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輸電線路的桿塔模型

文檔作者：王芳，張小青，康春華文檔來源：北京交通大學		點擊數：	更新時間： 2025年07月10日
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第19卷第10期
2()06年10月
廣東電力
GUANGDONG ELEC_fRIC POWER
V01．19 N0．1(J
Oct．2006
文章編號：1007—290X(2006)1O-O01 7-()3
輸電線路的桿塔模型
王芳，張小青，康春華
(北京交通大學電氣工程學院，北京1()0044)
摘要：介紹了輸電線路的3種桿塔模型，即集中電感模型、單一的波阻抗模型和多波阻抗模型。并對3種桿
塔模型進行了仿真計算，仿真計算結果表明：在超高壓輸電線路中，采用多波阻抗模型進行計算比其他兩種模
型結果更準確。
關鍵詞：輸電線路桿塔；桿塔模型仿真計算；集中電感模型；單一的波阻抗模型；多波阻抗模型
中圖分類號：TM86；TM726 文獻標識碼：A
Tower models of transmission lines
W ANG Fang，ZHANG Xiao—qing，KANG Chun—hua
(School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong Univ，·Beijing 100()44，China)
Abstract：This paper describes three tower models of power transmission lines，namely lumped inductance model，single—
wave impedance mode1 and multi—wave impedance mode1．The results of simulation calculation with the three models show
that in extra—high voltage(EHV) transmission lines。the computation results of the multi—wave impedance model method are
more accurate than those of the other two methods．
Key words： transmission line support；simulation calculation with tower model； lumped inductance model；single—wave
impedance mode1：multi-wave impedance mode1
電力是社會存在和發展不可缺少的能源，輸電
線路是電力系統的基礎。由于輸電線路很長，遇到
的地理條件和氣象條件復雜多變，相對遭受雷擊的
可能性很高。電網故障分類統計表明，在高壓線路
運行的總跳閘次數中，由于雷擊引起的跳閘次數占
40％～7()％，尤其在多雷、土壤電阻率高、地形復
雜的地區，雷擊輸電線路引起的故障率更高。
按照雷擊線路部位不同，直擊雷過電壓可分三
種情況：一種是雷電直接擊中導線引起的過電壓；
一種是雷擊線路桿塔引起的過電壓；還有一種是雷
擊避雷線引起的過電壓。根據以往對架空輸電線路
的觀察統計，對于一個設計良好的高壓屏蔽線系
統，雷電直擊架空導線而導致跳閘的概率是很小
的，大部分雷擊發生在傳輸桿塔的頂部。因此桿塔
模型的選擇對防雷研究非常重要。
收稿日期：2006-06-02
基金項目：北京自然科學基金(8002008)
1 集中電感模型
我國現行規程的防雷計算方法采用的是桿塔的
電感模型(桿塔的電感等效模型如圖1所示)，它是
對單回輸電線路進行理論研究、運行統計總結后得
的。
采用集中電感模擬桿塔忽略了桿塔上的波過
程，計算結果往往過于保守，造成線路建設投資過
大。隨著輸電系統電壓等級的不斷提高，桿塔高度
也越來越高，采用集中電感模型的弊端越來越明
顯，計算結果的準確度也有一定的降低。
2 單一的波阻抗模型
由于高桿塔的出現，考慮到雷電波從塔的頂部
運動到塔基是需要時間的，提出了用單一的波阻抗
來模擬桿塔。比較著名的為CIGRE提出的桿塔模
型，見圖2所示。
豎直桿塔的波阻抗可用下式表示：
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廣東電力 第19卷
叫
Ls／2
圖1 桿塔的電感等效模型
Utop 桿塔頂部電壓；Up一桿塔橫擔電壓；Ui 絕緣子兩端電壓；
uL33 w相導線3上的電壓；LT 桿塔等效電感；L 避雷線等效
電感；f L3一w相導線中通過的電流；Zu w 相導線的波阻抗
圖2 桿塔的等效半徑
Zt)=60 n×In{cot 0．5[tan (R ／h)])．
式中： —— 桿塔高度；
尺 一桿塔的平均半徑。
并且R =(r1 h 2+r2 h+r3 h1)／h，r1，r2，r3，
h ，h 的含義見圖2所示，其中h=h +h 。
水平橫擔的波阻抗可用下式表示：
Z。=(377 Q／27【)×ln(2h／r)．
式中：h一導體對地的平均高度；
r——導體半徑。
目前，采用單一的波阻抗來模擬桿塔(豎直導
體)，把桿塔看作一個均勻參數，取值僅僅根據桿
塔自身結構確定，相對于目前桿塔高度很高的情況
下，這個取值顯然是不準確的。
3 多波阻抗模型
Yamada和Ishii提出了多波阻抗的桿塔模型，
將桿塔按上、中、下橫擔分成四個部分。多波阻抗
模型不僅考慮到了波在桿塔上的行進，還考慮到了
桿塔的自身結構、不同高度對地電容的變化，所得
結果更加符合高桿塔的波阻抗。
多波阻抗模型建立的基礎是基于垂直導體不同
高處的波阻抗不同這一概念。由波阻抗的特性可
知，垂直圓柱體的波阻抗僅依賴該圓柱體的半徑和
高度，可由經驗公式
03／2
ZT=6(3 n ×(In 一2)， (1)
，
來描述單根垂直導體的波阻抗。繼而可得n根平
行圓柱體組成的系統總的波阻抗為
ZT， = n一 (ZT，11+ZT，12+? +ZT． 1 )． (2)
式中n為圓柱體的數目，Z 為第1根圓柱體的
自波阻抗。
那么，第k根圓柱體的自波阻抗Z 和第k
根和第f根之間的互波阻抗Z ，可表示為
93／2厶
Z rr．址=6()n X(In=— 一2)，
，
,'13／2王1
Z f：60 n× (In 一2)， (3)
』 kl
式中：尺 ，——第k根和第f根圓柱體之間的距離。
式(2)、式(3)可表示為
z =60 n ×(1n 一2)，
，e
式中，r。為多導體系統的等效半徑。
桿塔可分為主支架和支架，每一個部分假定都
是分布均勻的，通過它們自身的尺寸和幾何函數計
算出波阻抗。具體桿塔的多波阻抗模型及其等效模
型見圖3、圖4所示。
圖3 桿塔的多波阻抗模型
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第10期 王芳等：輸電線路的桿塔模型
圖4 桿塔多波阻抗等效模型
zT 桿塔波阻抗；zP一桿塔橫擔波阻抗；zL一桿塔支架波阻抗
主支架每部分的波阻抗z 計算如下：
zT ：60 Q ×(1n—23 112
—
h k
一2)；
，eA
，e^=2 ( ，。 )I／4(R R 鄺) ．
式中，h A(k=1，2，3，4)，，T^(k=1，2，3，4)，R，
(1c=1，2，3，4)，r和尺分別為圖3所示的相應部
分的寬度。
在有支架和無支架的情況下，經過實際測量得
到增加了支架后多導體系統的波阻抗減少了10％
左右，那么支架每部分的波阻抗為
Z 9ZT ．
4 3種桿塔模型的仿真計算與結論
本文分別采用集中電感、單一波阻抗和多波阻
抗3種模型，用電磁暫態程序(alternative
transients program，ATP)仿真計算雷擊桿塔的塔
頂時桿塔上的最大壓降(不考慮感應過電壓)。
4．1 計算時參數選擇
雷電波選取(電流上升時間一電流下降時間)
8／20 s的電流波，雷電流源的幅值取100 kA，雷
電通道波阻抗為3()0 Q；采用500 kV的輸電線路，
檔距取為500 m，高為59．0 m，采用GJ．70鋼絞
線接地；經過查手冊，桿塔的等效集中電感為
49．5 H，單一的波阻抗為1 25 Q；桿塔接地電阻
取為7 Q(平原地區)和1 5 Q(山地地區)。
4．2 計算結果和結論
3種桿塔模型的仿真計算結果見表1。
表1 3種桿塔模型的計算結果
計算結果表明，多波阻抗模型相比于集中電感
模型和單一波阻抗模型，防雷計算的準確性更高，
符合波傳播的實際情況。但桿塔的電感模型計算方
法在實際T程應用中可操作性強，適應范圍廣。所
以，我們還需對多波阻抗的桿塔模型進行深入研
究，以便更加適用于實際輸電技術的需要。
參考文獻：
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國電機]=_=程學報，1999，19( ：39—44
作者簡介：王芳(1980一)，女，山西運城人，碩士研究生，從事
電力系統電磁暫態研究。

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