复合材料杆塔防雷优化设计方法研究

赵 淳，胡 雯

（1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2.湖北经济学院 信息工程学院，武汉430205）

复合材料杆塔防雷优化设计方法研究

赵 淳1，胡 雯2

（1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2.湖北经济学院 信息工程学院，武汉430205）

复合材料杆塔作为一种新型输电杆塔，造价相比普通铁塔更高，但技术优势明显。雷击是影响输电线路安全运行的主要风险源，开展合理的防雷优化设计是推广应用复合材料杆塔的关键环节。针对这一问题，确定雷电地闪、地形和线路参数是防雷优化设计的影响因素，建立了综合考虑以上影响因素的防雷优化设计方法，提出了杆塔结构设计方法及合理的调整范围，提出了杆塔分段接地设计方法，并将其应用于典型110 kV同杆双回复合材料杆塔线路的优化设计，应用该方法后杆塔塔头尺寸可较优化前缩减30%～40%，接地杆塔数量可减少2/3。

复合材料；杆塔；输电线路；防雷；优化设计

0 引言

输电线路是电网的主动脉，是地面广域分布的超大规模系统，其最大几何尺度可达数千公里。绵延分布的输电线路不可避免的受到自然环境及人为因素的双重影响，导致跳闸及故障时有发生[1－6]。据国网公司2005－2010年的运行数据，外力破坏、风害、冰害、雷击、污闪和鸟害是造成输电线路运行故障的主要因素，这六种因素造成的线路跳闸占跳闸总数的90.6%；造成的线路停运占停运总数的86.5%[7－8]。因此，做好输电线路防外力破坏、防风害、防冰害、防雷击、防污闪和防鸟害（简称“六防”）工作，是提升输电线路安全运行水平的重中之重。

复合材料杆塔是以不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂等材料为基体，采用缠绕、拉挤、真空灌注等工艺添加玻璃纤维制成的[9－10]。全绝缘复合材料杆塔与普通铁塔相比，在六防方面具有以下特点：

1）防外力破坏：杆塔主材间连接简单紧密，不易偷盗；

2）防风害：横担绝缘，悬垂绝缘子（串）可取消；材料强度大，强风天气下不易损坏；

3）防冰害：憎水性能好，表面涂层憎水角≥120°，粘附力和脱落时间大约为钢材的一半；

4）防雷击：无架空地线且杆塔绝缘，雷电流不能释放入地，但闪络路径由相对地变为相对相，闪络路径长度有所增加；

5）防污闪：有效爬电距离大，较常规绝缘子（串）的爬电距离增加近50%；

6）防鸟害：表面光滑，飞鸟筑巢难度大。

综上可见，全绝缘复合材料杆塔与普通铁塔相比，除防雷击特性外，其余五防特性明显更优。由于复合材料相比钢材价格更高，如直接套用普通铁塔的典型结构和尺寸，经济性势必成为应用复合材料杆塔的明显缺陷。

因此，如何在保证和提升防雷性能的同时，尽量降低造价就成为推广应用复合材料杆塔的关键。为解决上述问题，笔者拟从杆塔结构尺寸和接地方式两方面，基于技术经济性最优原则提出复合材料杆塔的防雷优化设计方法，并应用该方法针对典型线路开展复合材料杆塔改造工程设计。

1 防雷优化设计影响因素

影响输电线路防雷性能的因素一般包括：雷电地闪参数、地形参数、线路参数。

1.1 雷电地闪参数

雷电地闪参数包括表征雷电频度和强度的两类参数，其中雷电频度通过地闪密度表征，雷电强度通过雷电流幅值累积概率表征[11－12]。不同地区雷电地闪参数差异明显，目前可基于广域雷电地闪监测数据统计得到可真实反映杆塔处实际雷电特征的参数值[13－14]。

1.2 地形参数

地形主要包括山区和平原，一般分为山谷、山顶、爬坡、沿坡和平地5种地貌，如图1所示。

不同位置杆塔的地形参数差异明显，可基于三维地理信息数据提取。

图1 地貌分类示意图Fig.1 The schematic diagram of landscape classification

1.3 线路参数

线路参数一般包括：

1）杆塔参数，包括杆塔编号，杆塔几何尺寸，杆塔中心桩经纬度坐标、海拔高度和附近土壤电阻率，接地装置电阻值；

2）导地线参数，包括导线型号、分裂数及分裂间距，地线型号[15]；

3）导（地）线绝缘子（串）参数，包括型号、片数、悬挂方式；

4）档距参数，包括水平档距、雷电气象条件下的导/地线弧垂。

需要注意的是，对于复合材料杆塔，条件允许时可取消绝缘子（串）；如采用全绝缘方式，地线和接地装置也将取消[16]。

1.4 影响因素分析

对一条初设完成的线路而言，其线路走向已经确定，即每基杆塔的坐标无法变更。这样，杆塔处的雷电地闪参数和地形参数实际上也已确定。因此，防雷优化设计其实就是考虑雷电地闪参数和地形参数，合理优化线路参数。对复合材料杆塔而言，线路参数中可优化设计的内容包括杆塔几何尺寸和接地方式，其中接地方式涉及地线和接地装置参数。

2 防雷优化设计目标与方法

2.1 优化设计目标

对复合材料杆塔而言，若仅考虑经济因素，采用图2所示的未设地线和接地装置的全绝缘形式显然是最适宜的。但正如前文所述，由于不同杆塔处的雷电和地形特征差异较大，仅采用一种杆塔形式显然无法满足整条线路的运行要求。图2所示的110 kV双回复合材料杆塔，因无地线且塔身、横担完全绝缘，不存在雷电反击的情况，雷击跳闸均由雷电直击导线引起的相间闪络造成，仿真计算得到耐雷水平约为23kA，远远低于国标要求的110 kV双回线路耐雷水平50～61 kA[17]。如果将此塔形应用于多雷区和强雷区，必将给线路运行带来极大风险。而如果所有地区杆塔均按图3所示加设地线和接地引下线，则有可能造成部分杆塔设计过于保守，导致资源浪费。因此，应综合经济性和技术性要求开展防雷优化设计。

经济性评价指标显然是杆塔造价，技术性评价指标可采用雷击跳闸率表征。目前国家电网公司和南方电网公司均结合自身实际提出了适宜的雷击跳闸率控制值，以国家电网公司为例，雷击跳闸率控制值如表1所示[18]。

图2 全绝缘复合材料杆塔Fig.2 All insulated composite material tower

图3 复合材料杆塔的地线和接地引下线Fig.3 Ground wire and down conductor of composite material tower

表1 雷击跳闸率控制值Table.1 The control values of lightning trip-out rate

复合材料杆塔防雷优化设计的目标就是确保雷击跳闸率满足控制值的前提下，尽可能降低杆塔造价。

2.2 优化设计方法

针对防雷优化设计目标，综合各影响因素，提出如图4所示的复合材料杆塔防雷优化设计方法。

防雷优化设计的控制因素包括三方面：一是雷击跳闸率控制值要求；二是防雷设计裕度的合理性；三是杆塔设计的其他硬性要求。具体方法如下：

1）根据初设方案中的杆塔经纬度坐标获得杆塔处的雷电参数和地形参数，并结合杆塔结构和接地方式的初设方案，计算杆塔绕、反击耐雷水平I1、I2及绕、反击跳闸率 Rr、Rf。

2）对比雷击跳闸率R（R=Rr+Rf）与控制值，如R满足控制值要求，则对设计裕度合理性进行评估；如不满足要求，则对杆塔结构和接地方式进行优化设计，直至满足控制值要求为止。

图4 复合材料杆塔防雷优化设计方法Fig.4 The optimization design method of lightning protection for composite material tower

3）对满足雷击跳闸率控制值要求的杆塔，计算R与控制值的差值；如差值合理，则校核杆塔参数是否满足其他设计要求；如差值过大，则对杆塔结构和接地方式进行优化设计，直至差值合理为止。

4）对防雷设计裕度合理的杆塔，校核杆塔参数是否满足现行标准规定的其他设计要求；如满足则形成防雷优化设计方案；如不满足则对杆塔结构和接地方式进行优化设计，直至满足要求即形成防雷优化设计方案。

3 杆塔结构与接地方式优化设计方法

3.1 杆塔结构优化设计方法

110 kV普通铁塔通常采用7～8片绝缘子，绝缘间隙长度约1～1.2 m；目前复合材料杆塔绝缘间隙长度达1.7～1.9 m。单纯从间隙长度上看，可适当缩减复合杆塔横担长度。具体优化方法包括：①保持塔头部分各横担高度不变，等比例调整各横担长度；②适当调整杆塔呼高，但应满足杆塔对地安全距离要求[19]。同塔双回杆塔塔头结构尺寸的调整方法如图5所示，其中k为调整系数。

不同调整系数下典型110 kV同杆双回复合材料杆塔结构参数如表2所示。据此参数计算得到地闪密度 2.78 次/（km2·a）、 地面倾角 0～30°条件下杆塔雷击跳闸率，如图6所示。可见，不同调整系数下，杆塔雷击跳闸率变化明显，对表2所示的复合材料杆塔调整系数取0.8较为合适。

图5 同塔双回杆塔塔头结构尺寸调整示意图Fig.5 The schematic diagram of tower head structure adjustment for double－circuit tower

表2 不同调整系数下的110 kV同杆双回复合杆塔结构参数Table 2 The structure parameters of 110 kV doublecircuit composite material tower under different adjustment coefficient

图6 110 kV同杆双回复合材料杆塔雷击跳闸率计算值Fig.6 The computation values of lightning trip－out rate of 110 kV double－circuit composite material tower

3.2 杆塔接地方式优化设计方法

复合材料杆塔如不设置架空地线，则雷电均直接击中导线，由于直击下的耐雷水平很低，因此目前实际应用的复合材料杆塔一般都选择架设地线，这样可以拦截大量雷电。既然已确定全线架设地线，那么接地方式优化设计的核心就聚焦到采用何种方式设置图3所示的接地引下线：①全线不接地；②逐塔接地；③分段接地。对于采用如图7所示分段接地的线路，还应确定具体方式。

分段接地的具体方式可用分段系数N/M表示，其中N为邻近的两接地段间所间隔的不接地杆塔数量，M为一个接地段内连续接地杆塔数量。如每隔1基塔接地1次，则图7中的N=1，M=1，N/M=1；如逐塔接地，则N=0，M为杆塔总数，N/M=0；如全线不接地，则N为杆塔总数，M=0，N/M=∞；如每隔1基塔连续有M基塔接地，N=1/M（M为正整数）。

图7 分段接地方式示意图Fig.7 The schematic diagram of segmented grounding

不接地情况下，典型110 kV同杆双回复合材料杆塔的反击耐雷水平约为18 kA，远低于普通110 kV铁塔；绕击耐雷水平约为12 kA。对应的地闪密度2.78 次/（km2·a）、地面倾角 0～30°条件下的雷击跳闸率计算值如图8所示，远远超出表1所示的控制值。

图8 不接地时110kV同杆双回塔雷击跳闸率计算值Fig.8 The computation values of lightning trip－out rate of 110kV double－circuit composite material tower un－grounded

接地情况下，典型110 kV同杆双回复合材料杆塔的反击耐雷水平约为150 kA，达到普通500 kV铁塔水平；绕击耐雷水平约为5 kA，与普通110 kV铁塔持平。对应的地闪密度2.78次/（km2·a）下的雷击跳闸率，即使在地面倾角30°下仍小于0.1次/（100 km·a），远远优于110 kV线路控制值要求，甚至低于500 kV线路控制值要求。

因此，合理的接地方式应按照图4所示方法并综合雷电、地形等参数分析确定。复合材料杆塔作为一种新型杆塔，目前可借鉴的运行经验十分有限，因此出于线路运行安全考虑，规定进线段和出线段杆塔（邻近变电站的5基杆塔）均逐塔接地。

4 典型优化设计案例

4.1 线路简介

A线为110 kV同杆双回线路，共65基杆塔。2011－2014年线路走廊各区段平均地闪密度值如表3所示，雷电流幅值累积概率分布拟合表达式如式（1）所示。依据表1给出的雷击跳闸率控制值要求，折算至A线路走廊实际平均地闪密度下的控制值为1.01次/（100 km·a）。这里选取 46号－54号杆塔段作为典型案例论述复合材料杆塔防雷优化设计方法。

表3 A线各区段2011—2014年平均地闪密度值Table 3 The ground flash density of every tower section of A line during the years from 2011 to 2014

4.2 优化设计方案

46号～54号杆塔段如逐塔接地，按图4所示方法分析后发现各基杆塔雷击跳闸率均满足控制值要求，但安全裕度偏大，因此需要对其杆塔结构和接地方式进行优化设计，即确定合理的调整系数k和分段系数N/M。

如图9所示，k=1、N/M=1 时，46 号～54号杆塔段内不接地杆塔的雷击跳闸率为0.70次/（100 km·a），明显低于控制值；当k=0.6时，不接地杆塔的雷击跳闸率才超出控制值。因此，可进一步开展优化设计。

图9 N/M=1时46号－54号杆塔段雷击跳闸率计算值Fig.9 The computation values of lightning trip－out rate of 46－54 tower section when N/M=1

如图10所示，将46号－54号杆塔段中46号、49号、52号杆塔接地，其余杆塔不接地，即N/M=2时，若k=0.7，则各基杆塔的雷击跳闸率均满足控制值要求；若k=0.6，则仅有接地杆塔满足控制值要求。当N/M＞2时，即使k=1，不接地杆塔的雷击跳闸率仍超出控制值。因此，46号－54号杆塔段采用分段接地，且分段系数N/M=2；接地杆塔的调整系数k=0.6，不接地杆塔k=0.7。

图10 N/M=2时46号－54号杆塔段雷击跳闸率计算值Fig.10 The computation values of lightning trip－out rate of 46－54 tower section when N/M=2

依据其他设计要求，对优化后的方案进行校核，结果表明优化方案完全满足其他设计要求。

5 结论与展望

针对复合材料杆塔防雷设计存在的问题，分析确定了防雷优化设计的影响因素，提出了防雷优化设计的目标，建立了综合考虑各影响因素的防雷优化设计方法，提出了杆塔结构调整系数和接地方式分段系数，并将其应用于典型110 kV同杆双回复合材料杆塔线路的优化设计，验证了该方法的有效性和实用性。通过本文的研究得到了以下结论：

1）防雷优化设计影响因素包括雷电地闪、地形及线路参数；优化设计目标是考虑雷电地闪和地形参数，合理优化线路参数，在确保雷击跳闸率满足控制值的前提下，尽可能降低杆塔造价。

2）未优化的110 kV复合材料杆塔结构安全裕度一般在30%～40%，提出了基于调整系数的杆塔结构优化方法，即保持塔头部分各横担高度不变，等比例调整各横担长度。

3）逐塔接地110 kV复合材料杆塔线路的防雷性能可达到甚至优于普通500 kV线路水平，但不接地时防雷性能仅为普通110 kV线路的40%，提出了基于分段系数的杆塔接地方式优化方法。

4）典型110 kV同杆双回复合材料杆塔线路在地闪密度约 4次/（km2·a）下，每隔 2基塔有 1基塔接地；接地杆塔塔头尺寸缩减至原杆塔60%、不接地杆塔缩减至原杆塔70%即可满足运行要求。

5）研究成果对于推广复合材料杆塔应用具有重要意义，该方法的推广应用可显著改善目前复合材料杆塔设计裕度过大、工程造价过高的现状，同时起到推进差异化防雷技术实施的作用。

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Research on the Optimization Design Method of Lightning Protection for Composite Material Tower

ZHAO Chun1，HU Wen2
（1.Wuhan NARI Limited Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China；2.College of Information Engineering，Hubei University of Economics，Wuhan 430205，China）

As a new type of transmission line tower，composite material tower has a higher cost compared with the ordinary iron tower.But there is an obvious technology advantage in composite material tower.Lightning is a major risk source affecting the safe operation of transmission line.So the reasonable optimization design for lightning protection is a key point in the process of application of composite material tower.In order to solve this problem，the influence factors of optimization design are presented，which consist of ground flash，landscape，and line parameters.Based on these factors，the optimization design method is proposed.Further，the tower structure design method is proposed.Using this method，the reasonable adjustment range of tower structure also has been given.The segmented grounding design method is proposed in this paper.Finally，these methods have been applied to a typical 110 kV doublecircuit composite material transmission line.Compared with before optimization design，the tower head size can be cut 30%～40%，and the number of grounding towers can be decreased 2/3.The research results in this paper can play an important role in application of composite material tower.

composite material;tower;transmission line;lightning protection;optimization design

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.018

2016－04－11

赵 淳（1985—），男，博士，高工，主要研究方向为雷电监测、预警及防护技术。

国家电网公司总部科技指南项目。