500 kV 交直流混架塔防雷性能分析

柏丹丹，王 睿，施 芳，戴雨剑

（华北电力设计院有限公司，北京 100120）

0 引言

随着我国经济建设不断发展，输电线路走廊资源日益紧缺，局部地区协调难度大，开辟线路新走廊愈发困难[1-2]。交直流线路或不同电压等级线路共架、平行架设或共用走廊已成为一种发展趋势。以北京地区为例，受密集的旅游景区、自然保护区、城镇规划区及军事设施的限制，走廊资源极其稀缺，若将交流和直流线路同塔混架，则能有效节约线路走廊，提高单位长度的电能输送能力。

运行经验表明，雷击仍是造成交、直流线路跳闸的最主要因素，在电网总事故中占据很大比重[3-4]。交直流同塔架设需要采用三层或四层横担，会直接导致杆塔全高较高或塔身宽度较大，从而影响其耐雷水平的高低。

目前，国内外对在运的各种电压等级的交直流线路以及同塔多回架设的交流或直流线路的耐雷水平已经开展了大量研究工作[5-7]，但针对交直流同塔多回尤其是500 kV 交直流同塔混架线路的雷击跳闸率研究较少。为此，本文通过搭建相关模型来计算分析不同架设方式下500 kV 交直流混架塔的防雷特性。

1 已建500 kV 交直流线路的耐雷性能

表1 所示为我国在运500 kV 交流输电线路的雷击跳闸率的统计平均值，可以看出，500 kV交流输电线路的雷击跳闸率平均值均高于0.14次/（100 km·a），且不同区域500 kV 交流线路的雷击跳闸率水平相差较大，这主要是由于我国不同地区雷电活动强度分布各异有关。

表1 我国在运500 kV 交流输电线路的雷击跳闸率

从表2 可以看出，国家电网公司±500 kV 直流输电线路2005—2012 年的雷击闪络率在0.066～0.463 次/（100 km·a）之间波动。

表2 2005—2012 年国家电网公司500 kV 直流输电线路雷击闪络情况

2 交直流混架线路耐雷性能的分析方法

2.1 反击计算方法和模型参数

一般来说，雷击线路档距中央而引起线路反击的情况极为罕见，因此主要考虑雷击杆塔塔顶而引起的反击闪络。研究中反击计算采用行波法基于EMTP 程序进行建模仿真[8]。本文采用的计算条件包括：雷电流波形采用2.6/50 μs；杆塔采用多波阻抗建模；采用IEC 60071—4 推荐的相交法作为绝缘子闪络判据。

对线路杆塔采用分段波阻抗模拟。多波阻抗模型将杆塔结构分为主支架、斜材和横担3 个部分分别建模，且每部分都假设为均匀分布，计算波阻抗典型的经验公式有3 种[9-12]。

式中：rek，Hk分别为圆柱体的等效半径和圆柱体顶端距地垂直高度。

式中：rTk，rB分别为塔柱第k 层和底端等值半径；RTk，RB分别为两塔柱第k 层和底端间距离。

（2）斜材部分波阻抗

试验表明，支架部分波阻抗大约为：

（3）杆塔横担部分波阻抗

式中：hk为第k 个横担对地的高度；rAk取横担与杆塔主体连接处横担宽度的1/4。

2.2 绕击计算方法和模型参数

交直流线路绕击跳闸机理相同[5]，线路绕击耐雷性能主要受地形、保护角、塔高等因素影响[4]。输电线路绕击性能的仿真计算常用EGM（电气几何模型法）和LPM（先导发展模型法）[13-15]。EGM经过了数十年的演进和发展，其计算结果与各国电网的运行经验比较符合。在美、日及欧洲各国得到了广泛应用，在我国的电网规划设计中也受到普遍认可。而LPM 是近年来随着长间隙放电研究的迅猛发展，有关学者根据长间隙放电和地闪之间相似性提出的一种雷电仿真模拟方法。该方法综合考虑下行先导的发展，地面物体迎面先导的起始，下行先导和迎面先导之间的相对运动，以及最后击穿判据等因素，通过动态电场计算，对下行先导绕击输电线路的物理过程进行仿真。

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由于人们对雷电先导发展过程认识的局限性，不同学者对先导发展模型的关键判据存在分歧，不同模型、参数所对应的计算结果也有较大差别。本文采用EGM 对交直流混架线路的绕击耐雷性能进行仿真研究，一般认为相较于EGM，LPM 的雷电计算结果偏小。

对应某一雷电流I，有相应的击距rs。在一定的rs下，暴露弧在地面的投影见图1。线路地平面上（水平方向，地面倾斜角为零时）的相应暴露面积χ 为：

式中：g（Ψ）为先导接近地面时的入射角Ψ 的概率分布函数；θ 为地面倾斜角。

考虑不同雷电流的出现概率，则：

式中：P（I）为雷电流I 的概率分布密度。

3 交直流混架塔型及计算参数

3.1 线路参数

直流输电线路导线采用4×JL/G2A-720/50 钢芯铝绞线，分裂间距为500 mm，交流输电线路导线采用4×JL/G1A-630/45 钢芯铝绞线，避雷线为JLB20A-150，具体参数如表3 所示。在ATP/EMTP 中采用考虑频率特性的JMARTI 模型进行模拟，并在遭受雷击的铁塔两侧分别设置一条相同特性的长线路以消除雷电波从塔顶传播到两侧线路末端所产生的反射波对该处过电压计算的影响，雷击铁塔两侧的档距为400 m，土壤电阻率取1 000 Ω·m。

3.2 杆塔塔型及尺寸数据

在杆塔设计时兼顾线路同塔混架后走廊宽度、对地距离等方面的要求，设计了垂直排列鼓型、三角排列和并列垂直排列三大类塔型，计及交、直流线路金具串的型式，最终合计分析了8种±500 kV/500 kV 交直流同塔多回输电塔型，详细尺寸如附录A 中所示，其中垂直排列鼓型塔有4IIV-39，4IVV-39，4VIV-39，4VVV-39，并列垂直排列塔型有3VIV-39 和3VVV-39，三角排列又分为正三角和倒三角2 种排布方式，3VIT-39 为正三角排列型式，3VIT-2-39 为倒三角排布型式。

表3 导、地线参数

交、直流线路均采用复合绝缘子，其中交流金具串中绝缘子长度为4.9 m，直流金具串中绝缘子长度为7.5 m。

4 交直流混架多回输电线路的耐雷性能

4.1 反击耐雷性能的计算

一般来说，由雷击地线档距中央而引起导、地线闪络的情况十分罕见，本文未予以考虑，重点计算了雷击杆塔塔顶的情况。基于ATP-EMTP搭建的仿真模型，对所述塔型进行线路反击耐雷水平的计算分析，结果如表4 所示。在呼高39 m、接地电阻取10 Ω 的情况下，前述8 种±500 kV/500 kV 交直流同塔多回输电线路的反击耐雷水平均由交流线路决定，其值皆在214 kA 以上，平原地区的反击跳闸率不高于0.016 次/（100 km·a），山区则不高于0.024 次/（100 km·a）；直流线路部分无论在平原还是山区的反击跳闸率均为0，反击耐雷水平均在364 kA 以上，这是因为直流线路部分绝缘水平高于交流线路高导致其反击耐雷水平也高于交流线路。塔型3VIT-2-39 的反击耐雷水平比同等呼高的3VIT 高约12%，塔型3VVV-39 比3VIV-39 低25 kA，而4 种垂直排列的塔型反击耐雷水平相当，差值在15 kA 以内。

在同等条件下，比对前述8 种±500 kV/500 kV 交直流同塔多回输电线路与单独架设±500 kV直流线路、500 kV 同塔双回交流线路的反击耐雷水平，从图2 可以看出：与单独架设的±500 kV直流线路相比，交直流同塔并架线路杆塔的直流耐雷水平明显更高，因此认为交直流同塔并架线路中直流线路基本不会发生反击闪络，主要原因是直流线路比交流线路的绝缘强度要高，在较大的雷电流击中杆塔时，交流线路会全部闪络，雷电流的能量基本全部沿着交流导线和杆塔流入大地，杆塔上两回500 kV 交流线路的作用类似于线路避雷器，对直流线路起到很好的保护作用；与单独架设的500 kV 同塔双回交流线路相比，交直流同塔并架线路中的500 kV 交流反击耐雷水平与之相当。

表4 500 kV 交直流同塔多回输电线路反击耐雷水平

图2 混架与单独架设线路的反击耐雷水平对比

4.2 绕击性能的计算

在呼高39 m、接地电阻取10 Ω 的情况下，分别计算在平原、一般山地和高山大岭地区前述8 种塔型的绕击跳闸率，平原地区的保护角取0°，一般山地和高山大岭地区保护角均取-10°。

如表5 所示，所有塔型击中直流部分的概率基本为0，只有在高山大岭地区3VIT-39，3VIT-2-39，3VIV-39，4VIV-39，4VVV-39 才有较小的绕击跳闸率，均小于0.001 4，因此±500 kV/500 kV 交直流同塔多回输电线路的绕击跳闸率主要由交流部分控制，这主要是由于前述8 种塔型中交流线路相对挂于直线线路的外侧，保护角数值相对较小。在平原地区，除了塔型3VIT-2-39 绕击跳闸率为0.147 5 次/（100 km·a）、塔型4IVV-39 绕击跳闸率为0.000 2 次/（100 km·a），其余塔型均不会跳闸。在一般山地和高山大岭地区，塔型3VIT-2-39 的绕击跳闸率最大，塔型3VIT-39，4IIV-39，4IVV-39 其次，在高山地形下绕击跳闸率分别为0.533 2，0.477 8，0.651 6 次/（100 km·a），接着是塔型3VIV-39，3VVV-39，4VVV-39在高山地形下绕击跳闸率约为0.2 次/（100 km·a），最小的是塔型4VIV-39，在高山地形下绕击跳闸率只有0.086 2 次/（100 km·a）。

表5 交直流同塔多回输电线路绕击跳闸率（接地电阻取10 Ω）

由前述计算结果可以看出，交直流同塔并架线路一般只有500 kV 交流的最外侧导线会发生绕击闪络，直流线路基本不会发生绕击闪络，绕击耐雷性能要优于单独架设±500 kV 直流线路。计算同等条件下单独架设的常规500 kV 同塔双回线路在平原地区、山区的绕击跳闸率分别为0和0.018 4 次/（100 km·a），可以看出，在山区地形条件下单独架设常规500 kV 同塔双回线路的绕击跳闸率低于所有前述8 种交直流混架塔型，主要原因是常规500 kV 交流同塔双回线路相对于交直流同塔并架线路来说杆塔尺寸较小，导线与地线的垂直相对较近，地线对导线的屏蔽效果更好一些。

4.3 综合耐雷性能分析

假设接地电阻为10 Ω，呼高为39 m，平原地区保护角取0°，山区地区保护角取-10°，计算得到前述8 种交直流混架塔型的雷击跳闸率如图3 所示。

图3 ±500 kV/500 kV 交直流同塔多回输电线路雷击跳闸率

可以看出，平原地带防雷效果由优至劣的排序为塔型4IIV-39，4VIV-39，4VVV-39，4IVV-39，3VIV-39，3VIT-39，3VVV-39，3VIT-2-39，除了塔型3VIT-39，3VVV-39，3VIT-2-39 外，其余塔型的雷击跳闸率均在0.01 次/（100 km·a）以下，塔型3VIT-2-39 最高，为0.154 0 次/（100 km·a）；山区地带的雷击跳闸率在0.033 7～0.713 1次/（100 km·a）之间波动，由低至高分别为3VIV-39，4VIV-39，4VVV-39，3VVV-39，3VIT-39，4IIV-39，4IVV-39，3VIT-2-39。

根据本文前述在运线路的统计结果可以看出，输电线路的统计雷击跳闸率随机性较大，500 kV 交流线路在0.144～0.643 次/（100 km·a）之间波动，±500 kV 直流线路则位于0.07～0.29 次/（100 km·a） 之间，而最新规程中500 kV 单回线路雷击跳闸率控制参考值S′为0.14 次/（100 km·a），±500 kV 直流线路为0.15 次/（100 km·a）。在平原地区，所提8 种±500 kV/500 kV 交直流同塔架设输电铁塔的耐雷水平基本能满足规程中的要求，但在山区地形中大部分塔型需要采取增大保护角、减少接地电阻、降低杆塔高度等措施来降低雷击跳闸率。

5 结论

基于多种应用场景，设计了8 种典型的±500 kV/500 kV 交直流同塔多回输电铁塔，并采用行波法分析其反击耐雷水平，采用EGM 分析其绕击性能，得出如下结论：

（1）在同等条件下，±500 kV/500 kV 交直流同塔架设输电铁塔的反击耐雷水平主要由500 kV 交流线路决定，与单独架设±500 kV 直流线路相比，反击耐雷水平更高，但与单独架设的常规500 kV 交流同塔双回路的反击耐雷水平相当。

（2）在同等条件下，±500 kV/500 kV 交直流同塔架设输电铁塔中直流线路的绕击耐雷水平与单独架设的±500 kV 直流线路相比，由于地线保护角更小，击中直流部分的概率基本为0，交直流混架塔的绕击耐雷水平也主要由500 kV 交流线路决定。与单独架设的常规500 kV 交流同塔双回路相比，绕击耐雷水平略低。

（3）在平原地区，所提8 种塔型的耐雷水平基本能满足规程规范中所提要求，除了塔型3VIT-2-39 的雷击跳闸率较高为0.154 0 次/（100 km·a）外，其余塔型均不超过0.01 次/（100 km·a）；但在山区，大部分塔型均需要采用降低接地电阻、减少保护角、降低杆塔呼高等措施来提高耐雷水平。

附录A

图A1 3VIT-39 型铁塔单线

图A2 3VIT-2-39 型铁塔单线

图A3 3VIV-39 型铁塔单线

图A4 3VVV-39 型铁塔单线

图A5 4IIV-39 型铁塔单线

图A6 4IVV-39 型铁塔单线

图A7 4VIV-39 型铁塔单线

图A8 4VVV-39 型铁塔单线