50kV单回线路在多雷区防雷差异化设计措施的探讨

2020-06-29胡淑兵朱本玉

江西电力 2020年6期

胡淑兵，朱本玉，罗燎，李新

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西南昌330096）

0 引言

架空线路雷击种类主要分为直击雷和感应雷，110kV以上电压等级输电线路主要考虑直击雷的影响。直击雷主要有反击和绕击两类。反击与雷电流幅值、接地电阻、线路绝缘水平等因素有关；绕击与地形地貌、线路保护角、线路绝缘水平及雷电流幅值等因素有关。

江西雷害风险等级整体较高。大部分处于Ⅲ级区域，约占总面积的2/3，Ⅳ级区域约占1/3。通过对江西省2012-2016年500kV及以上输电线路雷击故障点进行统计分析，得出故障点主要处于C2级地闪密度等级区域（16次），其次是D1（9次）、D2（3次）、C1（3次）地闪密度等级区域。500kV线路31次跳闸中绕击跳闸28次，占比90.32%，反击跳闸3次，占比9.68%；220kV线路136次跳闸中绕击跳闸97次，占比71.32%，反击跳闸39次，占比28.68%。

可见500kV线路的雷击跳闸危害主要是由雷电绕击造成的，因此，对于500kV线路来说，采取有效措施降低雷电绕击率，将能起到良好的防雷效果。

1 减小地线保护角对铁塔结构设计及防雷效果的影响分析

对于500kV单回路铁塔而言，国网通用设计铁塔地线对导线保护角为+10°，减小地线对导线保护角的措施有两种形式：1）+5°保护角，加高地线支架，减小地线对导线保护角；2）负保护角，将地线支架水平向外延伸，使地线在水平面内投影范围包络导线在水平面内投影范围。以下主要详细分析比较以上两种措施与通用设计铁塔时雷电绕击跳闸率、投资费用；3）另将较常用避雷器方案也作相关比较分析。

1.1 +5°保护角铁塔结构设计及防雷电绕击效果分析

500kV单回线路铁塔地线保护角，规范要求值为不大于10°，为提高防雷电绕击效果，减小5°保护角后为不大于+5°保护角，同时为了满足导、地线水平偏移的要求，需将通用设计铁塔的地线支架抬高，地线支架至导线挂点的垂直距离将由原典设7.0m基础上调整至18.5m，塔头形式详见图1所示。所得到的塔头地线支架过高，结构形式非常不合理，一般来讲正常铁塔的高宽比一般在4-6之间，大于6则属于窄基塔的范畴，其受力机理和设计方案都不一样，地线支架高度为18.5m，则地线支架底部宽度至少应有3.5m，由此铁塔横担将变得更长。经过受力优选得到其铁塔重量约为37.7t，较原通用设计增重约40%左右。可见，无论从结构形式的合理性还是从经济性来看，这种结构形式都是不合理的。

图1 +5°保护角铁塔塔头示意图

地线+5°保护角方案，通过采用电气几何模型（EGM）法计算，对于防雷电绕击的效果如表1所示，可见，对于呼高不高的铁塔，改善效果不明显，对于呼高较高的铁塔，略有改善效果。

表1 通用设计铁塔与+5°保护角铁塔防雷电绕击跳闸率的对表

1.2 负保护角铁塔结构设计及防雷电绕击效果分析

由上节分析可知，500kV单回线路铁塔地线保护角减小5°，对于防雷电绕击效果不是很好，那么继续减小地线保护角至负保护角，导线悬垂串由IVI型式改为3V型式，塔头型式如图2所示。

图2 负保护角铁塔塔头示意图

1.2.1 负保护角铁塔结构设计

从图2中可以看到，该方案地线支架高度与典设相比保持不变，但是由于横担结构变长，两个地线挂点往外侧移动约4.0m，导致地线荷载产生的扭力较原来相比增大约38%，经过受力优选得到其铁塔重量约为29.1t，较原通用设计铁塔增重约6%。

可见，该方案的结构塔头形式变化较大，地线支架扭力的增加导致铁塔各部分受力较原典设增大，但因地线规格远小于导线的规格，地线的脱冰扭力占整个铁塔扭力的比重不大，故内力增大的幅度不大。

该方案的主要变化是地线支架往外伸，将导致两个地线挂点产生的扭力大幅增加，使得铁塔特别是斜材受力大幅增加。为对负保护角方案在设计覆冰和覆冰过载工况下的内力变化情况进行分析，现对15mm设计覆冰和30mm过载覆冰工况下，分别对国网典型设计模型和负保护角方案模型（仅对地线支架和横担局部改造）进行满应力计算分析。

在15mm设计覆冰下，负保护角方案较国网典型设计方案横担中部部分交叉材内力增加了约6%，曲臂内力增加了约3%，塔身斜材内力增加了约3%。

在30mm过载覆冰下，负保护角方案较国网典型设计方案横担中部部分交叉材内力增加了约10%，曲臂内力增加了约4%，塔身斜材内力增加了约6%。

可见，负保护角方案在15mm设计覆冰下，因横担结构变长，地线脱冰扭转力矩增大，横担以下结构内力增大，使得塔重增重，相应的投资增加。在30 mm过载覆冰下，负保护角方案的不同部位的内力也均有所增加，抗冰过载能力略微有所下降。若采用负保护角方案，需通过增大杆件规格以提高铁塔的设计覆冰抵抗能力，通过增加验算覆冰工况来加强局部杆件的强度，以确保铁塔的安全稳定。

1.2.2 负保护角防雷电绕击效果分析

负保护角方案，通过采用电气几何模型（EGM）法计算，对于防雷电绕击的效果如表2所示，可见，负保护角方案对于防雷电绕击效果显著[1]。

表2 通用设计铁塔与负保护角铁塔防雷电绕击跳闸率的对比表

负保护角设计时，双地线能起到有效屏蔽作用，理论计算结果显示，当地面夹角为0°时，其能避免绕击事件。从降低绕击跳闸率方面考虑，负保护角设计较通用设计铁塔、5°保护角设计具有明显的优势，经理论计算，从本质上消除了线路绕击跳闸的发生，具有显著的防雷效果[2]。

1.3 安装避雷器防雷效果分析

装设避雷器原则：1）突出于局部地区最高山顶的杆塔；2）附近线路发生过雷击跳闸的杆塔。每基铁塔避雷器通常只能保护本基铁塔以及相邻铁塔不受雷击跳闸，对于500kV单回路铁塔，推荐在两边边相各装设一套避雷器，对于落雷密度较大地区，通常每隔一基铁塔装设避雷器。

经现场勘察定位资料，本工程如考虑装设避雷器方案，考虑计50基铁塔装设，每基单回路铁塔边相导线各安装1套，共计装设100套避雷器，避雷器使用寿命取为25年，按50年设计寿命，50年内避雷器需更换约1次。

2 结语

进过上述分析，对比如表3：

表3 各方案工程投资比较

表3显示，表中后三者均较通用铁塔投资增加，5°保护角方案投资增加最大，其次为装设避雷器方案，负保护角方案投资增加最小。据收资了解，江西省内500kV线路铁塔如受雷击跳闸，考虑装设避雷器后，其临近铁塔还是会出现雷击跳闸的情况，这说明装设避雷器方案需覆盖大范围线路段才能更有效地避免线路雷击跳闸事件，因此实际费用较高。

通过以上研究分析，国网通用设计铁塔与5°保护角设计、负保护角设计、装设避雷器方案的综合比较如表4所示。