超高壓輸電線路雷電繞擊及防雷

甘斌，張雙平，余平

（1.杭州市電力局，浙江杭州310000；2.湖北超高壓輸變電公司直流運檢中心，湖北宜昌443000；3.二灘水電開發(fā)責(zé)任有限公司，四川成都617000）

超高壓輸電線路雷電繞擊及防雷

甘斌1，張雙平2，余平3

（1.杭州市電力局，浙江杭州310000；2.湖北超高壓輸變電公司直流運檢中心，湖北宜昌443000；3.二灘水電開發(fā)責(zé)任有限公司，四川成都617000）

雷電是影響輸電線路可靠性的首要因素，在我國，超高壓輸電線路雷擊事故占線路總跳閘事故40%～70%[1]。運行經(jīng)驗表明，對于500kV以下電壓等級的輸電線路，線路雷擊事故以雷擊桿塔及避雷線引起的反擊為主；而對于500kV及以上的超高壓、特高壓輸電線路，繞擊是造成雷擊跳閘的主要原因[2-3]，因此，如何有效提高超高壓輸電線路的防繞擊性能，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有非常重要的意義。

雷電活動具有明顯的地域性和氣候性，與當(dāng)?shù)乩纂娀顒犹匦?、微地形、微氣候等因素有關(guān)。在現(xiàn)有防雷技術(shù)較為廣泛研究基礎(chǔ)上，本文以500kV輸電線路雷擊故障為實例，分析超高壓輸電線路繞擊的可能性，并結(jié)合目前的防雷措施，提出超高壓輸電線路切實可行的防繞擊策略。

1 實例分析

1.1 故障情況

2010年7月某日，雷雨天氣，華東電網(wǎng)500kV天瓶5406線A相跳閘，重合成功，兩側(cè)兩套縱聯(lián)保護動作，天荒坪電站測距11.5km（21～22號），瓶窯變測距22.3km（28～29號）。浙江省雷電定位系統(tǒng)線路雷電查詢結(jié)果顯示，當(dāng)日12：24～12：34，天瓶5406線附近共計落雷點25個，落雷數(shù)據(jù)和落雷點如表1和圖1所示，經(jīng)現(xiàn)場查找發(fā)現(xiàn)，天瓶5406線23號塔A相玻璃瓷瓶及金具上有明顯放電痕跡。

1.2 故障計算

天瓶5406線總長度為37.426km，該線路75%位于山區(qū)，25%位于平原。其中天瓶5406線23號塔為直線塔，塔型為ZM2，呼高為42m，全高為56.43m，鐵塔電感Lgt為28.215μH，分流系數(shù)β為0.88，雷擊桿塔頂時的電暈系數(shù)K1為1.28，導(dǎo)線平均高度hd為23.95m，避雷線平均高度hb為44.42m，沖擊接地電阻Rch為8.5Ω，邊相導(dǎo)線保護角為5.41°，絕緣子型號是FC160P/170，絕緣子串長為4.714m，單串裝置，24片，鐵塔位于斜山坡，山坡傾角約40°。所在耐張段為21～26號，檔距2337m，其中22～23號塔間檔距為497m，23～24號塔間檔距251m，23號塔接地電阻值為8.5Ω。導(dǎo)線型號為LGJ-400/50×4，地線型號為LHGJJ-95/55×2。

表1 落雷數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Lightning data statistics

1.2.1 臨界擊距及臨界電流的計算

目前在分析線路繞擊時，比較常用的方法是采用電氣幾何模型[4]，其基礎(chǔ)是擊距大小與雷電流幅值有關(guān)，因擊距大小與雷電先導(dǎo)頭部的電位有關(guān)，進而與先導(dǎo)通道的電荷密度有關(guān)，后者又決定了隨后出現(xiàn)的雷電流幅值，故認為擊距是雷電流幅值的函數(shù)[5]。電氣幾何模型（見圖2）以雷電先導(dǎo)電位和相應(yīng)的對避雷線、導(dǎo)線及大地的擊距來判定雷擊位置。根據(jù)上述500kV天瓶5406線相關(guān)數(shù)據(jù)，計算23號塔的臨界擊距及臨界電流。

圖1 雷電信息系統(tǒng)線路落雷點圖Fig.1 Lightning-point line map for lightning information

圖2 線路電氣幾何模型Fig.2 Geometric model of the electrical circuit

式中，rk為發(fā)生繞擊的臨界擊距；hd為導(dǎo)線平均懸掛高度；hb為避雷線平均懸掛高度；θ為桿塔的山坡傾角；α為邊導(dǎo)線保護角。

臨界電流采用美國電氣電子工程學(xué)會（I E E E）

臨界擊距簡化計算公式為[6]1985推薦公式rk=8，可得IK=63.45k A。式中，IK為發(fā)生繞擊的臨界電流值。

由此得出，如果雷電流幅值超過IK=63.45k A時，則不可能發(fā)生繞擊。

1.2.2 桿塔繞擊閃絡(luò)校驗

繞擊時，導(dǎo)線上的電壓隨雷電流幅值的增加而增大，若產(chǎn)生的電壓超過線路絕緣子的沖擊閃絡(luò)電壓時，絕緣子將有可能發(fā)生閃絡(luò)。

#23段線路最小繞擊電流為[7]

式中，Z為導(dǎo)線的波阻抗，取280Ω；U50%為絕緣子串的50%放電電壓，其中23號塔絕緣子的U50%=2306.64kV。

因此，500kV天瓶5406線23號段線路最小繞擊電流為16.476k A。

綜上所述，發(fā)生繞擊閃絡(luò)的必要條件是：Imin≤Ia≤IK，即16.476k A≤Ia≤63.45k A，則桿塔就有可能發(fā)生繞擊。

1.2.3 雷擊桿塔耐雷水平校驗

圖3 雙避雷線的鏡像圖Fig.3 Image map of Double-lightning-line

導(dǎo)線避雷線間的耦合作用產(chǎn)生的耦合系數(shù)K0[8]

式中，rb為避雷線半徑為線1與線3在地中的鏡像距離；d13為線1與線3間的距離；為線1與線2在地中的鏡像距離；d12為線1與線2間的距離為線2與線3在地中的鏡像距離；d23為線2與線3間的距離。

故修正后的耦合系數(shù)為

則23號塔的反擊耐雷水平[6]

式中，hd為導(dǎo)線平均懸掛高度；β為分流系數(shù)；Lgt為鐵塔電感；Rch為桿塔的接地電阻。

由式（5）知，Ia≥117.36k A時，則會發(fā)生反擊。

1.3 故障分析

根據(jù)23號桿塔地貌和線路接地電阻，經(jīng)上述計算，當(dāng)雷電流數(shù)值在16.5～63.5k A范圍內(nèi)則會發(fā)生繞擊，當(dāng)雷電流數(shù)值大于117.4k A時則會發(fā)生反擊。雷電定位系統(tǒng)顯示線路故障前后當(dāng)?shù)乩纂娏骰顒虞^為頻繁，根據(jù)浙江省雷電定位系統(tǒng)線路雷電查詢結(jié)果顯示，22～24號段落雷點密度較大，共有4個落雷滿足線路發(fā)生繞擊閃絡(luò)條件，但沒有達到線路桿塔或避雷線發(fā)生反擊故障條件。故障桿塔接地電阻小，位于高山斜坡上，故障發(fā)生在線路邊相A相，位于山坡外側(cè)，具有較典型雷電繞擊地貌特征，可判斷天瓶5406線故障原因為雷電繞擊A相導(dǎo)線引起。

2 防雷措施

影響雷擊跳閘的主要因素有地閃密度、雷電流幅值、線路保護角、線路絕緣水平、桿塔高度、桿塔接地電阻、地面傾角、地形地貌等。通過有效的防護措施來減小部分因素對線路雷擊跳閘的影響是一種有效的防護手段。目前應(yīng)用于超高壓架空線路的雷電防護措施主要有[9]：

1）減小線路保護角；

2）降低桿塔接地電阻；

3）提高線路絕緣水平；

4）加裝保護間隙；

5）架設(shè)耦合地線；

6）架設(shè)旁路地線；

7）安裝避雷針；

8）加裝線路金屬氧化物避雷器。

這些防雷保護措施各有特點，應(yīng)根據(jù)天瓶5406線的雷害特征和防護策略選擇有針對性的措施。

2.1 減小保護角

隨著線路保護角的逐漸減小，線路的繞擊率呈下降趨勢，減小保護角是降低繞擊跳閘率比較有效的方法[10]。但是對于已建線路，改變線路保護角可行性較差，并且對于山區(qū)地面傾角較大的桿塔，由于受塔頭設(shè)計的限制，保護角不可能大幅度降低，應(yīng)采取其他有效的繞擊防護措施，對于天瓶5406線，其保護角已在5.5°以下，減小保護角技術(shù)經(jīng)濟性不高，故暫不考慮該項措施。

2.2 降低桿塔接地電阻

降低桿塔接地電阻是高壓輸電線路基本的防反擊措施，降低桿塔接地電阻能降低雷擊塔頂電位，提高線路的耐雷水平，有效地防止反擊事故發(fā)生。降低桿塔接地電阻的措施有多種，如水平外延接地體、深埋式接地極、填充低阻物質(zhì)、加裝導(dǎo)電接地模塊等[11]。對于天瓶5406線來說，首要解決的是繞擊問題，故暫不考慮該項措施。

2.3 加強線路絕緣水平

提高線路絕緣水平也是增強線路耐雷水平的一種方法，通過提高線路的絕緣水平，可增加絕緣子的放電電壓，提高線路的耐雷水平[12]。天瓶5406線已具有較高的絕緣水平，故暫不考慮該項措施。

2.4 加裝保護間隙

保護間隙的作用主要是發(fā)生雷擊時，保護間隙通過電弧閃絡(luò)來保護絕緣子不受損壞，可以降低線路的雷擊事故率。對于現(xiàn)有線路，安裝并聯(lián)間隙會短接部分絕緣子，從而造成線路絕緣水平降低，反而導(dǎo)致雷擊跳閘率增大[13]。在華東電網(wǎng)雷擊跳閘率較高的情況下，不宜簡單大范圍推廣，故暫不考慮該項措施。

2.5 架設(shè)耦合地線

耦合地線的作用主要有2個：

1）增大避雷線與導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)，從而減少絕緣子串2端電壓的反擊和感應(yīng)電壓的分量；

2）增大雷擊塔頂時向相鄰桿塔的分流作用，降低絕緣子承受的電壓，提高線路耐雷水平[14]。

但是架設(shè)耦合地線需要驗算桿塔強度，耦合地線對導(dǎo)線及地的距離；以及大風(fēng)時，耦合地線和導(dǎo)線不同期擺動后的距離，且施工困難，受地形條件限制，增加線路運行電能損耗，還有可能需要砍伐樹木，使得線路運行維護的工作量和難度會增大，其經(jīng)濟造價亦較高，故暫不考慮該項措施。

2.6 架設(shè)旁路地線

架設(shè)旁路地線可以增強對導(dǎo)線的屏蔽作用，具有一定的減少雷電繞擊作用，但是需要另外架設(shè)桿塔和導(dǎo)線，經(jīng)濟造價很高，故暫不考慮該項措施。

2.7 安裝塔頭避雷針

通過在塔頭安裝可控放電避雷針，可有效提高桿塔的引雷能力，增強桿塔對其附近導(dǎo)線的雷電屏蔽能力，從而降低雷電繞擊導(dǎo)線的概率，減小繞擊跳閘率[15]，同時，由于能發(fā)生繞擊的雷電流一般較小，接地電阻值控制在允許范圍內(nèi)時被吸引至桿塔時也不會產(chǎn)生反擊閃絡(luò)，不增加反擊跳閘率。合理的安裝方式和安裝方法對可控放電避雷針的防護效果非常關(guān)鍵，同時一定要控制好桿塔接地電阻，對不合格桿塔應(yīng)進行降阻改造，以確?？煽胤烹姳芾揍槹l(fā)揮更好的防護效果。

2.8 安裝線路金屬氧化物避雷器

為了減少線路的雷擊事故，提高供電可靠性，在線路上安裝金屬氧化物避雷器是減少線路雷擊事故一種非常有效的方法。線路避雷器與絕緣子串并聯(lián)安裝，當(dāng)雷電繞擊線路或雷擊桿塔在絕緣子串2端產(chǎn)生過電壓超過避雷器動作電壓時，避雷器可靠動作，利用電阻片的非線性伏安特性，限制避雷器殘壓低于線路絕緣子串的閃絡(luò)電壓；雷電流經(jīng)過避雷器泄放后，避雷器將工頻續(xù)流及時截斷，線路2端斷路器不會跳閘，系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)[16]。理論計算分析和實踐都證明，將線路避雷器應(yīng)用到線路雷電活動強烈或土壤電阻率高、降低接地電阻有困難的線段，可以較大地提高線路的耐雷水平，降低線路的雷擊跳閘率，從而減少線路的非計劃停電時間，提高供電可靠性。

3 結(jié)語

天瓶5406線所處地勢較為復(fù)雜，檔距較大，導(dǎo)致暴露弧較大，繞擊跳閘概率上升，因此，防雷措施主要針對降低該線路繞擊跳閘風(fēng)險。通過前2節(jié)的計算和分析，建議以安裝線路避雷器和可控放電避雷針作為主要防雷改造措施。其中，采用在塔頭2側(cè)安裝2支可控放電避雷針的措施，增加桿塔負保護角，較少繞擊概率。理論上安裝防繞擊避雷針的桿塔可以保護桿塔2側(cè)各約150m范圍免遭繞擊，雖保護范圍有一定限制，但防繞擊避雷針安裝較為方便，一般情況下線路帶電時也可進行安裝，只要設(shè)備與帶電體的安全距離滿足要求即可。另外，雖然安裝避雷器需要將線路停電，費用高且日后運行維護工作量較大，但防雷效果明顯，主要用于多次跳閘、大跨越、風(fēng)險等級很高等桿塔的防護，具體安裝相及數(shù)量參照桿塔處地形及桿塔各相繞擊概率相對大小來確定。

根據(jù)防雷策略綜合分析，需要合理選擇上述2項重點防雷措施。由于天瓶5406線23號塔曾2次發(fā)生繞擊故障，可以利用停電機會，建議安裝線路避雷器，也可以在其他塔頭安裝避雷針。目前，華東電網(wǎng)有多條超高壓輸電線路進行了防雷的技術(shù)改造，解決線路的繞擊問題，主要措施就是安裝線路避雷器和可控放電避雷針，從而達到降低繞擊跳閘概率，并取得了良好的實效。

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Shielding Failure and Lightning Protection for Extra-High Voltage Transmission Line

GAN Bin1，ZHANG Shuang-ping2，YU Ping3
（1.Hangzhou Power Supply Bureau,Hangzhou 310000,Zhejiang Province,China；2.Operation and Maintenance Center of Hubei EHV Transmission&Transformation Company;Yichang 443000,Hubei Province,China；3.Ertan Hydropower Development Company Ltd.,Chengdu 617000,Sichuan Province,China）

Anti-shielding failure should be a focus in the lightning protection of a UHV transmission line.Based on the case of the Tianping line 5406of the East China Power Grid,the fault phenomena are clearly stated in this paper,followed by fault calculation and fault analysis,and then the lightning protection mechanism is established with focus on antishielding failure.In addition,eight basic measures for the lightning protection ofthe UHV transmission line are intensively analyzed with the pros and cons of each measure given.According to the features of lightning protection,line arresters and controllable discharge lightning rods are chosen as the main means of lightning protection for Tianping line 5406.This comprehensive lightning protection pattern has extensive meaning in real projects,and favorable effects have been achieved with this pattern.

EHV;transmission lines;lightning protection;anti-shielding failure;arrester

防繞擊應(yīng)是超高壓輸電線路的防雷重點，以華東電網(wǎng)天瓶5406線為例，闡述故障情況，進行故障計算，分析故障原因，確定了以防繞擊為主的防雷策略，深入分析了超高壓輸電線路中的8項基本防雷措施，分析其利弊，并根據(jù)超高壓輸電線路的防雷特點，最終采用了安裝線路避雷器和可控放電避雷針作為天瓶5406線防雷改造的主要措施，這種綜合防雷措施在實際應(yīng)用中具有廣泛的意義，并取得了良好的實效。

超高壓；輸電線路；防雷；防繞擊；避雷器

1674-3814（2011）12-0057-06

TM 723

J

2011-10-06。

甘 斌（1980—），男，碩士，主要從事靈活交流輸電研究；

張雙平（1983—），男，碩士，主要從事超高壓輸變電相關(guān)工作及研究；

余 平（1981—），男，碩士，主要從事水電廠運行技術(shù)管理工作。

（編輯 董小兵）