500 kV同塔四回输电线路竖塔与横塔耐雷性能比较

苏菲，周浩，沈志恒，赵斌财

(浙江大学电气工程学院，杭州市，310027)

0 引言

同塔多回线路可有效增加单位走廊面积输电容量，节省线路走廊。目前，我国北京、广东、江苏、浙江等地已经建设数条不同电压等级的同塔多回线路［1-4］。同塔四回线路回数较多，避雷线对导线的屏蔽作用较常规线路差，此时杆塔塔形会对线路的耐雷水平产生较大的影响。另一方面，同塔并架线路其铁塔高度和横担宽度较单回线增加明显，耐雷水平降低。因此，如何选择500 kV同塔四回线路杆塔塔形及提高线路耐雷水平成为电力部门极为关注的课题。

目前，500 kV同塔四回线路常用杆塔有竖塔与横塔，这2种杆塔导线布置各不相同，耐雷水平也有较大差距。本文对比了这2种典型杆塔在不同地面倾角以及杆塔接地电阻等情况下的防雷性能，分析其电磁环境的优劣，为不同地区线路杆塔的选择提供了依据。对三避雷线与单耦合地线的防雷效果进行了研究，并提出了改进500 kV同塔四回线路耐雷性能的措施。

1 耐雷性能计算与线路参数

1.1 耐雷性能计算方法

绕击计算采用电气几何模型(electric geometry method，EGM)［5-6］，并考虑杆塔所处地面的倾角和导线上工频电压等因素的影响。反击计算采用改进多波阻抗模型，使用电磁暂态程序(elector-magnetic transient program，EMTP)软件仿真计算高杆塔反击耐雷水平，并计算其相应的反击跳闸率。

(1)雷电参数。本文采用2.6/50 μs斜角波的雷电流波形［7］。

(2)杆塔的波阻抗与波速。采用改进多波阻抗模型，将四回线路杆塔分段［8］，波阻抗计算公式［9-12］为

式中:h为相应杆塔段高度，m;r为杆塔的等效半径，m。

(3)EGM击距选取。电气几何模型的击距公式使用 IEEE标准推荐的公式［13］，即

式中:rs为雷电对导线击距，m;rg为雷电对大地击距，m。

(4)雷击塔顶时导线上的感应电压分量。采用武汉大学等提出的感应电压计算式

式中:hc为导线对地高度，m;hg为避雷线对地高度，m;k0为避雷线与导线的几何耦合系数。

1.2 线路参数

对比的塔型为500 kV同塔四回线路常用塔型，竖塔与横塔。竖塔呼高33 m，全高92.1 m;横塔呼高33 m，全高60.5 m。杆塔线路布置如图1所示。

图1 500 kV同塔四回线路杆塔导线布置Fig.1 Setting up of wire in the 500 kV transmission lines with four-circuit on a tower

500 kV四回线路的导线型号为4×LGJ-400/35，地线采用LGJ-95/55。竖塔和横塔导线排列方式如表1所示。

500 kV线路采用耐污FC160P/155型绝缘子，取31片。计及金具时的绝缘子V串长3.8 m，I串长4.9 m。

线路电压等级较高，对杆塔的接地电阻的要求亦较高。因此，本文取5 Ω为标准进行反击计算分析。

2 横塔与竖塔的耐雷性能比较

2.1 绕击耐雷性能对比

由图1可知，竖塔边相四回导线都有可能遭受绕击，而横塔只有外侧导线可能遭受绕击。选取一侧导线，针对2种杆塔可能受绕击的导线进行计算。

影响线路绕击跳闸率的主要因素有:工频电压、地面倾角和呼称高。考虑工频电压影响，本计算中地面倾角为5°，呼高为33 m，避雷线保护角为原杆塔设计角度(竖塔 －0.54°，横塔3.3°)。

地面倾角对线路绕击跳闸率有较大的影响，不同的地面倾角下，2种杆塔的绕击跳闸率如表2、3以及图2所示。

表2 竖塔线路绕击跳闸率Tab.2 Shielding failure trip out rate of vertical tower

表3 横塔线路绕击跳闸率Tab.3 Shielding failure trip out rate of horizontal tower

由表2、3及图2可知:横塔的绕击跳闸率明显低于竖塔。当地面倾角为5°时，竖塔绕击跳闸率为0.031次/(100 km·a)，而横塔为0。随着地面倾角的增大，2种杆塔绕击跳闸率仍存在较大的差距，当地面倾角为 30°时，竖塔的绕击跳闸率为 0.24次/(100km·a)，而横塔为0.14次/(100 km·a)，仅为竖塔的54%。分析认为，横塔单侧导线1、3、5相被导线2、4、6相屏蔽，杆塔单侧易击相仅有3相，而对于竖塔，单侧两回线路垂直排列，易绕击相为6相。另一方面，横塔高度较低，大地对导线屏蔽作用较好，使得横塔防绕击性能更为优越。

图2 不同地面倾角下杆塔的绕击跳闸率Fig.2 The relationship between towers'shielding failure trip out rate and ground dip angel

2.2 反击耐雷水平对比

采用杆塔波阻抗模型对线路的反击耐雷水平进行计算。根据杆塔及线路尺寸参数，建立合适的线路段模型，并考虑感应电压与线路工作电压，使用EMTP仿真计算各型杆塔的单回、双回反击耐雷水平。

根据我国500 kV同塔双回线路和国外同塔双回及多回线路的运行经验，我国500 kV同塔多回线路宜采用平衡高绝缘(31片155 mm绝缘子)的方式。并暂假定杆塔冲击接地电阻为5 Ω，呼高为33 m，保护角取杆塔设计保护角。

雷击杆塔附近避雷线，2种塔型的平均耐雷水平和反击跳闸率如表4、图3所示。

表4 杆塔反击耐雷水平Tab.4 The towers'lightning withstand performance of back flashover

由表4及图3可知:当接地电阻为5～20 Ω时，横塔的反击耐雷水平优于竖塔。接地电阻为5 Ω时，竖塔的单回耐雷水平为144.8 kA，横塔耐雷水平为180.3 kA，横塔反击耐雷水平较竖塔高25%左右，随着接地电阻的增大，2种杆塔的反击耐雷水平差距逐渐减小，当接地电阻为15 Ω时，两者相差14 kA。

图3 不同接地电阻下杆塔的反击耐雷水平Fig.3 The relationship between towers'lightning withstand performance of back flashover and grounding resistance

分析认为，横塔高度较低(较竖塔低30 m左右)，较低的杆塔高度使得雷电反射波能够更快地折返，从而抑制杆塔顶部雷电过电压的上升，在相同的接地电阻下，横塔的反击耐雷水平要高于竖塔。但随着接地电阻的增大，雷电流不能较好地沿杆塔泄放入大地，使得雷电反射波对杆塔上层雷电过电压上升的抑制作用减弱。因此，随着接地电阻的增大，横塔的反击耐雷水平快速下降。当接地电阻进一步增大时，雷电反射波对杆塔上层雷电过电压的抑制作用较小，最终使得横塔、竖塔2种杆塔反击耐雷水平相差不大。

3 2种塔型的工程应用分析

在典型情况下(I级落雷密度、绝缘配置31片155 mm绝缘子、杆塔接地电阻5 Ω)，线路的雷击跳闸率如表5所示。

表5 500 kV线路雷击跳闸率(折合单回)Tab.5 The trip out rate of 500 kV transmission line

在典型情况(接地电阻5 Ω，地面倾角5°)下，横塔的耐雷水平明显优于竖塔，其单回雷击跳闸率仅为竖塔的21%。从防雷安全角度出发，横塔的防雷性能要优于竖塔。

对比2种杆塔的电磁环境，竖塔的线路走廊为34 m，横塔的线路走廊为49 m，竖塔线路下方的工频电场、磁场、无线电干扰及可听噪声均优于横塔［14］。

对于2种塔型的经济性，竖塔较横塔耗钢量大，杆塔造价略高于横塔。

综合考虑防雷安全性、电磁环境与经济性因素，竖塔适用于雷害较轻或线路走廊紧张地区，横塔适用于雷害严重或对走廊宽度不敏感的地区。

4 500 kV同塔四回线路防雷建议

4.1 避雷线保护角对提升杆塔防绕击效果研究

减小避雷线保护角是防绕击效果最为显著的方法之一，同塔多回线路避雷线保护角尽量减小，建议小于 0°［15-16］。

取地面倾角5°，呼高33 m，改变避雷线保护角，得到3种绝缘方式下杆塔单回线路的绕击跳闸率随避雷线保护角变化的曲线，如图4所示。由图4可知:

(1)对于竖塔，避雷线保护角对线路的绕击跳闸率有很大的影响。避雷线保护角为－10°～－2.5°时，杆塔的绕击跳闸率处在较低的水平，并且随着保护角的增大，绕击跳闸率增加速度较慢。若保护角进一步增大，线路绕击跳闸率迅速上升。

(2)对于横塔，杆塔的防绕击性能优越，在避雷线保护角小于5°时，杆塔的绕击跳闸率均为0，当避雷线保护角增大到10°时，横塔的绕击跳闸率仍处在较低的水平。

综上所述，建议竖塔的避雷线保护角不大于－2.5°;对于横塔，其防绕击性能优越，保护角可以小于 0°。

图4 竖塔、横塔绕击跳闸率与避雷线保护角关系Fig.4 The relationship between towers'shielding failure trip out rate and lightning shielding line's protection angle

4.2 耦合地线对提升杆塔防反击效果研究

架设耦合地线通常作为一种防雷的补救措施，主要用于某些已经建成投运线路的雷击故障频发线路段，还适用于难以降低杆塔接地电阻的山区。实际运行经验也表明，架设耦合地线可有效提高线路的反击耐雷性能，降低线路雷击跳闸率。

常见的耦合地线架设方式包括:(1)单耦合线方式，即在杆塔中央、下层导线下方架设1条耦合地线;(2)三避雷线方式，即在最上层横担中央架设1条耦合地线(共计3条避雷线)。2种耦合地线架设方案对杆塔不同高度处线路的保护效果各不相同。单耦合地线位于杆塔下方，对下层导线保护效果较好，而三避雷线与上层导线之间的耦合系数较大，对上层导线雷电反击保护效果较好。

以竖塔和横塔为例，在不同的杆塔接地电阻下，对比分析了2种耦合地线架设方案的防反击效果，计算结果见表6。由表6可知:

(1)架设单耦合地线与三避雷线均可以提高线路反击耐雷水平。并且在杆塔接地电阻越大时，改造效果越明显，这与耦合地线适用于接地电阻难以降低的地区的特点相呼应。耦合地线可以增加地线与线路的耦合系数，同时增大对杆塔的分流系数，使线路耐雷水平提高。

(2)对比单耦合地线与三避雷线这2种耦合地线架设方案，三避雷线的防反击效果要优于单耦合地线。分析认为，由于塔身与横担的分流作用，杆塔上层导线绝缘子串承受的反击雷电过电压要高于下层绝缘子，易闪络相为上层导线。而三避雷线与上层导线的耦合系数较大，对上层导线的保护效果优于单耦合地线;另一方面，避雷线架设在杆塔顶部，分流作用更佳。综上所述，架设三避雷线的防反击效果优于单耦合地线方案。

(3)总体来说，对比架设耦合地线的2种方案，架设三避雷线可以更为有效地提高500 kV同塔四回线路的耐雷水平。但是在杆塔的最上方再拉1根地线，施工难度较大。而单耦合地线防雷效果虽然不及三避雷线，但仍可有效提高杆塔的反击耐雷水平，并且架设难度较小。因此，实际中应根据工程需要选择合适的耦合地线架设方案。

5 结论

(1)地面倾角 0°～30°、接地电阻 5 ～20 Ω 时，横塔的绕反击性能均优于竖塔，在典型情况(接地电阻5 Ω，地面倾角5°，I级落雷密度)下，横塔的雷击跳闸率仅为竖塔的1/4。电磁环境方面，竖塔的线路走廊为34 m，横塔的线路走廊为49 m，竖塔线路下方的工频电场、磁场、无线电干扰及可听噪声均优于横塔。综上所述，建议在雷害较轻或线路走廊紧张地区采用竖塔，在雷害严重或对走廊宽度不敏感的地区采用横塔。

表6 不同耦合地线架设方案下竖塔与横塔四回线路的反击耐雷水平Tab.6 Towers'lightning withstand performance of back flashover under different coupling earth wires

(2)在地面倾角5°～30°范围内，横塔的绕击跳闸率均低于竖塔。在地面倾角为5°时，竖塔绕击跳闸率为0.031次/(100 km·a)，而横塔为0。随着地面倾角的增大，2种杆塔绕击跳闸率仍存在较大的差距，当地面倾角增大到30°时，竖塔、横塔绕击跳闸率为0.24、0.14 次/(100 km·a)，横塔绕击跳闸率仅为竖塔的54%。

(3)在接地电阻5～20 Ω范围内，横塔的反击耐雷水平优于竖塔。接地电阻为5 Ω时，横塔的反击耐雷水平比竖塔高40 kA左右，随着接地电阻的增大，2种杆塔的反击耐雷水平有一定程度的下降，当接地电阻为15 Ω时，横塔反击耐雷水平仍比竖塔高14 kA。

(4)对避雷线保护角－10°～10°范围内杆塔的绕击跳闸率进行了研究。对于竖塔，当保护角小于－2.5°时，线路绕击跳闸率较低，且上升不明显。若进一步增大保护角，线路绕击跳闸率将会迅速上升。因此，建议同塔四回线路竖塔避雷线保护角不大于－2.5°。横塔的防绕击性能优越，在保护角 －10°～5°范围内，其绕击跳闸率均为0，因此建议横塔采用国网公司建议保护角，保护角小于0°。

(5)对于同塔四回线路，架设单耦合地线与三避雷线均可以提高线路反击耐雷水平，并且在杆塔接地电阻越大时，改造效果越明显。对比这2种方案，架设三避雷线可以更为有效提高线路耐雷水平，但三避雷线架设难度大于耦合地线方案，因此应根据实际情况选择耦合地线方式。

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