuǎn)角塔絕緣子串會出現(xiàn)一定的傾斜，傾斜的程度與線路轉(zhuǎn)角大小、線路檔距等因素相關(guān)，本報告中用絕緣子串偏角θ來描述絕緣子串的傾斜程度，如圖2所示，根據(jù)工程經(jīng)驗，絕緣子串偏角θ一般取20°～60°。

圖2 直線轉(zhuǎn)角塔絕緣子串偏角示意

EGM計算分析輸電線路的繞擊耐雷性能，需要圖2-1中導(dǎo)、地線在輸電線路斷面的坐標。根據(jù)桿塔尺寸和絕緣子串長度計算的導(dǎo)、地線坐標位于桿塔截面，在轉(zhuǎn)角塔處桿塔截面與線路斷面的夾角為線路轉(zhuǎn)角的1／2，即α／2。桿塔截面坐標投影至線路斷面處，需要乘以cos（α／2）。由于直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的轉(zhuǎn)角α比較小，取最大值α＝20°，此時cos（α／2）＝0.98，因此直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊耐雷性能分析可以采用導(dǎo)、地線在桿塔截面處的坐標。

2.2 繞擊耐雷性能分析

本文選取三種典型的雙回直線轉(zhuǎn)角塔，SZJ1、SZJ2和SZJ16，桿塔結(jié)構(gòu)如圖3所示?；痉抡鎱?shù)如下：地線型號LGJ-95／553，直徑16.0 mm；導(dǎo)線型號4×LGJQ-400／35，分裂間距450 mm，子導(dǎo)線直徑27.36 mm；絕緣子型號2× 28×XWP2-160，計算時絕緣子串串長取4.8 m，最小閃絡(luò)距離取4.34 m。取雷電日40天，地閃密度2.78次／（100 km2·年），雷電流幅值概率密度分布可計算為

其中，a取31，b取2.6。

圖3 雙回直線轉(zhuǎn)角塔結(jié)構(gòu)圖

為研究桿塔呼高和絕緣子串偏角對直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊耐雷性能的影響，本文計算中呼高取27、30、33、36、39、42 m，絕緣子串偏角θ取 20、30、40、50、60°，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊耐雷性能計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，SZJ1、SZJ2和SZJ16三種雙回路直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊跳閘率均隨桿塔呼高增加而增加，但是隨著絕緣子串偏角變化的規(guī)律并不相同，其中，SZJ1和SZJ16兩種直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊跳閘率隨絕緣子串偏角增加而增大，而SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊跳閘率隨絕緣子串偏角增加先減少后增大，在40°左右達到最小值，這是因為絕緣子串偏角增大的過程中，直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路內(nèi)側(cè)導(dǎo)線保護角增加，繞擊跳閘率增加，線路外側(cè)導(dǎo)線保護角減小，繞擊跳閘率降低，增加和降低的相對速度決定了輸電線路總跳閘率的變化趨勢。對比三種雙回路直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊跳閘率，SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔的輸電線路繞擊跳閘率遠高于其他兩種，防雷改造中需要重點關(guān)注SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路。

3 典型500 kV直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊跳閘事故分析

繞擊耐雷性能分析結(jié)果表明，SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊跳閘率偏高，線路實際運行經(jīng)驗也證明這一點。江蘇省500 k V興斗5294線的56號桿塔，型號SZJ2，呼高33 m，桿塔如圖5所示，該直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路于2009-03-21 07：31、2010-07-22 17：52和2011-7-18 17：50發(fā)生三次繞擊閃絡(luò)跳閘，兩次繞擊跳閘故障均發(fā)生在線路轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)B相。

采用第1節(jié)介紹的EGM模型及其參數(shù)，對56號桿塔的繞擊耐雷性能進行分析，分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，56號桿塔IIB相導(dǎo)線的繞擊率最高，繞擊跳閘率最大，與實際運行情況一致。

圖5 500 k V興斗5294線的56號桿塔

表1 56號桿塔繞擊耐雷性能分析結(jié)果

4 防雷保護分析

表2 繞擊跳閘率與桿塔呼高、保護角的關(guān)系

仿真結(jié)果與運行經(jīng)驗表明，SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路繞擊跳閘率較高。為降低SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔線路繞擊跳閘風險，本文分析了減小保護角對改善其繞擊耐雷性能的影響。表2給出了不同呼高的SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔線路的繞擊跳閘率與線路保護角的關(guān)系，根據(jù)國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《110（66）k V～500 k V架空輸電線路管理規(guī)范》，500 k V繞擊跳閘率小于0.126次／100 km·年時，風險等級為A，為將SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔線路的繞擊跳閘風險限制在A等級以下，本文給出了不同呼高情況下保護角的推薦值，如表3所示。

表3 保護角推薦值

5 結(jié)論

（1）本文針對SZJ1、SZJ2和SZJ16共3種典型直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路，采用電氣幾何模型法（EGM）分析了呼高和絕緣子串偏角對其繞擊耐雷性能的影響，結(jié)果表明：3種直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊跳閘率均隨呼高增加而變大；SZJ1和SZJ16直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊跳閘率隨絕緣子串偏角增加而增大，但SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊跳閘率隨絕緣子串偏角增加先減少后增大；SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的繞擊跳閘率偏高，需要采用防雷電繞擊措施，以保證線路的安全運行。

（2）利用電氣幾何模型法（EGM）開展江蘇省500 k V興斗5294線的56＃桿塔兩次繞擊跳閘事故分析，計算結(jié)果與運行情況一直，驗證分析模型和導(dǎo)地線坐標處理方法的合理性，能夠使直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路防雷設(shè)計和運行更具針對性和科學(xué)性。

（3）給出不同呼高SZJ2直線轉(zhuǎn)角塔輸電線路的保護角推薦值，為江蘇電網(wǎng)500 k V雙回路直線轉(zhuǎn)角塔線路的防雷改造提供指導(dǎo)。

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