(1.海南電網(wǎng)有限責任公司三亞供電局，海南 三亞 572000；2.海南電網(wǎng)有限責任公司海南送變電工程有限公司，海南 ?？?570203；3.海南電網(wǎng)有限責任公司瓊海供電局，海南 瓊海 571400)

0 引 言

輸電線路桿塔是架空輸電線路的重要組成部門，目前中國電網(wǎng)在運的輸電線路中，最廣泛采用的是鋼管桿和桁架式鋼/鐵塔；常規(guī)鐵塔頭尺寸大，消耗鋼鐵多，線路走廊占用土地面積大[1-2]。然而隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，輸電走廊占用土地面積也不斷增加，電網(wǎng)顯現(xiàn)出建設成本大、運行維護費用高以及資源消耗多等缺點。復合材料桿塔憑其機械強度高、絕緣性能好和耐腐蝕性強等優(yōu)點在中國輸電線路工程中使用越來越多[3]。

依據(jù)中國多年對雷電活動的觀測和運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，雷擊閃絡是輸電線路運行跳閘的主要原因[4]。與傳統(tǒng)輸電桿塔不同，復合材料橫擔的導線和避雷線掛在橫擔上，結構上的差異導致復合橫擔與傳統(tǒng)輸電桿塔在雷擊后的閃絡特性也有所不同。因此，分析復合材料橫擔的耐雷水平，對優(yōu)化復合橫擔結構設計具有一定的意義。

下面利用ATP-EMTP軟件，建立110 kV“上”字型輸電線路復合材料橫擔仿真模型，分析地面傾角、桿塔橫擔長度等對復合材料橫擔耐雷水平的影響；基于不同參數(shù)組合下所得結果對比，優(yōu)化復合橫擔結構參數(shù)組合，所得數(shù)據(jù)可根據(jù)實際運行工況和現(xiàn)場其他環(huán)境因素進行適當調(diào)整用于實際工程中。

表1 110 kV“上”字型復合橫擔桿塔相關參數(shù)

1 復合橫擔仿真模型建立

1.1 “上”字型復合橫擔模型

110 kV“上”字型復合橫擔的導線和地線典型結構如圖1所示,在“上”字型復合橫擔中，接地引下線按照h1、h2將引下線分為兩段。桿塔直徑從塔頂至塔底按線性增加，從d1增加至d2，由此可計算出不同高度處的桿塔半徑。

對于“上”字型桿塔，根據(jù)GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設計規(guī)范》[5]中風偏和帶電作業(yè)對導地線的要求，桿塔幾何參數(shù)見表1。

圖1 110 kV“上”字型復合橫擔桿塔模型

1.2 雷電流模型

仿真采用雙指數(shù)函數(shù)雷電流波形[6]，包含波頭、波尾和幅值，具體參數(shù)為2.6/50 μs，波阻抗為400 Ω。

1.3 絕緣子閃絡模型

絕緣子閃絡判據(jù)使用較多的有定義法、相交法和先導法[7]。采用先導法，假設當絕緣間隙的平均場強大于先導起始場強時，流注就已經(jīng)貫通間隙，先導開始發(fā)展，其速度隨施加的電壓和間隙剩余的長度變化，當先導長度增加至間隙長度時，即認為閃絡。仿真選取IEC 61466-2-1998[8]推薦的k=1.1，E0=500.0 kV/m時絕緣子串間隙試驗伏秒特性曲線，通過 MODELS 模塊和 TACS 開關實現(xiàn)。MODELS 模塊通過代碼實現(xiàn)閃絡計算過程，至先導發(fā)展長度貫通整個間隙長度時輸出控制信號，使TACS 開關閉合，模擬絕緣間隙閃絡被擊穿。模型建立如圖2所示。

圖2 先導法絕緣子閃絡模型

1.4 沖擊接地電阻模型

沖擊電流經(jīng)接地體入地，工程上采用簡化計算時在電路中以恒定電阻表征。而接地體的沖擊電阻受沖擊電流幅值及頻率的影響較顯著，表現(xiàn)為非線性特性元件。采用IEC 61466-2-1998[8]推薦公式來計算考慮沖擊效應時接地體的接地電阻[9-10]，見式(1)。

(1)

式中：R0為小電流條件下的接地電阻值，通常在工頻條件下測出，Ω；I為流過接地體的沖擊電流幅值，kA；Ig為土壤發(fā)生電離的最小電流，kA。

圖3 110 kV“上”字型復合橫擔桿塔雷擊仿真模型

仿真采用非線性特性元件來考慮沖擊效應時的接地電阻，在ATPDraw 中 MODELS元件編寫代碼實現(xiàn)，綜上所述，子模塊和“上”字型復合橫擔桿塔的結構特點，建立了110 kV“上”字型復合橫擔桿塔雷擊仿真模型，如圖3所示。

選取5基“上”字型單回線路復合橫擔桿塔模型，通過改變桿塔不同地面傾角和橫擔長短仿真分析對復合材料橫擔耐雷水平的影響。反擊跳閘率根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》[11]；繞擊跳閘率運用電氣幾何模型(electrical geometrical model，EGM)進行計算。

2 計算分析及結果

110 kV線路檔距為 200～400 m，導線和避雷線弧垂參照規(guī)程中的計算里程分別取5.3 m、2.85 m。導線型號為 LGJ-240/30，直徑為 21.66 mm，直流電阻為 0.120 9 Ω/km；地線型號為 GJ-100，直徑為13 mm，直流電阻為0.433 2 Ω/km[10]。在表1參數(shù)條件下，計算得出兩段引下線的電感值分別為 2.88 μH、2.01 μH，橫擔波阻抗為 318.8 Ω，鋼管桿波阻抗為 200.5 Ω，接地電阻在工頻條件下取為 10 Ω。絕緣子采用壓控開關模型時，間隙閃絡電壓梯度按照 720 kV/m 考慮，D1、D2、D3閃絡電壓分別為 1224 kV、1368 kV 和 1368 kV；l1和l2閃絡電壓為 3218 kV、2165 kV。

2.1 不同地面傾角下的耐雷水平

建立5基復合橫擔桿塔組成線路區(qū)段的仿真模型，5基桿塔均安裝接地引下線，計算在不同地面傾角下的反擊耐雷水平和繞擊耐雷水平，計算結果分別如表2和表3所示。

表2 不同傾角下的反擊耐雷水平

表3 不同傾角下的繞擊耐雷水平

通過仿真計算，110 kV“上”字型單回線路復合橫擔桿塔平均反擊耐雷水平 149.5 kA，遠高于規(guī)定中的推薦值(40～75 kA)，且最大(159 kA)已經(jīng)達到500 kV輸電線路桿塔推薦值，由此可見復合橫擔有較高的反擊防護性能。繞擊耐雷水平隨著傾角的增大，外坡側相導線繞擊電流逐漸增大，遭受繞擊的概率也相應增加；坡內(nèi)側相導線臨界繞擊電流逐漸減小，受到地線保護作用加強。

計算繞擊跳閘率，隨著傾角的逐漸增大，繞擊跳閘率迅速增加，即使按照山區(qū) 30°傾角考慮，在運“上”字型復合材料桿塔的雷擊跳閘率僅為 0.129 次/(100 km·a)，遠低于國家電網(wǎng)公司《110(66) kV～500 kV 架空輸電線路運行規(guī)范》[12]中對 110 kV 輸電線路雷擊跳閘率的考核指標0.525 次/(100 km·a)，僅為后者的 24.6%，留有較高的安全裕度。

2.2 不同橫擔長度下的耐雷水平

將表1 中結構參數(shù)編為算例1，保持桿塔呼高不變，將圖1中D1、D2、D3算例的長度分別按照算例參考值取系數(shù)0.9、0.8、0.7 和 0.6，依次編號為2至算例5，其參數(shù)見表4。

表4 不同比例下“上”字型復合橫擔結構參數(shù)

由表4中的參數(shù)，仿真計算得出編號1至 5 對應的反擊和繞擊耐雷水平列于表5和表6。其中相角為絕緣子閃絡判據(jù)模型中用先導法閃絡判據(jù)計算的不同電源初相角。

表5“上”字型塔復合橫擔在不同參數(shù)條件下
反擊耐雷水平

單位：kA

從以上數(shù)據(jù)得出不同塔頭尺寸下的平均反擊耐雷水平和繞擊耐雷水平折線圖，見圖4和圖5。從圖中可以看出，“上”字型桿塔的反擊耐雷水平隨著復合橫擔比例系數(shù)的逐漸減小而逐漸降低，“上”字型桿塔A相位置相對較高，絕緣間隙小，繞擊耐雷水平較其余兩相小。

表6 “上”字型塔復合橫擔在不同參數(shù)條件下繞擊耐雷水平 單位：kA

圖4 不同塔頭尺寸下平均反擊耐雷水平

圖5 不同塔頭尺寸下平均繞擊耐雷水平

通過計算繞反擊跳閘率，隨著桿塔比例系數(shù)的逐漸減小，繞反擊跳閘率有所增加。在比例系數(shù)為0.6倍、地面傾角30°的條件下，雷擊跳閘率依然略低于考核指標，對比繞反擊跳閘率在雷擊跳閘率中的占比，“上”字型繞擊保護水平優(yōu)于反擊保護水平。

3 結 語

通過仿真，研究了復合材料橫擔在不同地面傾角、不同橫擔長度時的耐雷水平，得出以下結論：

1)隨著地面傾角的逐漸增大，“上”字型桿塔復合橫擔外坡側相導線繞擊電流逐漸增大，遭受繞擊的概率也相應增加；但繞擊跳閘率也僅為規(guī)定值的24.6%，安全裕度高。

2)復合橫擔在逐漸縮短的情形下，繞反擊耐雷水平逐漸降低，因此在工程應用中不能一直減少橫擔尺寸來降低重量。

3)仿真計算結果有一定的參考價值，在實際應用中可以根據(jù)現(xiàn)場實際需求來調(diào)整橫擔參數(shù)。