1、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
2、。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）6.216.2)1( 0%50ccgttai hkLkhRkuI 式中 u50%绝缘子串的 50%冲击放电电压，kV ；k、k 0 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、h a杆塔高度和横担对地高度，m；hg、h c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：2005
3、 年输配电及电力系统专委会论文集- 2 -21tgittLRi （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，双避雷线时（3）12132310lnldrhkg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=k1k0 （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、 、L t、h c 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
4、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，也不会增图 杆 塔 分 流 电 路 图多回路架空送电线路耐雷水平分析- 3 -加太多投资。现行
5、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（
6、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、i 2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）443424133 2423221111 ZiiZiiuiiii式中 Z11、Z 22两根避雷线的自波阻抗；Z 33耦合地线自波阻抗；Z13、Z 23避雷线和耦合地线的互波阻抗；Z14、Z 24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：t
7、cE、图 雷 电 流 分 布 图2005 年输配电及电力系统专委会论文集- 4 -， （6）kkrhZ2ln60knkndDZl60式中 hk线 k 的平均高度；r k线 k 的半径；dkn线 k 和线 n 间的距离；D kn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）321313213421432312143210ZZUuk、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
8、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=itEi，可得（8）2/32itec RML其中：L 2、L 3 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图 有 耦 合 线 时 等 值 电 路 图tEcgitE2gc31多回路架空送电线路耐雷水平分析- 5 -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）tytL式中 Ly 杆塔两侧引下线的电感并联值，H；可看出，L t 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
9、 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)；ytg/2g图 杆 顶 防 雷 引 下 线 及 等 值 电 路 图30218479图 /kV四 回 线 双 避
10、 雷 线2005 年输配电及电力系统专委会论文集- 6 -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，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
11、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。多回路架空送电线路耐雷水平分析- 7 -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)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 0.775 102.14220kV 中导线降低接地电阻，并设杆顶防雷引下线 3
12、0.356 0.799 110.55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 0.509 156.26110kV 下边导线杆顶防雷引下线 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
13、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 4075kA 75110kA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 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。2005 年输配电及电力系统专委会论文集- 8 -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。
