多回路架空送电线路耐雷水平分析.doc

多回路架空送电线路耐雷水平分析

多回路架空送电线路耐雷水平分析
张颖璐
（常州电力设计研究院，江苏 常州 213003）

摘 要： 在电网建设中，为节约走廊，多回架设送电线路日益增多。由于排列复杂，杆塔高度的增加，给线路防雷带来不利因素。本文通过对影响耐雷水平因素的分析，结合实例的计算，提出一些改善同杆多回路线路耐雷性能的措施。
关键词： 送电线路 绝缘 耐雷水平

在城市电网建设中，为节约电力线路走廊，同杆架设多回送电线路日益增多。由于回路多排列复杂，杆塔高度的增加，给线路防雷带来不利因素，一定程度上降低了线路的耐雷水平。本文通过对影响耐雷水平因素的分析，提出一些改善同杆多回路线路耐雷性能的措施。

1 线路耐雷水平分析

1.1 耐雷水平
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620-1997）规程，雷击有避雷线的同杆架设多回送电线路杆塔顶部时，耐雷水平按下式计算：
（1）
式中 u50%—绝缘子串的50%冲击放电电压，kV；
k、k0 —导线和避雷线间的耦合系数和几何耦合系数；
β —杆塔分流系数；
Ri —杆塔冲击接地电阻，Ω；
Lt —杆塔电感，μH；
ht、ha—杆塔高度和横担对地高度，m；
hg、hc—避雷线和导线平均对地高度，m。

1.2 分流系数
总雷电流分别从杆塔和避雷线上流过，杆塔的分流系数可由图1的电路算出：

（2）
式中 Lg —杆塔两侧相邻档避雷线的电感并联
值，μH
τt —雷电流波头长度，取2.6μs

1.3 耦合系数
导线与避雷线的几何耦合系数，双避雷线时
（3）
式中 r1 —避雷线的半径，m。
导线和避雷线间的耦合系数因电晕效应而增大，可按下式计算：
k=k1·k0 （4）
式中 k1 —电晕修正系数。

2 提高耐雷水平方法

分析公式（1）可看出，要提高同杆多回路线路耐雷水平，可以通过增大u50%、k或减小Ri、β、Lt、hc等来实现。

2.1 增加绝缘子串片数
u50%取的是绝缘子串的50%正极性冲击放电电压，雷电冲击电压主要决定于绝缘子串长，绝缘子串片数的增加能提高绝缘子串的u50%，降低跳闸率。但为满足空气间隙要求也要相应增大杆塔、横担等尺寸，同时也增加了绝缘费用。
实际应用中，在允许情况下，盘式绝缘子串可以适当考虑增加一两片，合成绝缘子考虑采用加长型。但在满足对绝缘子爬距要求和达到一定耐雷水平下，一般不采用这种方法来改善防雷。

2.2 降低接地电阻Ri
接地电阻的降低，会降低雷击杆塔时的塔顶电位，对一般高度的杆塔，降低接地电阻是提高线路耐雷水平防止反击的有效措施。在土壤电阻率低的地区，减少接地电阻并不困难，也不会增加太多投资。现行规程对杆塔接地电阻都有规定，实际应用中应使工频接地电阻值在5~15Ω之间。可采用增设接地带、管，引外接地装置，在高土壤电阻率地区降低电阻较困难，采用连续伸长接地线可以有效降低杆塔接地电阻。

2.3 降低杆塔和导线高度hc
理论上，杆塔越高线路暴露越多，越容易受雷击，在保证电气安全距离情况下，尽量考虑低塔。但受导线对地距离的限制，杆塔和导线的高度不宜减小太多。

2.4 架设耦合地线
可以采用在导线下方加挂耦合地线的方法，增加避雷线与导线间的耦合作用，增大耦合系数k。加挂耦合线，虽不能减少绕击率，但能在雷击杆塔时起分流作用和耦合作用，降低绝缘子串上的电压，提高线路的耐雷水平。
如图2所示，两根避雷线（1及2）、一根耦合地线（3）及一根导线（4），各雷电流表示为：

i—雷击塔顶的总电流；
i1、i2—流经两避雷线的雷电流；
i3—流经耦合地线的雷电流；
i4—流经导线的雷电流；
itc—流经杆塔上部的雷电流；
itE—流经耦合地线以下杆塔的雷电流。

各处的电位、电流可以运用麦克斯韦静电方程式列出：
（5）
式中 Z11、Z22—两根避雷线的自波阻抗；Z33—耦合地线自波阻抗；
Z13、Z23—避雷线和耦合地线的互波阻抗；
Z14、Z24—避雷线和导线的互波阻抗；
Z34—耦合地线和导线的互波阻抗。
其中，自波阻抗Zkk和互波阻抗Zkn可由下式求得：
， （6）
式中 hk—线k的平均高度；rk—线k的半径；
dkn—线k和线n间的距离；Dkn—线n和线k的镜像k’间的距离。
当避雷线和耦合地线受雷击时所带的电位u1=u2=u3=U，导线（4）对地绝缘i4=0，两避雷线和耦合地线对导线的几何耦合系数k可以根据矩阵克莱姆法则推导为

（7）
另外，雷击杆顶时，由于避雷线和耦合地线的存在，使雷电流沿避雷线和耦合地线流向两侧杆塔入地，如图3所示等值电路。

可看出，总电流i分别被避雷线和耦合地线分去了一部分，流经杆塔的雷电流杆塔分流系数β=itE／i，可得
（8）
其中：L2、L3可由经△→Y电路变换后求出。
可见有了耦合线，在雷击杆塔时增强了分流效果，能提高线路的耐雷水平。

2.5 减小杆塔电感Lt
可以通过架设杆顶至地的防雷引下线，减小杆塔的等值电感（如图4）。
（10）
式中 Ly —杆塔两侧引下线的电感并联值，μH；
可看出，Lt’< Lt，同时总电流i分别被避雷线和引下线分去了一部分，流经杆塔的it比原先减小，β也减小，根据公式（1），提高了耐雷水平I1 。设置架至地的防雷引下线，可在线路中心线上安装杆顶防雷引下线（或接地拉线），并在地中与杆塔接地装置相连（也可外引）。

3 计算实例

2003年9月常州地区首条220kV/110kV混合电压同杆四回架空线路，上层220kV线垂直排列，下层110kV线三角型排列，尺寸如图5。

避雷线、导线平均高度h=挂线点高-2/3弧垂；
档距160m，避雷线半径r=4.8cm；
杆塔电感Lt=杆高×0.5(μH/m)；
双避雷线Lg=0.42×档距；
绝缘子串冲击放电电压—
220kV绝缘子串的u50%为1200kV；
110kV绝缘子串的u50%为650kV；
冲击接地电阻Ri=5Ω。

根据公式（2），可求出杆塔分流系数β=0.699。用镜象法，按公式（3）、（4），可以求出：
220kV线路，避雷线对220kV中导线耦合系数k=0.356，耐雷水平I1=95.72kA。
110kV线路，避雷线对110kV下边导线耦合系数k=0.152，耐雷水平I1=71.49kA。
分别采用第2.2节降低接地电阻的方法、第2.4节架设一根耦合地线的方法（架设高度距最下层导线4.5米的杆身位置）、第2.5节设置杆顶防雷引下线的方法等三种措施后，对耐雷水平进行重新计算，结果对照见下表。
表1 几种措施改善线路耐雷水平计算对照表
提高耐雷
水平措施
冲击接地电阻(Ω)
耦合系数(k)
分流系数
(β)
耐雷水平I1
(kA)
220kV中导线
未采取措施
5
0.356
0.699
95.72
降低接地电阻
3
0.356
0.718
102.08
架设一根耦合地线
5
0.456
0.509
131.15
杆顶防雷引下线
5
0.356
0.775
102.14
降低接地电阻，并设杆顶防雷引下线
3
0.356
0.799
110.55
110kV下边
导线
未采取措施
5
0.152
0.699
71.49
降低接地电阻
3
0.152
0.718
81.14
架设一根耦合地线
5
0.331
0.509
156.26
杆顶防雷引下线
5
0.152
0.775
74.63
分析上表计算结果表明，当采用上述三种方法后，对线路的耐雷水平都有改善：在土壤电阻率低的地区，降低接地电阻可以提高耐雷水平；在土壤电阻率较高的地区，降低接地电阻较困难，安装杆顶引下线和架设耦合地线均可以提高耐雷水平，其中架设耦合地线效果明显，可以大大提高耐雷水平。
根据前述的《过电压保护和绝缘配合》规程，线路的耐雷水平不应低于：
表2 有避雷线线路的耐雷水平
标称电压
耐雷水平
110kV
220kV
一般线路
40～75kA
75～110kA
变电所进线保护段
75kA
110kA
从表1的计算结果看：
当该四回路杆应用于一般线路，220kV和110kV部分的耐雷水平均能满足规程要求。
当应用于变电所进线保护段时，与规定的耐雷水平值尚有差距。要同时达到220kV耐雷水平110kA和110kV耐雷水平75kA，需作以下处理：
(1)采取降低接地电阻措施，需将冲击电阻降至1Ω，这在实际中实施可能较困难；
(2)采取安装杆顶防雷引下线，同时结合将冲击接地电阻降至3Ω，可满足要求；
(3)采取架设一跟耦合地线措施，可以大幅度提高耐雷水平，超过规程规定值。

4 结论

综上所说，降低接地电阻、架设耦合地线、安装塔顶防雷引下线等措施，可以在线路的多雷区段、特殊高塔等耐雷水平要求较高的地方采用，能有效地改善同杆架设多回路送电线路的耐雷水平，降低线路的雷电跳闸率，提高线路的防雷性能，从而增强线路运行的可靠性。

参考文献：
东北电力设计院编.电力工程高压送电线路设计手册第二版.中国电力出版社，2002

作者简介：
张颖璐（1972~），男，江苏常州人，高级工程师，从事输变电设计及技术管理工作。

- 7 -