浙江電網(wǎng)降低高壓輸電線路雷擊跳閘率的措施分析

金祖山，胡文堂，龔堅(jiān)剛，吳明祥，曾 嶸

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014；2.浙江省電力公司，杭州 310007；3.清華大學(xué)電機(jī)系，北京 100084）

近年來(lái)浙江電網(wǎng)在高壓輸電線路中，積極采取降低桿塔接地電阻、加強(qiáng)絕緣水平、安裝線路避雷器、增加耦合地線等防雷措施以降低高壓線路雷擊跳閘率。以下通過(guò)計(jì)算分析各種防雷措施降低反擊跳閘率或繞擊跳閘率的效果。

1 降低接地電阻的效果分析

110～500 kV桿塔接地電阻對(duì)反擊跳閘率的影響如圖1-3所示。從圖中可知，各種桿塔的反擊跳閘率都隨接地電阻的增大而明顯增高，并且越高的桿塔反擊跳閘率越高。這一方面是由于線路耐雷水平隨著桿塔高度的增加而降低，另一方面較高的桿塔引雷面積較大，發(fā)生反擊的概率也較大。此外同等高度下，貓頭塔的反擊跳閘率高于耐張塔，這是因?yàn)樨堫^塔避雷線與外側(cè)導(dǎo)線距離較遠(yuǎn)，耦合系數(shù)較小且絕緣子串較短，因而耐雷水平較低，較易發(fā)生反擊閃絡(luò)；同桿雙回塔由于桿塔很高，引雷面積大，發(fā)生反擊的概率較大，因而對(duì)桿塔接地電阻應(yīng)該有更嚴(yán)格的限制。

當(dāng)接地電阻降到5 Ω時(shí)，500 kV輸電線路反擊跳閘率可以降到0.1次/（100 km·a）以下；當(dāng)接地電阻降到10 Ω時(shí)，220 kV以及110 kV線路反擊跳閘率可以分別降到2.0次/（100 km·a）以下與 3.0 次/（100 km·a）以下。

圖1 500 kV桿塔接地電阻對(duì)反擊跳閘率影響

圖2 220 kV桿塔接地電阻對(duì)反擊跳閘率的影響

圖3 110 kV桿塔接地電阻對(duì)反擊跳閘率的影響

2 加強(qiáng)絕緣水平的效果分析

2.1 加強(qiáng)絕緣對(duì)反擊跳閘率的影響

各種塔型不同桿塔接地電阻下加強(qiáng)絕緣對(duì)跳閘率的影響如圖4-6所示。從圖中可知，增加絕緣子片數(shù)可以有效提高線路的耐雷水平。即使在接地條件較為惡劣時(shí)，如接地電阻大于20 Ω時(shí)，110 kV線路每增加1片絕緣子可使線路耐雷水平提高8 kA左右，220 kV線路每增加1片絕緣子可使線路耐雷水平提高10 kA左右，500 kV線路每增加1片絕緣子可使線路耐雷水平提高15 kA左右。

當(dāng)接地電阻較低時(shí)，由于線路本身耐雷水平較高，增加絕緣子對(duì)反擊率的改善效果并不明顯。但在接地電阻較高時(shí)，增加絕緣子片數(shù)可以有效降低線路的反擊跳閘率。當(dāng)接地電阻為30 Ω時(shí)，對(duì)110 kV線路每增加1片絕緣子可使反擊跳閘率降低到 2.0次/（100 km·a） 左右，220 kV線路每增加1片絕緣子可使反擊跳閘率降低到1.2次/（100 km·a）左右，500 kV 線路每增加 1片絕緣子可使反擊跳閘率降低到0.4次/（100 km·a）左右。

2.2 加強(qiáng)絕緣對(duì)繞擊跳閘率的影響

增加絕緣子片數(shù)或增加復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度對(duì)繞擊跳閘率的改善作用有兩方面：

（1）在正保護(hù)角條件下，可以在一定程度上減小保護(hù)角，提高地線屏蔽效果。

圖4 110 kV貓頭塔增加絕緣對(duì)跳閘率的影響

圖5 220 kV同桿雙回塔增加絕緣對(duì)跳閘率的影響

圖6 500 kV貓頭塔加強(qiáng)絕緣對(duì)跳閘率的影響

（2）加強(qiáng)絕緣可以提高線路的繞擊耐雷水平，進(jìn)而降低繞擊跳閘率。

在現(xiàn)有條件下，由于機(jī)械受力以及絕緣配合的原因，增加的絕緣子串長(zhǎng)度極為有限，因此對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)角影響很小。增加絕緣長(zhǎng)度對(duì)繞擊跳閘率的影響主要體現(xiàn)為改善耐雷水平。

對(duì)于110 kV以及220 kV線路，增加線路絕緣長(zhǎng)度更為可行。加強(qiáng)絕緣后平均每增加1片絕緣子可提高約1 kA繞擊耐雷水平。

通過(guò)計(jì)算可知，加強(qiáng)絕緣對(duì)降低輸電線路的繞擊跳閘率有一定作用。對(duì)于110 kV輸電線路，這種作用不明顯且存在一定的飽和趨勢(shì)；對(duì)于220 kV線路有一定的效果。但是在增加絕緣子片數(shù)很少的情況下，加強(qiáng)絕緣對(duì)改善繞擊跳閘率影響很小。可見(jiàn)，增加絕緣子對(duì)改善反擊跳閘率作用明顯，對(duì)改善繞擊跳閘率，作用不大。

3 安裝線路避雷器的效果分析

位于山區(qū)復(fù)雜地形、高土壤電阻率地區(qū)的線路，當(dāng)采用其它措施仍不能有效降低雷擊跳閘率時(shí)，可以考慮安裝線路避雷器，能避免安裝相的反擊。當(dāng)雷擊桿塔塔頂電位升高時(shí)避雷器動(dòng)作，部分雷電流通過(guò)安裝避雷器的相導(dǎo)線泄放，從而在一定程度上降低塔頂電位；另一方面隨著避雷器動(dòng)作，安裝相導(dǎo)線電壓升高，會(huì)在相鄰相上感應(yīng)較高電壓。2個(gè)因素共同作用使得其它相絕緣子上的電壓降低，耐雷水平得到改善。從提高耐雷水平的機(jī)理上看，該方法與增加耦合地線的效果相似，但由于相導(dǎo)線電阻更小，而且與其它導(dǎo)線間的耦合作用更強(qiáng)，因此對(duì)耐雷水平的改善效果也更為明顯。

理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都表明，安裝線路避雷器對(duì)防止反擊和繞擊都有明顯的作用，可以有效提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率。對(duì)于接地電阻較大、可能發(fā)生反擊的桿塔，需要三相分別安裝線路避雷器；對(duì)于地面坡角較大或大跨越的線路，為防止繞擊只需在可能發(fā)生繞擊的外邊相安裝即可。經(jīng)過(guò)正確絕緣配合安裝的線路避雷器對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)作用非常明顯，在易擊的桿塔和線路上安裝避雷器后有效避免了再次遭受雷擊時(shí)跳閘的發(fā)生。此外，線路避雷器還可以起到限制操作過(guò)電壓的作用。

線路避雷器能夠?qū)λ惭b的桿塔提供非?？煽康睦纂姺雷o(hù)，但其保護(hù)作用存在一個(gè)有效距離，對(duì)相鄰桿塔的保護(hù)作用則隨著檔距的增加而明顯減小。計(jì)算表明，超高壓線路一般檔距長(zhǎng)度下線路避雷器對(duì)相鄰桿塔的繞擊耐雷水平基本沒(méi)有改善作用，對(duì)反擊耐雷水平的改善也不明顯，提高約2 kA左右。因此可以認(rèn)為線路避雷器可使安裝相的雷擊跳閘率降為0，而對(duì)相鄰桿塔則基本沒(méi)有影響。

線路避雷器造價(jià)比較昂貴，而且線路避雷器的運(yùn)行維護(hù)與檢修工作量很大。這就決定了線路避雷器不能在所有的桿塔上使用，最有效的方法就是選擇經(jīng)常發(fā)生雷擊故障的桿塔或易擊相安裝。另外，當(dāng)桿塔很高或有大跨越等易發(fā)生雷擊同時(shí)對(duì)可靠性要求很高時(shí)，可以采用線路避雷器。對(duì)于一般線路，采用線路避雷器抑制反擊跳閘需要安裝三相，成本較高。建議采用其它措施，如改造接地裝置或增加絕緣等，地形復(fù)雜、繞擊率較高的線路，通過(guò)加強(qiáng)絕緣等方法仍無(wú)法有效降低雷擊跳閘率時(shí)，可以考慮在外邊相安裝避雷器，以達(dá)到防雷效果和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)選擇。

線路安裝避雷器后的繞擊跳閘率，可以按如下原則進(jìn)行計(jì)算：山坡外側(cè)相安裝避雷器后繞擊跳閘率降為0，山頂和跨越山谷線路邊相安裝避雷器時(shí)繞擊率降為原來(lái)的50%，兩側(cè)邊相都安裝避雷器后繞擊率為0。

500 kV桿塔接地電阻與不同線路避雷器安裝方式下的耐雷水平如圖7所示，500 kV桿塔接地電阻與不同線路避雷器安裝方式下的反擊跳閘率如圖8所示。

圖7 500 kV桿塔接地電阻與不同線路避雷器安裝方式下的耐雷水平

圖8 500 kV桿塔接地電阻與不同線路避雷器安裝方式下的反擊跳閘率

由圖7-8可知：裝兩支避雷器比未裝時(shí)耐雷水平提高150 kA左右，并且接地電阻越小效果越明顯；裝單支避雷器比未裝時(shí)耐雷水平提高100 kA左右，裝單支或兩支避雷器時(shí)的反擊跳閘率比不裝避雷器時(shí)大幅度降低。如果接地電阻較低，則只在邊相安裝避雷器就能有效防反擊。

4 增加耦合地線的效果分析

除了降低接地電阻、加強(qiáng)絕緣和安裝線路避雷器外，還有一些措施可以對(duì)輸電線路的防雷性能起到改善作用，如增加耦合地線和采用側(cè)向避雷針等。

增加耦合地線的作用主要是提高線路的反擊耐雷水平，降低反擊跳閘率，因而耦合地線主要應(yīng)用在接地電阻較高的線路。耦合地線提高耐雷水平的機(jī)理包括兩方面：

（1）耦合地線可以增加導(dǎo)線和地線間的耦合作用，雷擊塔頂時(shí)在導(dǎo)線上產(chǎn)生更高的感應(yīng)電壓，從而減小絕緣子串承受的沖擊電壓。

（2）耦合地線可以降低桿塔的分流系數(shù)，特別是在接地電阻較高時(shí)，可使雷電流易于通過(guò)鄰近桿塔的接地裝置散流，從而降低塔頂電位。

但從總體效果來(lái)看，采用耦合地線對(duì)改善耐雷水平的效果不太明顯，與增加兩片絕緣子的作用基本相同。而從增加耦合地線的經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，增加耦合地線的費(fèi)用包括增加耦合地線的材料和施工費(fèi)用，桿塔基礎(chǔ)和重量增加的費(fèi)用等，其費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)增加絕緣子片數(shù)等措施。日本電力中央研究院對(duì)500 kV同桿雙回線路進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，在對(duì)雷擊性能改善效果相似情況下，采用耦合地線的總費(fèi)用約為增加絕緣串長(zhǎng)度的4.5倍。因此在使用耦合地線時(shí)應(yīng)對(duì)效果和費(fèi)用做綜合比較，多數(shù)情況下該方法的性價(jià)比較低，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度不推薦采用耦合地線。

表1 增加絕緣子串和耦合地線的故障率比較

5 實(shí)施線路防雷改進(jìn)措施的建議

5.1 加強(qiáng)線路絕緣

降低桿塔接地電阻能夠有效降低反擊跳閘率。加強(qiáng)線路絕緣水平則首先要考慮加強(qiáng)絕緣后線路的絕緣配合問(wèn)題。因?yàn)樵黾咏^緣子片數(shù)，絕緣子串長(zhǎng)度增加，因此需要對(duì)空氣間隙重新校核；其次，施工中線路需要停電，導(dǎo)線需要得到很好的安置，避免表面劃傷，因此施工費(fèi)用較高。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，110 kV線路可以考慮加強(qiáng)線路絕緣；220 kV線路不建議加強(qiáng)絕緣；500 kV線路不宜加強(qiáng)線路絕緣。

5.2 安裝線路避雷器

安裝線路避雷器對(duì)防止反擊和繞擊都有明顯的作用。對(duì)于110 kV線路，易擊桿塔和易擊段安裝避雷器后能有效避免再次遭受雷擊時(shí)跳閘的發(fā)生，110 kV線路避雷器價(jià)格相對(duì)低廉，與其它措施相比性價(jià)比高，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮，建議110 kV在易擊段安裝三相避雷器。

對(duì)于220 kV線路，安裝避雷器明顯優(yōu)于不安裝避雷器，安裝三相避雷器明顯優(yōu)于安裝單相或兩相避雷器。如果選擇安裝兩相避雷器時(shí)，建議安裝在中間相和下側(cè)相；如果選擇安裝單相避雷器時(shí)，建議安裝在下側(cè)相。

對(duì)于500 kV線路，繞擊是造成線路雷擊故障的主要原因。因此，在500 kV線路上安裝線路避雷器主要以改善繞擊為主。500 kV線路繞擊主要發(fā)生在邊相，原則上只需要安裝一相或者兩相避雷器，具體情況以需要安裝桿塔的局部地形為準(zhǔn)。對(duì)于位于山坡外側(cè)的桿塔，只需要在外側(cè)相安裝線路避雷器；對(duì)于位于山脊或山梁的桿塔，需要在兩側(cè)邊相避雷器。

[1]浙江省電力公司，浙江省電力試驗(yàn)研究院，清華大學(xué)電機(jī)工程系．浙江省輸電線路防雷設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[R]．2009.

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