特高壓輸電線路防雷技術(shù)探討

拓新路 楊 博

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司 2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院）

特高壓輸電線路防雷技術(shù)探討

拓新路1楊 博2

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司 2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院）

雷擊跳閘是影響特高壓輸電線路安全運行的主要因素，尤其在雷電活動強烈地區(qū)面臨的防護壓力很大，本文對特高壓輸電線路的雷擊特點、耐雷性能研究方法與影響因素、防雷措施進行了探討。

特高壓輸電線路；防雷

0 引言

我國將直流±800kV、交流1000 kV及以上的電壓等級定義為特高壓。眾所周知，我國能源分布很不均衡，水電資源主要集中在西南部，煤炭資源和風能資源主要分布在西北、華北等地，而用電需求主要集中在中東部地區(qū)。遠距離輸電是解決發(fā)電與用電異地分布的關(guān)鍵策略，然而500kV超高壓電網(wǎng)已難以滿足大容量、高效率、遠距離輸電需要，采用特高壓輸電成為我國能源發(fā)展政策的必然選擇。雷擊是影響遠距離輸電安全可靠性的重要因素，中外運行經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1,2]已證實雷擊是輸電線路跳閘的主要“元兇”。特高壓輸電線路雷害特點又不同于常規(guī)輸電線路，因此本文對特高壓輸電線路防雷技術(shù)進行了探討。

1 特高壓輸電線路雷擊特點與耐雷性能的影響因素

1.1 雷擊形式與特征

雷電現(xiàn)象是由于太陽輻射使地表受熱造成含水汽空氣產(chǎn)生對流，水珠在運動、碰撞、分裂、融合過程中帶上電荷。雷云放電就產(chǎn)生光（閃）和聲（雷），并在輸電線路上形成過電壓。雷過電壓有直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩種形式，前者是指雷云直接對線路放電并在設備上產(chǎn)生沖擊電壓，后者是由于雷電先導在設備上感應出電荷而形成的過電壓。感應雷過電壓只對沒有避雷線的35kV及以下線路有威脅，110kV及以上線路受到的威脅主要來自直擊雷過電壓。直擊雷過電壓又分為反擊和繞擊兩種情況，反擊是指雷電直接擊中桿塔或地線，而繞擊是指雷電繞過地線擊中導線。根據(jù)運行經(jīng)驗，反擊主要發(fā)生在330kV及以下線路，而500kV及以上線路主要雷擊故障由繞擊引起，尤其是特高壓輸電線路絕緣水平高、桿塔結(jié)構(gòu)尺寸大，更容易發(fā)生繞擊[3]。

1.2 耐雷性能研究方法

輸電線路耐雷性能影響因素的研究可通過現(xiàn)場觀測、模擬實驗、理論分析等手段實現(xiàn)。雷電觀測是了解雷電參數(shù)和雷電特性的主要方法，目前我國已建立了較為完善的雷電定位系統(tǒng)，可以獲得輸電走廊地閃密度分布資料，便于采取差異化的防雷策略。模擬實驗是獲得雷電數(shù)據(jù)及驗證理論分析結(jié)果不可或缺的手段，然而實驗室放電試驗與實際雷電放電存在較大差異，模擬實驗結(jié)論需要通過實際工程驗證[4]。理論分析主要有規(guī)程法、電氣幾何模型（EMG）、先導發(fā)展模型（LMP）三個途徑。規(guī)程法基于多年運行經(jīng)驗和模擬實驗結(jié)果，如DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》附錄C中給出的繞擊率計算公式，該方法對特高壓輸電線路偏差很大，故不適于特高壓線路耐雷性能的分析。EMG通過幾何作圖方法分析雷電先導擊中目的物的情形，以明確雷電活動與線路結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，但經(jīng)典EMG忽略桿塔高度、地形等因素，一般不用于特高壓線路繞擊的分析，改進EMG通過引入吸引半徑并考慮復雜地形因素等方式完善了經(jīng)典模型。LMP建立了雷電上下行先導從發(fā)展到擊穿目的物整個過程的分析機制，比EMG更準確描述雷擊過程，但也因此使模型更加復雜，相關(guān)參數(shù)和判據(jù)不完善，影響實際應用。

1.3 特高壓線路耐雷性能的影響因素

影響特高壓線路耐雷性能的因素錯綜復雜，包括：線路結(jié)構(gòu)因素，如地線對導線的保護角、線路絕緣水平、桿塔高度、塔型、檔距內(nèi)弧垂等；雷電因素，如雷電流幅值大小及分布；地形因素，如山體地面傾角及不同位置；氣象因素，如風速、氣溫等；線路運行因素，如線路電壓與極性等?，F(xiàn)根據(jù)EMG對部分影響因素進行分析。

圖1中，雷電先導頭部到達線路上方，在擊向?qū)Ь€之前會先遇到地線（避雷線）形成的屏蔽?。ňG色弧），屏蔽弧外側(cè)未得到保護的弧段稱為繞擊弧或暴露?。t色?。?，在繞擊弧外側(cè)為大地雷電捕捉面（橙色線段）。Rg、Rc分別為地線和導線的擊距。

圖1a為平地情形。其中α、α1、α2為地線保護角，且α＞α1＞α2；t、t1、t2為繞擊弧地面投影寬度，且t＞t1＞t2。往外側(cè)移動地線，保護角減小，并且繞擊弧地面投影寬度也減小，說明雷電繞擊概率下降；反之亦然。

圖1b為山坡情形。其中θ為地面傾角，α為地線保護角。上坡一側(cè)的繞擊弧比平地減小了，而下坡一側(cè)的繞擊弧比平地增大了，它們對坡面投影的寬度t1＜t2。可見，上坡一側(cè)雷電繞擊概率減小了，而下坡一側(cè)的繞擊概率增大了。

圖1c為山頂情形。其中θ1、θ2為兩側(cè)山坡對水平面的傾角，α為地線保護角。兩側(cè)繞擊弧都比平地變大了，相應地對坡面投影的寬度t1、t2比平地大，表明雷電繞擊概率增大了。

圖1d為峽谷情形。其中θ1、θ2為峽谷坡面對水平面的傾角，α為地線保護角。兩側(cè)繞擊弧都比平地減小了，相應地對坡面投影的寬度t1、t2比平地小，表明雷電繞擊概率減小了。

通過EMG圖形很容易解釋相同地線保護角情況下山區(qū)比平原更容易遭受雷電繞擊，而峽谷地形因為有兩側(cè)山體屏蔽，繞擊概率比平地要小得多。

2 特高壓輸電線路防雷措施

2.1 采用差異化防雷策略

超特高壓輸電線路傳統(tǒng)防雷措施不外乎減小避雷線保護角、架設多根避雷線、架設耦合地線、架設避雷針、安裝線路避雷器、提高線路絕緣水平、采用不平衡絕緣、絕緣子串并聯(lián)間隙、安裝自動重合閘等，然而線路防雷性能評估主要依據(jù)典型地貌及雷擊跳閘率的統(tǒng)計結(jié)果，沒有根據(jù)各級桿塔耐雷性能差異采取針對性的措施，投入與產(chǎn)生的效果不成比例。差異化防雷是按照線路重要程度、線路走廊雷電活動規(guī)律、線路結(jié)構(gòu)、絕緣配置水平、防雷方法等差異性，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟效果所采取的針對性策略。

2.2 差異化防雷策略實施流程

差異化防雷一般要經(jīng)過參數(shù)統(tǒng)計、各基桿塔雷擊跳閘率計算、桿塔防雷性能評估、防雷措施配置幾個步驟。充分評估每基桿塔差異化特征，針對防雷薄弱性環(huán)節(jié)，再采取針對性措施是非常重要的。例如特高壓同塔雙回線路通常架設2根地線，并且地線對邊相導線保護角不應小于－5°（山區(qū)），但可能因為地形因素造成兩地線間距過大（超過導地線垂直距離5倍），以致中相導線遭到繞擊閃絡，對此應通過架設第三根地線或另設耦合地線加以防范。

2.3 差異化防雷策略配置方法

實施差異化防雷策略應當綜合考慮各種情況，包括地線、地形地貌、線路避雷器、并聯(lián)間隙等配置。以地形地貌配置為例，雷電活動頻繁的平原地區(qū)采用酒杯塔足以防范繞擊，不需要再增加額外的防雷措施；山谷雷電繞擊率很低，同樣不需要增加防雷措施；但對于山脊可進一步降低保護角或增設耦合地線；山坡下坡處可減小保護角或通過增加邊相導線絕緣子片數(shù)來減小保護角。

3 結(jié)束語

根據(jù)運行經(jīng)驗，雷電繞擊是特高壓輸電線路跳閘的主要原因，尤其山區(qū)雷擊閃絡威脅更為直接。特高壓輸電線路防雷除了減小地線保護角，還應采取綜合防雷措施，因為特高壓輸電線路運行時間、數(shù)據(jù)相對不足，應結(jié)合實際線路情況采取差異化防雷策略才能有效保障線路安全運行。

[1] 胡毅，劉凱，吳田，等. 輸電線路運行安全影響因素分析及防治措施[J]. 高電壓技術(shù)，2014,40(11)：3491-3499.

[2] 何俊佳，蔡漢生，賀恒鑫，等. 南方電網(wǎng)超/特高壓輸電線路耐雷性能評估技術(shù)研究進展[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2016,10(9)：1-10.

[3] 文藝. 特高壓交流輸電線路繞擊耐雷性能及其防雷措施研究[D]. 成都：西華大學，2014.

[4] 司馬文霞，楊慶，李永福，等. 輸電線路雷電繞擊評估方法分析及展望[J]. 高電壓技術(shù)，2015,41(8)：2500-2513.

2017-09-17）