多回路架空送电线路耐雷水平分析

1、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

2、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； 杆塔分流系数；Ri 杆塔冲击接地电阻，；Lt 杆塔电感，H；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，Ht 雷电流波头长度，取2.6s1.3 耦合系数导线与避雷线的几何耦合系数

3、，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、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

4、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515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

5、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

6、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

7、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=itEi，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，H；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，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

8、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(H/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=5。根据公式（2），可求出杆塔分流系数=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

9、，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()耦合系数(k)分流系数()耐雷水平I1(kA)220kV中导线未采取措施50.3560.69995.72降低接地电阻30.3560.718102.08架设一根耦合地线50.4560.509131.1

10、5杆顶防雷引下线50.3560.775102.14降低接地电阻，并设杆顶防雷引下线30.3560.799110.55110kV下边导线未采取措施50.1520.69971.49降低接地电阻30.1520.71881.14架设一根耦合地线50.3310.509156.26杆顶防雷引下线50.1520.77574.63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

11、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110kV220kV一般线路4075kA75110kA变电所进线保护段75kA110kA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1，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3，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