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0 引 言

輸電線路桿塔是架空輸電線路的重要組成部門，目前中國電網(wǎng)在運的輸電線路中，最廣泛采用的是鋼管桿和桁架式鋼/鐵塔；常規(guī)鐵塔頭尺寸大，消耗鋼鐵多，線路走廊占用土地面積大[1-2]。然而隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，輸電走廊占用土地面積也不斷增加，電網(wǎng)顯現(xiàn)出建設(shè)成本大、運行維護費用高以及資源消耗多等缺點。復(fù)合材料桿塔憑其機械強度高、絕緣性能好和耐腐蝕性強等優(yōu)點在中國輸電線路工程中使用越來越多[3]。

依據(jù)中國多年對雷電活動的觀測和運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，雷擊閃絡(luò)是輸電線路運行跳閘的主要原因[4]。與傳統(tǒng)輸電桿塔不同，復(fù)合材料橫擔(dān)的導(dǎo)線和避雷線掛在橫擔(dān)上，結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致復(fù)合橫擔(dān)與傳統(tǒng)輸電桿塔在雷擊后的閃絡(luò)特性也有所不同。因此，分析復(fù)合材料橫擔(dān)的耐雷水平，對優(yōu)化復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的意義。

下面利用ATP-EMTP軟件，建立110 kV“上”字型輸電線路復(fù)合材料橫擔(dān)仿真模型，分析地面傾角、桿塔橫擔(dān)長度等對復(fù)合材料橫擔(dān)耐雷水平的影響；基于不同參數(shù)組合下所得結(jié)果對比，優(yōu)化復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，所得數(shù)據(jù)可根據(jù)實際運行工況和現(xiàn)場其他環(huán)境因素進行適當(dāng)調(diào)整用于實際工程中。

表1 110 kV“上”字型復(fù)合橫擔(dān)桿塔相關(guān)參數(shù)

1 復(fù)合橫擔(dān)仿真模型建立

1.1 “上”字型復(fù)合橫擔(dān)模型

110 kV“上”字型復(fù)合橫擔(dān)的導(dǎo)線和地線典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,在“上”字型復(fù)合橫擔(dān)中，接地引下線按照h1、h2將引下線分為兩段。桿塔直徑從塔頂至塔底按線性增加，從d1增加至d2，由此可計算出不同高度處的桿塔半徑。

對于“上”字型桿塔，根據(jù)GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[5]中風(fēng)偏和帶電作業(yè)對導(dǎo)地線的要求，桿塔幾何參數(shù)見表1。

圖1 110 kV“上”字型復(fù)合橫擔(dān)桿塔模型

1.2 雷電流模型

仿真采用雙指數(shù)函數(shù)雷電流波形[6]，包含波頭、波尾和幅值，具體參數(shù)為2.6/50 μs，波阻抗為400 Ω。

1.3 絕緣子閃絡(luò)模型

絕緣子閃絡(luò)判據(jù)使用較多的有定義法、相交法和先導(dǎo)法[7]。采用先導(dǎo)法，假設(shè)當(dāng)絕緣間隙的平均場強大于先導(dǎo)起始場強時，流注就已經(jīng)貫通間隙，先導(dǎo)開始發(fā)展，其速度隨施加的電壓和間隙剩余的長度變化，當(dāng)先導(dǎo)長度增加至間隙長度時，即認(rèn)為閃絡(luò)。仿真選取IEC 61466-2-1998[8]推薦的k=1.1，E0=500.0 kV/m時絕緣子串間隙試驗伏秒特性曲線，通過 MODELS 模塊和 TACS 開關(guān)實現(xiàn)。MODELS 模塊通過代碼實現(xiàn)閃絡(luò)計算過程，至先導(dǎo)發(fā)展長度貫通整個間隙長度時輸出控制信號，使TACS 開關(guān)閉合，模擬絕緣間隙閃絡(luò)被擊穿。模型建立如圖2所示。

圖2 先導(dǎo)法絕緣子閃絡(luò)模型

1.4 沖擊接地電阻模型

沖擊電流經(jīng)接地體入地，工程上采用簡化計算時在電路中以恒定電阻表征。而接地體的沖擊電阻受沖擊電流幅值及頻率的影響較顯著，表現(xiàn)為非線性特性元件。采用IEC 61466-2-1998[8]推薦公式來計算考慮沖擊效應(yīng)時接地體的接地電阻[9-10]，見式(1)。

(1)

式中：R0為小電流條件下的接地電阻值，通常在工頻條件下測出，Ω；I為流過接地體的沖擊電流幅值，kA；Ig為土壤發(fā)生電離的最小電流，kA。

圖3 110 kV“上”字型復(fù)合橫擔(dān)桿塔雷擊仿真模型

仿真采用非線性特性元件來考慮沖擊效應(yīng)時的接地電阻，在ATPDraw 中 MODELS元件編寫代碼實現(xiàn)，綜上所述，子模塊和“上”字型復(fù)合橫擔(dān)桿塔的結(jié)構(gòu)特點，建立了110 kV“上”字型復(fù)合橫擔(dān)桿塔雷擊仿真模型，如圖3所示。

選取5基“上”字型單回線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔模型，通過改變桿塔不同地面傾角和橫擔(dān)長短仿真分析對復(fù)合材料橫擔(dān)耐雷水平的影響。反擊跳閘率根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》[11]；繞擊跳閘率運用電氣幾何模型(electrical geometrical model，EGM)進行計算。

2 計算分析及結(jié)果

110 kV線路檔距為 200～400 m，導(dǎo)線和避雷線弧垂參照規(guī)程中的計算里程分別取5.3 m、2.85 m。導(dǎo)線型號為 LGJ-240/30，直徑為 21.66 mm，直流電阻為 0.120 9 Ω/km；地線型號為 GJ-100，直徑為13 mm，直流電阻為0.433 2 Ω/km[10]。在表1參數(shù)條件下，計算得出兩段引下線的電感值分別為 2.88 μH、2.01 μH，橫擔(dān)波阻抗為 318.8 Ω，鋼管桿波阻抗為 200.5 Ω，接地電阻在工頻條件下取為 10 Ω。絕緣子采用壓控開關(guān)模型時，間隙閃絡(luò)電壓梯度按照 720 kV/m 考慮，D1、D2、D3閃絡(luò)電壓分別為 1224 kV、1368 kV 和 1368 kV；l1和l2閃絡(luò)電壓為 3218 kV、2165 kV。

2.1 不同地面傾角下的耐雷水平

建立5基復(fù)合橫擔(dān)桿塔組成線路區(qū)段的仿真模型，5基桿塔均安裝接地引下線，計算在不同地面傾角下的反擊耐雷水平和繞擊耐雷水平，計算結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2 不同傾角下的反擊耐雷水平

表3 不同傾角下的繞擊耐雷水平

通過仿真計算，110 kV“上”字型單回線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔平均反擊耐雷水平 149.5 kA，遠高于規(guī)定中的推薦值(40～75 kA)，且最大(159 kA)已經(jīng)達到500 kV輸電線路桿塔推薦值，由此可見復(fù)合橫擔(dān)有較高的反擊防護性能。繞擊耐雷水平隨著傾角的增大，外坡側(cè)相導(dǎo)線繞擊電流逐漸增大，遭受繞擊的概率也相應(yīng)增加；坡內(nèi)側(cè)相導(dǎo)線臨界繞擊電流逐漸減小，受到地線保護作用加強。

計算繞擊跳閘率，隨著傾角的逐漸增大，繞擊跳閘率迅速增加，即使按照山區(qū) 30°傾角考慮，在運“上”字型復(fù)合材料桿塔的雷擊跳閘率僅為 0.129 次/(100 km·a)，遠低于國家電網(wǎng)公司《110(66) kV～500 kV 架空輸電線路運行規(guī)范》[12]中對 110 kV 輸電線路雷擊跳閘率的考核指標(biāo)0.525 次/(100 km·a)，僅為后者的 24.6%，留有較高的安全裕度。

2.2 不同橫擔(dān)長度下的耐雷水平

將表1 中結(jié)構(gòu)參數(shù)編為算例1，保持桿塔呼高不變，將圖1中D1、D2、D3算例的長度分別按照算例參考值取系數(shù)0.9、0.8、0.7 和 0.6，依次編號為2至算例5，其參數(shù)見表4。

表4 不同比例下“上”字型復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表4中的參數(shù)，仿真計算得出編號1至 5 對應(yīng)的反擊和繞擊耐雷水平列于表5和表6。其中相角為絕緣子閃絡(luò)判據(jù)模型中用先導(dǎo)法閃絡(luò)判據(jù)計算的不同電源初相角。

表5“上”字型塔復(fù)合橫擔(dān)在不同參數(shù)條件下
反擊耐雷水平

單位：kA

從以上數(shù)據(jù)得出不同塔頭尺寸下的平均反擊耐雷水平和繞擊耐雷水平折線圖，見圖4和圖5。從圖中可以看出，“上”字型桿塔的反擊耐雷水平隨著復(fù)合橫擔(dān)比例系數(shù)的逐漸減小而逐漸降低，“上”字型桿塔A相位置相對較高，絕緣間隙小，繞擊耐雷水平較其余兩相小。

表6 “上”字型塔復(fù)合橫擔(dān)在不同參數(shù)條件下繞擊耐雷水平 單位：kA

圖4 不同塔頭尺寸下平均反擊耐雷水平

圖5 不同塔頭尺寸下平均繞擊耐雷水平

通過計算繞反擊跳閘率，隨著桿塔比例系數(shù)的逐漸減小，繞反擊跳閘率有所增加。在比例系數(shù)為0.6倍、地面傾角30°的條件下，雷擊跳閘率依然略低于考核指標(biāo)，對比繞反擊跳閘率在雷擊跳閘率中的占比，“上”字型繞擊保護水平優(yōu)于反擊保護水平。

3 結(jié) 語

通過仿真，研究了復(fù)合材料橫擔(dān)在不同地面傾角、不同橫擔(dān)長度時的耐雷水平，得出以下結(jié)論：

1)隨著地面傾角的逐漸增大，“上”字型桿塔復(fù)合橫擔(dān)外坡側(cè)相導(dǎo)線繞擊電流逐漸增大，遭受繞擊的概率也相應(yīng)增加；但繞擊跳閘率也僅為規(guī)定值的24.6%，安全裕度高。

2)復(fù)合橫擔(dān)在逐漸縮短的情形下，繞反擊耐雷水平逐漸降低，因此在工程應(yīng)用中不能一直減少橫擔(dān)尺寸來降低重量。

3)仿真計算結(jié)果有一定的參考價值，在實際應(yīng)用中可以根據(jù)現(xiàn)場實際需求來調(diào)整橫擔(dān)參數(shù)。