750k V/330k V混压同塔四回输电线路耐雷性能研究

温灵长，孙菊海

（陕西省电力设计院，陕西西安 710054）

双回750 kV与双回330 kV交流输电线路同塔架设，可增大单位输电线路走廊的输送容量，节省线路走廊和工程投资，是解决线路通道问题的优选方案，尤其是在走廊特别紧张的地区显得更加突出。因此开展750 kV与330 kV混压同塔四回路输电线路的耐雷性能等关键技术研究，对目前开展的750 kV西安南输变电工程建设具有很大的促进作用和十分重要的经济效益和社会效益。

1 计算用参数

1.1 线路杆塔

根据工程实际走廊情况规划了两种塔型，如图1所示。A型塔上面两回为750 kV，下面两回为330 kV，均为垂直排列，以下简称A型塔；B型塔上面两回为750 kV，为垂直排列，下面两回为330 kV，为倒三角形排列，以下简称B型塔。

1.2 线路参数

750 kV线路导线型号：6×JL3/LHA1-365/165铝合金芯高导铝绞线，分裂间距400 mm。

330 kV线路导线型号：4×JL3/G1A-400/35高导电率钢芯铝绞线，分裂间距400 mm。

地线一根采用JLB20A-150铝包钢绞线，一根采用OPGW-150光缆。

2 线路雷电反击性能

2.1 雷电反击计算模型

2.1.1 杆塔模型的建立

由于本次仿真计算的750/330 kV混压同塔四回杆塔高度较高，结构较为复杂，所以基于垂直导体不同高度处的波阻抗是不同的原理。建立750/330 kV混压同塔四回杆塔的等效多波阻抗电磁暂态仿真模型[1-2]，两种方案的建模示意图如图2所示。图2中，ZTk为主支架等效波阻抗；ZAk为横担等效波阻抗；ZLk为辅助支架等效波阻抗；Rg为杆塔的冲击接地电阻。其中k=1~6。

图1 典型杆塔尺寸Fig.1 Sizes of typical tower

根据已知的750/330 kV混压同塔四回杆塔的结构参数，可以计算得到两种方案杆塔的等值参数多波阻抗模型，如表1、表2所示。

2.1.2 电源模型的建立

1）雷电流源模型的建立。雷电的物理过程虽然复杂，但是从地面感受的实际效果和防雷保护的工程实用角度，可以把它简化为一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地面传播的电磁波过程，据此建立计算模型，见图3。

对于750 kV系统线路，其反击耐雷水平通常大于100 kA，当I>100 kA时，Z0稳定于300 Ω附近，在反击计算中雷电流幅值很高，Z0较小可以取为300 Ω，而雷电流波形选用2.6/50 μs的等值斜角波[3]。

图2 杆塔的多波阻抗模型Fig.2 The model of multi-waves impedance of tower

表1 A型塔的多波阻抗模型参数Tab.1 Characteristics of multi-waves impedance model of tower A

表2 B型塔的多波阻抗模型参数Tab.2 Characteristics of multi-waves impedance model of tower B

2）工频电压源模型。工作电压是线路正常工作时加在导线上的电压。当雷击塔顶时，利用ATPEMTP[4-5]可计算出杆塔各节点处电压，通过分析绝缘子串两端电压是否大于临界放电电压U50%，即可确定线路的耐雷水平。在本次仿真计算中，不但考虑了750 kV、330 kV四回路的工作电压和雷击塔顶时感应电压[6]，而且计入了冲击电晕的影响。固定雷电流波形的波头和波尾时间，通过不断改变雷电流幅值，直到使绝缘子串恰好闪络为止，此时的雷电流即为线路的反击耐雷水平。

图3 雷电流源等值电路Fig.3 The equivalent circuit of the lightning current

本次计算中为使防雷分析更加准确，在计入线路工作电压影响时按750 kV、330 kV输电系统的最高运行电压（800 kV、363 kV）的有效值来计算。转换为单相电压后幅值分别为653.2 kV和296.3 kV，相角均为45°，输入到ATP-EMTP的交流电压源模型中即可。

2.1.3 输电线路模型的建立

本次仿真计算的750 kV与330 kV混压同塔四回路共有14条线路，由于ATP自带的LCC模块最多可以设置9条线路，计算时采用了自建的14回路LCC模块。

2.1.4 雷击塔顶时导线上的感应电压

由于雷击塔顶时，迅速向上发展的主放电引起周围空间电磁场的突然变化，也会在架空线路的导线上产生感应过电压，该感应过电压的极性与雷电流的极性相反；同时由于避雷线与导线的耦合产生了电磁屏蔽作用，使得导线上的感应过电压降低，所以此时作用在导线上的附加电压要考虑到耦合和感应两部分的作用。

按照GB/T 50064“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范”给出的计算公式如式（1）所示。

式中，a为雷电流陡度，kA/μs；kb为主放电速度与光速c的比值，I为雷电流瞬时值，kA；hc，t为导线在杆塔处的悬挂高度，m；ht，av为地线对地平均高度，m；dR为雷击杆塔时，迎面先导的长度，dR=5I0.65，m；k0为地线与导线间的耦合系数。

2.1.5 绝缘子串模型的建立

在EMTP-ATP仿真计算软件中，将绝缘子串等效为压控开关，绝缘子串的冲击闪络电压U50%则为开关的导通电压，计算得到750 kV线路的33片悬式瓷绝缘子串的冲击闪络电压U50%约为2822 kV；计算中考虑到感应电压的影响，故压控开关导通电压设置为（2822 kV-Ui），330 kV线路的19片悬式瓷绝缘子串的冲击闪络电压U50%约为1645 kV；计算中考虑到感应电压的影响，故压控开关导通电压设置为（1645 kV-Ui’）。

2.2 反击跳闸率的计算

当雷击线路杆塔塔顶时，根据电磁暂态程序法和3.1节雷电反击计算模型，以绝缘子串的U50%为闪络标准，固定雷电流波形的波头和波尾时间，通过不断改变雷电流幅值，恰好引起绝缘子闪络时即可确定线路的反击耐雷水平。

对反击跳闸率的计算，常用的计算公式见式（2）。

式中，N为每100 km线路每年遭受雷击的次数；g为击杆率，山丘1/4、平原1/6；η为建弧率；P1为雷电流幅值超过雷击杆塔耐雷水平的概率。

只要雷电流幅值超过线路的耐雷水平，就会引起线路绝缘发生冲击闪络。但只有在冲击闪络转化为稳定的工频电弧时，才会导致线路跳闸。在线路冲击闪络的总数中，可能转化为稳定工频电弧的比例，称为建弧率。根据实验室的实验数据和线路运行经验的分析结果，建弧率可按式（3）计算。

式中，η为建弧率；E为绝缘子串的平均运行电压梯度，kV/m。

本次仿真计算的750/330 kV同塔四回铁塔位于关中地区，属西北地区，故雷电流产生概率可由式（4）计算得到

式中，I为雷电流幅值，kA。

线路落雷次数N指每100 km线路每年遭受雷击的次数，次/（100 km·a），计算公式见式（5）。

式中，Ng为落雷次数，次/（km2·a）；hT为杆塔高度，m；b为两根地线之间的距离，m。

2.3 反击耐雷性能计算结果

由于750/330 kV混压同塔四回杆塔两侧线路排布完全对称，不平衡度极小，所以如果两侧采用相同相序，则单回路耐雷水平将和双回路耐雷水平相差很小（即一旦发生闪络就是同电压等级的双回线路一起闪络），容易发生危害较大的双回路同时闪络故障，故建议不采用同相序，或者可以小幅度增加单侧绝缘子片数或结构布置，实现杆塔两侧的弱不平衡。

本次计算采用的相序为逆相序，计算考虑接地电阻为7 Ω和10 Ω两种情况。

A型塔杆塔结构的计算结果见表3—表5。

表3 750 kV/330 kV同塔四回路反击耐雷水平（A型塔）Tab.3 The lightning counterattack level of the quadruplecircuit transmission line on the same tower with different voltages 750 kV/330 kV（tower A）

在两种电压等级的线路中，750 kV线路通常先于330 kV线路闪络，即单回雷击闪络就是750 kV线路单回反击闪络概率；随着雷电流的增加，会发生两回线路同时闪络的情况，计算结果显示，接地电阻为7 Ω时通常是两回750 kV线路同时闪络，接地电阻为10 Ω时也会出现单回750 kV和单回330 kV同时闪络的现象；随着雷电流的进一步增加，会发生两回750 kV线路和一回330 kV线路同时闪络的三回线路同时闪络的现象。

表5 750 kV/330 kV输电线路反击跳闸率计算结果（A型塔）Tab.5 The lightning counterattack tripping rate results of the quadruple-circuit transmission line on the same tower with different voltages 750 kV/330 kV（tower A）

随着雷电流的增大，线路也会出现四回线路同时闪络的现象，但这需要的雷电流幅值至少在200 kA以上，发生概率极小。

B型塔的反击耐雷水平计算结果见表6—表8。

表6 750 kV/330 kV同塔四回路反击耐雷水平（B型塔）Tab.6 The lightning counterattack level of the quadruplecircuit transmission line on the same tower with different voltages 750 kV/330 kV（tower B）

表7 750 kV/330 kV同塔四回路反击耐雷水平计算结果（B型塔）Tab.7 The lightning counterattack level results of the quadruple-circuit transmission line on the same tower with different voltages 750 kV/330 kV（tower B）

表8 750 kV/330 kV输电线路反击跳闸率计算结果（B型塔）Tab.8 The lightning counterattack tripping rate results of the 750 kV/330 kV transmission line（tower B）

与前一种塔形类似，在两种电压等级的线路中，750 kV线路通常先于330 kV线路闪络，即单回雷击闪络就是750 kV线路单回反击闪络概率；随着雷电流的增加，会发生两回线路同时闪络的情况。计算结果显示，通常是单回750 kV和单回330 kV同时闪络，这与A型塔的现象不同；随着雷电流的进一步增加，会发生三回线路同时闪络的现象，当接地电阻为7 Ω时，通常是“两回750 kV和单回330 kV”的闪络现象，当接地电阻为10 Ω时，通常是“单回750 kV和两回330 kV”的闪络现象。

与A型塔似，线路出现四回线路同时闪络需要的雷电流幅值至少在200 kA以上，发生概率极小。

750/330 kV混压同塔四回输电线路的反击跳闸率略高于750 kV同塔双回输电线路[2]。

2.4 分析与比较

2.4.1 两种方案反击耐雷性能的比较

从表9、表10中的数据可以看到，A型塔的330 kV线路的反击耐雷性能要优于B型塔的杆塔塔形，750 kV线路的反击耐雷性能则劣于B型塔，并且当接地电阻增大时，两种方案的差异会增大。

表9 两种方案杆塔反击耐雷性能比较Tab.9 Comparison of the lightning counterattack performance between two schemes

表10 两种方案杆塔反击耐雷性能比较Tab.10 Comparison of the lightning counterattack performance between two schemes

2.4.2 接地电阻的影响分析

从表9、表10中的数据可以看出，当接地电阻由7 Ω增加至10 Ω时，不论是A型塔还是B型塔，系统的反击耐雷性能均会明显变差，并且对于两回以上的多回线路同时闪络的影响更大。比如对于A型塔，接地电阻为10 Ω时的单回反击跳闸率是7 Ω时的1.52倍，双回反击跳闸率是7 Ω时的2.1倍，三回反击跳闸率是7 Ω时的8.1倍，四回反击跳闸率是7 Ω时的38倍。因此，在实际的工程建设中，应尽量减小杆塔的冲击接地电阻。

3 输电线路雷电绕击性能的计算

3.1 绕击耐雷性能计算方法

对绕击采用电气几何模型[6-8]，对于高杆塔先导入射角ψ的概率分布密度函数Pg（ψ）的表达式见式（6）。

雷电流绕击导线时，并非所有的绕击都会引起绝缘子串闪络。只有当雷电流在导线上引起的电压大于绝缘子串U50%放电电压时才能导致线路绝缘闪络。雷电为负极性时，绕击耐雷水平可由式（7）确定：

式中，Imin为绕击耐雷水平，kA；U-50%为绝缘子负极性50%闪络电压绝对值，kV；Z0为闪电通道波阻抗，Ω；ZC为导线波阻抗，Ω；Uph为导线上持续运行相电压的瞬时值，kV。

在计算Imax时，雷电对大地、导线和避雷线的击距都是Imax的指数函数，详见式（8）[9]、（9）[10-11]、（10）[9，12]，需要采用MATLAB进行迭代计算：

式中，rs为雷电对地线的击距，m；rc为雷电对导线的击距，m；rg雷电对大地的击距，m；Uph为导线上工作电压瞬时值，kV；hc.av为导线对地平均高度，m。

在确定绕击耐雷水平和最大绕击电流之后，综合考虑雷电先导的入射随机性，得到绕击跳闸率n2的计算公式见式（11）[12]，单位：次/（100 km·a）。

式中，N0为地闪密度；P2（I）为雷电流概率密度函数；χ为引入先导入射角后，暴露弧的投影。

3.2 绕击耐雷性能计算结果

利用EMTP-ATP仿真计算程序建立750/330 kV混压同塔四回杆塔模型与线路模型后，分析计算750 kV与330 kV输电线路的最大绕击雷电流、绕击耐雷水平与绕击跳闸率。

A型塔的绕击耐雷水平计算结果见表11—表14。

由式（9）可知，线路的绕击耐雷水平和最大绕击电流与线路的瞬时工作相关，750 kV和330 kV线路工作电压周期变化时的耐雷水平和最大绕击电流如表11、表12所示。

从表11和表12的计算结果中可以看到，A型塔对于下方的330 kV线路，由于上方地线、750 kV线路和下方大地的屏蔽保护，可以成功绕击于其上的雷电流很小，基本上不会大于10 kA。这种幅值的电流低于330 kV线路的绕击耐雷水平，即使绕击于330 kV线路上，也不会造成绝缘子的闪络从而发生跳闸事故。

表11 750 kV线路耐雷水平和最大绕击电流（A型塔）Tab.11 The lightning resistance level of the 750 kV power transmission line and the most shielding electric current（tower A）

表12 330 kV线路耐雷水平和最大绕击电流（A型塔）Tab.12 The lightning resistance level of the 330 kV power transmission line and the most shielding electric current（tower A）

表13 750 kV输电线路绕击性能计算结果（A型塔）Tab.13 The lightning shielding performance results of the 750 kV power transmission line（tower A）

表14 330 kV输电线路绕击性能计算结果（A型塔）Tab.14 The lightning shielding performance results of the 330 kV power transmission line（tower A）

B型塔的绕击耐雷水平计算结果见表15—表18。

对于B型塔结构，位于第四横担内侧的330 kV线路位置特殊，由于同高的外侧330 kV的保护，不会发生雷电绕击于其上的现象，故省略其计算。

从表15和表16的计算结果中可以看到，与A型塔类似，B型塔对于下方的330 kV线路，由于上方地线、750 kV线路和下方大地的屏蔽保护，可以成功绕击于其上的雷电流低于330 kV线路的绕击耐雷水平，即使绕击于330 kV线路上，也不会造成绝缘子的闪络从而发生跳闸事故。

3.3 分析与比较

3.3.1 两种方案绕击耐雷性能的比较

两种方案绕击耐雷性能的比较见表19。

从表19中的数据可以看到，两种方案的绕击耐雷性能都是比较优良的，下侧的330 kV线路基本均不会发生绕击闪络故障，对于上侧的两回750 kV线路，B型塔对各相的保护效果略优于A型塔。总体来说，两种方案下各相线路发生绕击跳闸事故的概率均低于0.001，发生概率很低。

3.3.2 保护角对绕击率的影响

研究避雷线不同保护角对线路绕击率的影响，由于同塔四回杆塔下层330 kV线路基本不会发生绕击跳闸现象，在这里仅对上层750 kV线路进行讨论，计算结果见表20。从表20中的数据可以看到，无论对于哪种方案，当避雷线保护角增大时，750 kV各相导线的绕击率均随着增加，当保护角减小时，线路的绕击率则随之减小，因此从降低绕击率的角度出发，杆塔塔形设计时，应尽量减小避雷线的保护角。

表15 750 kV线路耐雷水平和最大绕击电流（B型塔）Tab.15 The lightning resistance level of 750 kV power transmission line and the most shielding electric current（tower B）

表16 330 kV线路耐雷水平和最大绕击电流（B型塔）Tab.16 The lightning resistance level of 330 kV power transmission line and the most shielding electric current（tower B）

表17 750 kV输电线路绕击性能计算结果（B型塔）Tab.17 The lightning shielding performance results of the 750 kV power transmission line（ tower B）

表18 330 kV输电线路绕击性能计算结果（B型塔）Tab.18 The lightning shielding performance results of the 330 kV power transmission line（ tower B）

表19 750 kV/330 kV混压同塔四回输电线路两种塔型的绕击耐雷性能比较Tab.19 The comparison of the lightning protection performance of shielding failure between two tower types in quadruple-circuit transmission line and the dual voltage 750 kV/330 kV on the same tower

表20 不同保护角对线路绕击率的影响Tab.20 The influence on the power transmission line shielding rate with different protecting angles

4 结论

1）塔型A的330 kV线路反击耐雷性能要优于塔型B，750 kV线路的反击耐雷性能则劣于塔型B，并且当接地电阻增大时，反击耐雷性能均会明显变差，并且对于两回以上的多回线路同时闪络的影响更大。因此，在实际工程建设中，应尽量减小杆塔的冲击接地电阻。

2）两种塔型的绕击耐雷性能都是比较优良的，各相线路发生绕击跳闸事故的概率均低于0.001，发生概率很低。下侧的两回330 kV线路均不会发生绕击闪络故障，对上侧的两回750 kV线路，B型塔对各相的保护效果略优于A型塔。

3）减小地线的保护角，混压四回线路的雷电绕击跳闸率明显减低。建议进一步减小地线保护角。

4）两种塔型的防雷性能均满足要求，但A塔型相对较高，铁塔较重，B塔型走廊宽度要求相对较大，房屋拆迁量较大，750 kV西安南输变电工程750 kV与330 kV混压四回路段最终采用何种塔型，还需通过其他电气性能计算和工程房屋拆迁量的技术经济比较后确定。

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