于競哲，周 浩

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

0 引言

國內(nèi)外運行經(jīng)驗和研究表明，雷擊是導致架空線路跳閘的重要原因，且隨著電壓等級的升高，繞擊在雷擊跳閘事故中所占的比重逐漸增大［1-2］。在輸電線路的設計階段或其投入運行后，對易發(fā)生繞擊的線路采取有針對性的防繞擊措施，以較低的代價進一步提高線路運行的安全性，是很有意義的。

傳統(tǒng)的防繞擊措施主要是減小避雷線的保護角，但在實際應用時會受到較多限制，尤其在山地區(qū)域。而且對于已建成的線路，通過改變塔頭結(jié)構來減小保護角較為困難。因為避雷針比避雷線更易產(chǎn)生迎面放電去攔截下行先導，有更強的引雷能力，所以文獻［3］提出可在避雷線上架設水平側(cè)向短針以增強線路的防繞擊能力。但根據(jù)文獻［4］，此方法并沒有起到預期效果且對避雷線的機械性能產(chǎn)生了負面影響。而對于斜山坡的坡面外側(cè)導線，文獻［5］提出了在斜山坡和山頂?shù)囟渭茉O旁路屏蔽避雷線以補償?shù)孛娴囊啄芰?。此方法雖有較好的防繞擊效果，但實施起來有一定難度且增加了工程成本。目前，較為常用的防雷改造方式是在桿塔上安裝線路型避雷器，但這種改造方式成本較高，且安裝和維護工作量較大［6］。

文獻［7］提出在桿塔橫擔上安裝側(cè)向避雷針來保護桿塔附近的導線以降低繞擊跳閘率。側(cè)向避雷針為一種具有尖端的金屬細棒（以下簡稱側(cè)向針），常用角鋼安裝在桿塔橫擔外側(cè)，能引導雷電先導朝針的尖端發(fā)展，將繞擊轉(zhuǎn)化為反擊。因為輸電線路的反擊耐雷水平要遠高于繞擊耐雷水平，所以通過側(cè)向針將繞擊轉(zhuǎn)化為反擊后，只要線路的反擊耐雷水平足夠高，一般不會造成線路跳閘。因此，側(cè)向針可保護輸電線路的桿塔周圍的重點繞擊危險區(qū)，從而降低線路繞擊跳閘率［8-11］。同時，側(cè)向針在金華電力局110 kV德姜線及浙江、江西等地的高壓工程中也有令人滿意的繞擊保護效果，其防繞擊作用被證實是有效的。

相關研究表明，在桿塔附近區(qū)域，因桿塔導致的電場畸變將產(chǎn)生引雷作用，導線不能得到有效屏蔽保護，致使桿塔附近區(qū)域的線路繞擊率大幅提高。同時由于弧垂效應，桿塔附近避雷線的保護角一般大于檔距中部，也使得繞擊集中在桿塔附近。因此，高壓輸電線路的繞擊多發(fā)生在桿塔附近區(qū)域。文獻［12］通過相關模型試驗得出，桿塔附近的繞擊率確實遠高于檔距中央?yún)^(qū)域，高壓輸電線路的繞擊多發(fā)生于桿塔兩側(cè)線路約30 m的范圍內(nèi)。

對于特高壓輸電線路，因為其反擊耐雷水平很高，發(fā)生反擊的可能性極小，雷擊跳閘都是由繞擊造成的。由于其桿塔很高且弧垂大，桿塔附近區(qū)域的繞擊更為嚴重，尤其是耐張、轉(zhuǎn)角桿塔。前蘇聯(lián)特高壓線路運行經(jīng)驗表明，繞擊跳閘多發(fā)生在轉(zhuǎn)角、耐張桿塔附近。此外，在浙江省內(nèi)運行的1000 kV浙北—福州交流線路，曾在麗水境內(nèi)發(fā)生一次繞擊雷擊跳閘，發(fā)生位置就是在單回路耐張塔的跳線上。因此，對于特高壓輸電線路桿塔，尤其是耐張、轉(zhuǎn)角桿塔，進行有效的防繞擊保護具有重要意義。本文提出可以在特高壓輸電線路中應用側(cè)向針針對性地保護桿塔附近的繞擊危險區(qū)域，并根據(jù)三維EGM模型對側(cè)向針的保護效果進行了仿真計算。

1 仿真模型與計算方法

文獻［7］提出利用三維EGM模型來計算側(cè)向針的防繞擊距離。本節(jié)在此基礎上考慮特高壓輸電線路工頻電壓對導線擊距的影響對算法進行改進，并且在算法中加入了地面傾角和風偏角變量，以觀察其對側(cè)向針保護距離的影響。

1.1 線路的屏蔽系統(tǒng)模型

擊距理論是EGM模型的核心［13-14］，本文采用IEEE std 1234—1997［15］推薦的擊距公式：

其中，rs1為雷電對避雷線的擊距（m）；I為雷電流的幅值（kA）。地面的擊距取為相同雷電流幅值下避雷線擊距的kg倍，側(cè)向針的擊距取為相同雷電流幅值下避雷線擊距的k倍，kg、k均為擊距系數(shù)。

對于特高壓輸電系統(tǒng)，工頻電壓可占到絕緣子串放電電壓U50%的15%～20%，所以有必要考慮其對導線擊距的影響?？紤]工頻電壓影響后，擊距的計算式修正如下：

其中，rs2為考慮工頻電壓影響后的雷電對導線的擊距（m）；uph為導線上工頻相電壓瞬時值（MV）。

圖1為單回輸電線路的屏蔽系統(tǒng)模型圖，其中位于與桿塔相距 d 的二維平面上，其中分別為避雷線和地面屏蔽弧為導線暴露弧。

圖1 輸電線路屏蔽系統(tǒng)模型Fig.1 Model of lightning shielding system of transmission line

沿檔距方向，導線上各點的暴露弧將連成如圖1所示曲面BCEF，即外側(cè)導線在避雷線和地面屏蔽系統(tǒng)下的三維繞擊暴露曲面。因為側(cè)向針的放電發(fā)生在尖端上，所以可用一個以針尖P為球心，以擊距krs1為半徑的球面來表示其擊距曲面，即圖1中的球P。當屏蔽球P的球面與暴露曲面BCEF存在交集時，由擊距理論可知側(cè)向針可以屏蔽位于球P內(nèi)的導線暴露曲面。

圖2為與桿塔相距d的二維平面的斷面圖。圖中，坐標系以點 O 為原點，避雷線坐標為（0，y1），導線坐標為（x2，y2），在計算避雷線和導線坐標時還應考慮弧垂的影響；M、N分別為避雷線和外側(cè)導線在該平面上的點；導線的風偏角為α1，導線在風的作用下按逆時針方向偏移時角度為正；地面傾角為α2，地面按順時針方向偏移時角度為正。

圖2 線路屏蔽系統(tǒng)模型的二維斷面圖Fig.2 2D section diagram of lightning shielding system

本文所用模型正是在避雷線和地面屏蔽系統(tǒng)的基礎上，考慮了屏蔽球P對暴露曲面BCEF的屏蔽效果，以計算側(cè)向針的保護距離，并考慮了風偏角α1、地面傾角α2以及側(cè)向針的長度對保護距離的影響。

1.2 側(cè)向針的保護距離計算方法

如圖1所示，對于某一雷電流幅值I，當導線上點N的整條暴露弧都在屏蔽球P的球面內(nèi)時，表明其受到側(cè)向針的完全屏蔽。為了計算側(cè)向針的保護距離，增加點N與桿塔的距離，直至屏蔽球P不能完全屏蔽導線上點N的暴露弧，此時點N與桿塔的距離d為側(cè)向針的最大保護距離，記為l。在距離l內(nèi)，由于受到側(cè)向針的完全屏蔽，輸電線路不會發(fā)生繞擊。而當雷電流的幅值變化時，各個擊距隨之改變，進而改變了屏蔽球P和曲面BCEF的半徑及相對位置。所以，還應該計算在不同雷電流幅值I下，側(cè)向針的最大保護距離l。

對于某條具體線路，只有雷電流幅值介于繞擊閃絡臨界電流Imin（能夠引起輸電線路絕緣閃絡的最小可繞擊電流）與最大可繞擊電流Imax（當雷電流幅值等于Imax時，圖2中的點B、C重合即暴露弧長為0）之間的雷電流才會繞擊導線并導致線路跳閘。因此，應該計算在［Imin，Imax］區(qū)間內(nèi)不同雷電流幅值I對應的側(cè)向針的最大保護距離l；然后將計算結(jié)果按照雷電流幅值分布概率進行加權平均得到li。又因為考慮了工頻電壓對導線擊距的影響，所以將電壓相角視為等概率分布的隨機離散變量，則確定側(cè)向針的保護距離計算式為：

其中，L為考慮工頻電壓相角后的側(cè)向針平均最大保護距離；li為在某一電壓相角下的側(cè)向針加權平均最大保護距離；n為在1個工頻電壓周期中所取的相角個數(shù)。圖3為li的計算流程圖，三維EGM算法流程即將圖3所示過程重復n次后按式（3）計算得到L值。

2 側(cè)向針的保護效果計算

利用三維EGM法對圖4所示3種1000 kV特高壓典型桿塔進行側(cè)向針防繞擊效果分析。

圖3 li的計算流程Fig.3 Flowchart of licalculation

圖4 特高壓交流輸電線路的典型塔型Fig.4 Typical tower shapes of UHVAC transmission line

因為圖4所示的3種桿塔均為對稱結(jié)構，所以只對其一側(cè)進行分析?？紤]側(cè)向針的長度、風偏角和地面傾角3種影響側(cè)向針保護效果的參數(shù)，針對不同桿塔改變相應參數(shù)，分析其對側(cè)向針保護效果的影響。

2.1 對特高壓單回線路貓頭塔的保護效果分析

ZMP2型貓頭塔采用M型（邊、中相導線分別采用I型、V型絕緣子串）三角排列，一般只有外側(cè)導線會發(fā)生繞擊，桿塔結(jié)構如圖4（a）所示，設導線分裂間距為400 mm，絕緣子串長13.2 m，導線最大弧垂20 m，避雷線最大弧垂為18 m。因為貓頭塔多用于平原地區(qū)，所以設其地面傾角為0°。

2.1.1 側(cè)向針長度對保護距離的影響

對側(cè)向針應用在貓頭塔時的保護效果進行計算，結(jié)果表明即使在風偏角α1和地面傾角α2均為0°的條件下，外側(cè)導線已存在暴露弧，即導線存在被繞擊的風險，此時需要安裝側(cè)向針對輸電線路進行防繞擊保護。在 α1和α2均為 0°的條件下改變側(cè)向針長度，計算側(cè)向針對桿塔一側(cè)（沿檔距方向）導線的保護距離，得到變化曲線如圖5所示。由圖可知，側(cè)向針長度為3 m時，其對導線的保護距離約為33 m；側(cè)向針長度為5 m時，其對導線的保護距離約為40 m。在α1和α2均為0°的條件下，3 m長的側(cè)向針已經(jīng)能夠?qū)U塔兩側(cè)約30 m范圍內(nèi)的導線進行保護。

圖5 側(cè)向針長度與保護距離的關系Fig.5 Relationship between sideward rod length and protective distance

2.1.2 風偏角對保護距離的影響

雷電災害出現(xiàn)時一般伴隨有大風，由于特高壓輸電線路桿塔很高且輸電線路絕緣子串較長，在大風的作用下導線會偏移一定角度，即圖2所示的風偏角α1。由圖2可知，當α1為正時，導線會在風的作用下遠離避雷線，導致避雷線的保護作用減弱，從而使繞擊率明顯增大。因此有必要考慮風偏角對側(cè)向針保護效果的影響。考慮雷擊時的風速為15 m ／s［16］，此時導線的風偏角可達 25°［17］。 在地面傾角為0°的條件下增加風偏角，不同長度側(cè)向針的保護距離隨風偏角的變化如圖6所示。

圖6 風偏角與側(cè)向針保護距離的關系Fig.6 Relationship between wind deflection angle and protective distance of sideward rod

由圖6可知，當風偏角達到25°時，3 m長的側(cè)向針對桿塔一側(cè)（沿檔距方向）導線的保護距離為20 m左右。增加側(cè)向針長度到4 m和5 m，由圖可知，當風偏角為25°時，4 m和5 m長的側(cè)向針的保護距離分別約為26 m和31 m，保護效果較好。

綜上，對于ZMP2型貓頭塔，在地面傾角為0°、風偏角小于25°的條件下，可以考慮使用4～5 m長的側(cè)向針對特高壓輸電線路進行防繞擊保護。

2.2 對特高壓單回線路酒杯塔的保護效果分析

酒杯塔采用M型水平排列，桿塔結(jié)構如圖4（b）所示，一般只有外側(cè)導線會發(fā)生繞擊。設導線分裂間距為400 mm，絕緣子串長13.2 m，導線最大弧垂為20 m，避雷線最大弧垂為18 m。雖然ZBS2型酒杯塔采用負保護角，但因其多用于山區(qū)，所以當風偏角或地面傾角不為0°時，避雷線可能無法對輸電線路完全屏蔽，故有必要使用側(cè)向針對線路進行保護。

2.2.1 地面傾角對保護距離的影響

山區(qū)的地面傾角α2一般為10°～30°。通過計算發(fā)現(xiàn)，在風偏角為0°的條件下，當α2＜18°時，避雷線能對特高壓輸電線路實現(xiàn)完全屏蔽；當α2≥18°時導線開始出現(xiàn)暴露弧即出現(xiàn)被繞擊的風險，此時需要安裝側(cè)向針對外側(cè)導線進行防繞擊保護。因此，從18°開始增加α2，計算地面傾角對不同長度側(cè)向針的保護距離的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 地面傾角與側(cè)向針保護距離的關系Fig.7 Relationship between ground inclination angle and protective distance of sideward rod

由圖可知，當α2為18°和30°時，4 m長的側(cè)向針的保護距離分別約為24 m和10 m，保護效果較差。增加側(cè)向針長度到5 m和6 m。對于5 m長的側(cè)向針，在α2等于18°和30°時的保護距離分別約為31m和20 m。對于6 m長的側(cè)向針，在α2等于18°和30°時的保護距離分別約為37 m和28 m，該種情況下的保護效果較好。

2.2.2 考慮風偏角對保護距離的影響

當風偏角為0°時，由圖7可知6 m長的側(cè)向針的保護距離與地面傾角的關系?？紤]風偏角的影響后，分別在風偏角為 10°、15°和 25°的條件下，計算地面傾角對6 m長的側(cè)向針的保護距離的影響，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，在考慮風偏角的影響后，6 m長的側(cè)向針的保護距離有所下降。當風偏角小于15°、地面傾角在18°～30°的范圍內(nèi)時，6 m長側(cè)向針的最小保護距離約為20 m，對特高壓輸電線路仍有一定的保護效果。

圖8 風偏角與地面傾角對側(cè)向針保護距離的影響Fig.8 Influence of wind deflection angle and ground inclination angle on protective distance of sideward rod

綜上，對于ZBS2型酒杯塔，可以考慮使用長度為6 m或更長的側(cè)向針對線路進行防繞擊保護。

2.3 對特高壓雙回線路鼓形塔的保護效果分析

鼓形塔采用I型絕緣子串布置方式，桿塔結(jié)構如圖4（c）所示。設導線分裂間距為400 mm，絕緣子串長12.5 m，導線最大弧垂為14.4 m，避雷線最大弧垂為12.55 m。因為鼓形塔主要應用于平原地區(qū)和丘陵地區(qū)，而丘陵地形的地面傾角為0°～6°，對側(cè)向針的保護效果影響較小，所以下面主要分析側(cè)向針對平原地形上的特高壓同塔雙回輸電線路的保護效果，即設地面傾角為0°。同時，因為避雷線對下相導線的保護角很小以及導線位置很低，所以在風偏角的合理變化范圍內(nèi)，避雷線始終可以對下相導線實現(xiàn)完全屏蔽，故不需要考慮側(cè)向針對下相導線的保護效果。

2.3.1 側(cè)向針安裝位置對保護距離的影響

通過計算發(fā)現(xiàn)，在地面傾角和風偏角均為0°的條件下，上相和中相導線已經(jīng)存在暴露弧，即導線存在被繞擊的風險，需要安裝側(cè)向針進行保護。對于鼓形塔，因為有上相、中相和下相3個橫擔位置可考慮安裝側(cè)向針，所以需要首先確定側(cè)向針的安裝位置。在地面傾角和風偏角均為0°的條件下，分別計算安裝于鼓形塔3個不同橫擔位置處的3 m長的側(cè)向針對上、中相導線的保護距離，結(jié)果如表1所示。由表可知，當側(cè)向針安裝在中間橫擔時對上相和中相導線的保護距離最大，并且此時側(cè)向針已經(jīng)能夠?qū)U塔兩側(cè)約30 m范圍內(nèi)的導線進行保護，故考慮側(cè)向針安裝在鼓形塔的中相橫擔上。

表1 側(cè)向針不同安裝位置對鼓形塔導線保護距離的影響Table 1 Influence of installation position of sideward rod on protective distance for drum-shape tower

2.3.2 風偏角對保護距離的影響

在側(cè)向針安裝于桿塔中相橫擔上以及地面傾角為0°的條件下，改變風偏角α1的大小，分別計算不同長度側(cè)向針的保護距離。此時，側(cè)向針對上相導線的保護距離如圖9所示，對中相導線的保護距離如圖10所示。

由圖9知，當風偏角達到25°時，3 m長的側(cè)向針對上相導線的保護距離小于20 m。而4 m和5 m長的側(cè)向針對上相導線的保護距離分別約為26 m和33 m，保護效果較好。同理，由圖10可知，當風偏角為25°時，4 m和5m長的側(cè)向針對中相導線的保護距離分別約為25 m和31 m，保護效果也較好。

圖9 風偏角與側(cè)向針對上相導線保護距離的關系Fig.9 Relationship between wind deflection angle and protective distance of sideward rod for upper-phase conductor

圖10 風偏角與側(cè)向針對中相導線保護距離的關系Fig.10 Relationship between wind deflection angle and protective distance of sideward rod for middle-phase conductor

綜上所述，對于鼓形塔，在地面傾角為0°、風偏角小于25°的條件下，可以考慮在桿塔中相橫擔處安裝4～5 m長的側(cè)向針，對特高壓輸電線路進行防繞擊保護。

3 結(jié)論

a.本文采用三維EGM模型，加入了地面傾角和風偏角變量并考慮了工頻電壓的影響。此模型不僅可用于計算側(cè)向針對特高壓輸電線路的繞擊保護距離，也可以用于分析其他復雜線路的繞擊保護情況。

b.分別計算了在多種條件下側(cè)向針對3種典型的特高壓輸電線路桿塔的保護距離。對于ZMP2型貓頭塔，在地面傾角為0°、風偏角小于25°的條件下，可以考慮使用4～5 m長的側(cè)向針對輸電線路進行防繞擊保護。對于ZBS2型酒杯塔，可以考慮使用6 m或更長的側(cè)向針對線路進行防繞擊保護。對于鼓形塔，在地面傾角為0°、風偏角小于25°的條件下，可以考慮在桿塔中相橫擔處，對輸電線路進行防繞擊保護。

c.計算結(jié)果表明側(cè)向針可提高3種典型的特高壓輸電線路桿塔的防繞擊性能。又因為側(cè)向針還有經(jīng)濟耐用、便于安裝維護等優(yōu)點，故可重點考慮在特高壓耐張、轉(zhuǎn)角桿塔的防雷中進行應用。

致 謝

本文的研究得到了陳稼苗教授級高級工程師、沈志恒工程師的幫助，特此致謝！

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