胡淑兵，朱本玉，羅 燎，李 新

（中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西南昌330096）

0 引言

架空線路雷擊種類主要分為直擊雷和感應(yīng)雷，110kV以上電壓等級輸電線路主要考慮直擊雷的影響。直擊雷主要有反擊和繞擊兩類。反擊與雷電流幅值、接地電阻、線路絕緣水平等因素有關(guān)；繞擊與地形地貌、線路保護(hù)角、線路絕緣水平及雷電流幅值等因素有關(guān)。

江西雷害風(fēng)險(xiǎn)等級整體較高。大部分處于Ⅲ級區(qū)域，約占總面積的2/3，Ⅳ級區(qū)域約占1/3。通過對江西省2012-2016年500kV及以上輸電線路雷擊故障點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出故障點(diǎn)主要處于C2級地閃密度等級區(qū)域（16次），其次是D1（9次）、D2（3次）、C1（3次）地閃密度等級區(qū)域。500kV線路31次跳閘中繞擊跳閘28次，占比90.32%，反擊跳閘3次，占比9.68%；220kV線路136次跳閘中繞擊跳閘97次，占比71.32%，反擊跳閘39次，占比28.68%。

可見500kV線路的雷擊跳閘危害主要是由雷電繞擊造成的，因此，對于500kV線路來說，采取有效措施降低雷電繞擊率，將能起到良好的防雷效果。

1 減小地線保護(hù)角對鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及防雷效果的影響分析

對于500kV單回路鐵塔而言，國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)鐵塔地線對導(dǎo)線保護(hù)角為+10°，減小地線對導(dǎo)線保護(hù)角的措施有兩種形式：1）+5°保護(hù)角，加高地線支架，減小地線對導(dǎo)線保護(hù)角；2）負(fù)保護(hù)角，將地線支架水平向外延伸，使地線在水平面內(nèi)投影范圍包絡(luò)導(dǎo)線在水平面內(nèi)投影范圍。以下主要詳細(xì)分析比較以上兩種措施與通用設(shè)計(jì)鐵塔時(shí)雷電繞擊跳閘率、投資費(fèi)用；3）另將較常用避雷器方案也作相關(guān)比較分析。

1.1 +5°保護(hù)角鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及防雷電繞擊效果分析

500kV單回線路鐵塔地線保護(hù)角，規(guī)范要求值為不大于10°，為提高防雷電繞擊效果，減小5°保護(hù)角后為不大于+5°保護(hù)角，同時(shí)為了滿足導(dǎo)、地線水平偏移的要求，需將通用設(shè)計(jì)鐵塔的地線支架抬高，地線支架至導(dǎo)線掛點(diǎn)的垂直距離將由原典設(shè)7.0m基礎(chǔ)上調(diào)整至18.5m，塔頭形式詳見圖1所示。所得到的塔頭地線支架過高，結(jié)構(gòu)形式非常不合理，一般來講正常鐵塔的高寬比一般在4-6之間，大于6則屬于窄基塔的范疇，其受力機(jī)理和設(shè)計(jì)方案都不一樣，地線支架高度為18.5m，則地線支架底部寬度至少應(yīng)有3.5m，由此鐵塔橫擔(dān)將變得更長。經(jīng)過受力優(yōu)選得到其鐵塔重量約為37.7t，較原通用設(shè)計(jì)增重約40%左右?？梢?，無論從結(jié)構(gòu)形式的合理性還是從經(jīng)濟(jì)性來看，這種結(jié)構(gòu)形式都是不合理的。

圖1 +5°保護(hù)角鐵塔塔頭示意圖

地線+5°保護(hù)角方案，通過采用電氣幾何模型（EGM）法計(jì)算，對于防雷電繞擊的效果如表1所示，可見，對于呼高不高的鐵塔，改善效果不明顯，對于呼高較高的鐵塔，略有改善效果。

表1 通用設(shè)計(jì)鐵塔與+5°保護(hù)角鐵塔防雷電繞擊跳閘率的對表

1.2 負(fù)保護(hù)角鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及防雷電繞擊效果分析

由上節(jié)分析可知，500kV單回線路鐵塔地線保護(hù)角減小5°，對于防雷電繞擊效果不是很好，那么繼續(xù)減小地線保護(hù)角至負(fù)保護(hù)角，導(dǎo)線懸垂串由IVI型式改為3V型式，塔頭型式如圖2所示。

圖2 負(fù)保護(hù)角鐵塔塔頭示意圖

1.2.1 負(fù)保護(hù)角鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖2中可以看到，該方案地線支架高度與典設(shè)相比保持不變，但是由于橫擔(dān)結(jié)構(gòu)變長，兩個(gè)地線掛點(diǎn)往外側(cè)移動(dòng)約4.0m，導(dǎo)致地線荷載產(chǎn)生的扭力較原來相比增大約38%，經(jīng)過受力優(yōu)選得到其鐵塔重量約為29.1t，較原通用設(shè)計(jì)鐵塔增重約6%。

可見，該方案的結(jié)構(gòu)塔頭形式變化較大，地線支架扭力的增加導(dǎo)致鐵塔各部分受力較原典設(shè)增大，但因地線規(guī)格遠(yuǎn)小于導(dǎo)線的規(guī)格，地線的脫冰扭力占整個(gè)鐵塔扭力的比重不大，故內(nèi)力增大的幅度不大。

該方案的主要變化是地線支架往外伸，將導(dǎo)致兩個(gè)地線掛點(diǎn)產(chǎn)生的扭力大幅增加，使得鐵塔特別是斜材受力大幅增加。為對負(fù)保護(hù)角方案在設(shè)計(jì)覆冰和覆冰過載工況下的內(nèi)力變化情況進(jìn)行分析，現(xiàn)對15mm設(shè)計(jì)覆冰和30mm過載覆冰工況下，分別對國網(wǎng)典型設(shè)計(jì)模型和負(fù)保護(hù)角方案模型（僅對地線支架和橫擔(dān)局部改造）進(jìn)行滿應(yīng)力計(jì)算分析。

在15mm設(shè)計(jì)覆冰下，負(fù)保護(hù)角方案較國網(wǎng)典型設(shè)計(jì)方案橫擔(dān)中部部分交叉材內(nèi)力增加了約6%，曲臂內(nèi)力增加了約3%，塔身斜材內(nèi)力增加了約3%。

在30mm過載覆冰下，負(fù)保護(hù)角方案較國網(wǎng)典型設(shè)計(jì)方案橫擔(dān)中部部分交叉材內(nèi)力增加了約10%，曲臂內(nèi)力增加了約4%，塔身斜材內(nèi)力增加了約6%。

可見，負(fù)保護(hù)角方案在15mm設(shè)計(jì)覆冰下，因橫擔(dān)結(jié)構(gòu)變長，地線脫冰扭轉(zhuǎn)力矩增大，橫擔(dān)以下結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，使得塔重增重，相應(yīng)的投資增加。在30 mm過載覆冰下，負(fù)保護(hù)角方案的不同部位的內(nèi)力也均有所增加，抗冰過載能力略微有所下降。若采用負(fù)保護(hù)角方案，需通過增大桿件規(guī)格以提高鐵塔的設(shè)計(jì)覆冰抵抗能力，通過增加驗(yàn)算覆冰工況來加強(qiáng)局部桿件的強(qiáng)度，以確保鐵塔的安全穩(wěn)定。

1.2.2 負(fù)保護(hù)角防雷電繞擊效果分析

負(fù)保護(hù)角方案，通過采用電氣幾何模型（EGM）法計(jì)算，對于防雷電繞擊的效果如表2所示，可見，負(fù)保護(hù)角方案對于防雷電繞擊效果顯著[1]。

表2 通用設(shè)計(jì)鐵塔與負(fù)保護(hù)角鐵塔防雷電繞擊跳閘率的對比表

負(fù)保護(hù)角設(shè)計(jì)時(shí)，雙地線能起到有效屏蔽作用，理論計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)孛鎶A角為0°時(shí)，其能避免繞擊事件。從降低繞擊跳閘率方面考慮，負(fù)保護(hù)角設(shè)計(jì)較通用設(shè)計(jì)鐵塔、5°保護(hù)角設(shè)計(jì)具有明顯的優(yōu)勢，經(jīng)理論計(jì)算，從本質(zhì)上消除了線路繞擊跳閘的發(fā)生，具有顯著的防雷效果[2]。

1.3 安裝避雷器防雷效果分析

裝設(shè)避雷器原則：1）突出于局部地區(qū)最高山頂?shù)臈U塔；2）附近線路發(fā)生過雷擊跳閘的桿塔。每基鐵塔避雷器通常只能保護(hù)本基鐵塔以及相鄰鐵塔不受雷擊跳閘，對于500kV單回路鐵塔，推薦在兩邊邊相各裝設(shè)一套避雷器，對于落雷密度較大地區(qū)，通常每隔一基鐵塔裝設(shè)避雷器。

經(jīng)現(xiàn)場勘察定位資料，本工程如考慮裝設(shè)避雷器方案，考慮計(jì)50基鐵塔裝設(shè)，每基單回路鐵塔邊相導(dǎo)線各安裝1套，共計(jì)裝設(shè)100套避雷器，避雷器使用壽命取為25年，按50年設(shè)計(jì)壽命，50年內(nèi)避雷器需更換約1次。

2 結(jié)語

進(jìn)過上述分析，對比如表3：

表3 各方案工程投資比較

表3顯示，表中后三者均較通用鐵塔投資增加，5°保護(hù)角方案投資增加最大，其次為裝設(shè)避雷器方案，負(fù)保護(hù)角方案投資增加最小。據(jù)收資了解，江西省內(nèi)500kV線路鐵塔如受雷擊跳閘，考慮裝設(shè)避雷器后，其臨近鐵塔還是會(huì)出現(xiàn)雷擊跳閘的情況，這說明裝設(shè)避雷器方案需覆蓋大范圍線路段才能更有效地避免線路雷擊跳閘事件，因此實(shí)際費(fèi)用較高。

通過以上研究分析，國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)鐵塔與5°保護(hù)角設(shè)計(jì)、負(fù)保護(hù)角設(shè)計(jì)、裝設(shè)避雷器方案的綜合比較如表4所示。

表4 國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)鐵塔與5°保護(hù)角設(shè)計(jì)、負(fù)保護(hù)角設(shè)計(jì)、裝設(shè)避雷器方案的綜合比較

綜上所述，從長遠(yuǎn)效益考慮，為了有效降低線路雷電繞擊跳閘事故率，建議位于C2及以上雷區(qū)的單回路鐵塔采取地線對導(dǎo)線負(fù)保護(hù)角設(shè)計(jì)[1-2]，也符合國網(wǎng)公司發(fā)布的十八項(xiàng)反措中對于防雷保護(hù)的相關(guān)要求。