500kV輸電線路防雷措施的研究與分析

劉乾承　黃偉超　李巖　孫盛華　孫詩銘

摘 要：在提高電能輸送質(zhì)量和輸送距離的同時(shí)，500kV超高壓輸電技術(shù)因電壓等級(jí)的提高、配備巨大桿塔和超長(zhǎng)輸電線等，使得其遭受雷擊繞擊的幾率隨之增加。而500kV輸電線路防雷保護(hù)的配置，需要結(jié)合所在地區(qū)的地形及當(dāng)?shù)乩纂娀顒?dòng)參數(shù)等因素，這給防雷保護(hù)工作帶來新的挑戰(zhàn)，故本文將就此展開探討。

關(guān)鍵詞：500kV輸電線路；超高壓；耐雷水平；防雷措施

中圖分類號(hào)：TM863 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）13-0167-02

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)中心分布于平原及自然的地理因素，部分500kV輸電線路不可避免的架設(shè)于高山、曠野等處，非常容易遭受雷擊。統(tǒng)計(jì)顯示，500kV輸電線路跳閘事故中40%～70%是由雷擊引起的，雷擊已經(jīng)成為威脅500kV輸電線路安全運(yùn)行的主要因素，故因地制宜采取適宜的防雷措施來提高500kV輸電線路耐雷水平就具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 500kV輸電線路防雷的主要措施

1.1 安裝避雷器

在線路上安裝避雷器可以有效強(qiáng)化雷電類的分流效果，從而降低雷擊時(shí)桿塔頂端的電位。近年來金屬氧化物避雷器不斷改良且制作成本持續(xù)下降，如清華大學(xué)和中能公司聯(lián)合研制的系列氧化鋅避雷器有效解決了以往氧化鋅避雷器存在的系統(tǒng)接地動(dòng)作時(shí)給接地線路造成過高電壓損失、接地極施工不良時(shí)作用難以發(fā)揮、在極端惡劣環(huán)境下使用壽命大幅縮短、散熱性較差且安裝時(shí)間較長(zhǎng)等缺陷（表1為該系列氧化鋅避雷器的主要技術(shù)參數(shù)），在我國(guó)500kV輸電線路防雷中得以廣泛應(yīng)用。

1.2 加裝并聯(lián)保護(hù)間隙

通過在絕緣子兩端加裝一對(duì)并聯(lián)的金屬電極來構(gòu)成并聯(lián)保護(hù)間隙，雷擊發(fā)生時(shí)并聯(lián)保護(hù)間隙的雷電沖擊電壓小于絕緣子串的放電電壓，讓持續(xù)的工頻電弧被引到電極頂端并借助電動(dòng)力來吹散，從而達(dá)到防雷目的。需要注意的是，并聯(lián)保護(hù)間隙的加裝雖然能夠有效減少絕緣子的更換，但由于其放電電壓降低也會(huì)一定程度上降低500kV輸電線路的絕緣水平，如果要確保絕緣水平不變則必須使絕緣子的長(zhǎng)度增加，這無疑會(huì)增加成本。

1.3 減小接地電阻

通過減小接地電阻來減小雷擊時(shí)桿塔頂端電位，也是500kV輸電線路防雷技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，現(xiàn)階段應(yīng)用較廣的主要有如下五種方法：（1）接地體的深埋。將接地體深埋可以有效增加接地體在土壤中的散流面積，但該方式通常應(yīng)用于桿塔所處土壤電阻率較低的情形，適用范圍有限；（2）接地體的水平外延。通過接地體的水平外延，在降低工頻接地電阻的同時(shí)有效降低雷擊時(shí)桿塔沖擊電阻，因此在條件允許時(shí)應(yīng)盡量采取此種方式；（3）局部換土。當(dāng)桿塔需要安裝在具有較高電阻率的土壤時(shí)，可以通過局部換土的方式來降低接地電阻；（4）自然接地體的使用。具有較低接地電阻的自然接地體（如鋼骨架）能夠降低桿塔電位，從而減少500kV輸電線路遭受雷擊的概率；（5）降阻劑的采用。當(dāng)自然條件約束使上述四種方法都無法獲取良好效果時(shí)，可以使用降阻劑來改善土壤電阻率。

1.4 其他措施

第一，減小保護(hù)角。保護(hù)角的大小在一定程度上影響著避雷線對(duì)500kV輸電線路的屏蔽性能，這意味著在相同幅值雷電流雷擊的前提下，保護(hù)角的減小能夠降低500kV輸電線路暴露的范圍，進(jìn)而使繞擊跳閘率降低。通常情況下，可以通過如下方法來減小保護(hù)角：在避雷線高度不變的基礎(chǔ)上增加絕緣子的片數(shù)，使導(dǎo)線掛點(diǎn)處高度降低；在導(dǎo)線高度不變的基礎(chǔ)上，提高避雷線高度；在確保避雷線和導(dǎo)線原有高度的基礎(chǔ)上，減小它們間的側(cè)線距離。

第二，500kV輸電線路絕緣水平的提高。通過對(duì)500kV輸電線路絕緣子的完善來提高絕緣水平（如更換新型絕緣子），可以有效提高500kV輸電線路的耐雷水平。

第三，避雷線的改造。在實(shí)際運(yùn)行過程中，避雷線可能會(huì)發(fā)生過聯(lián)處燒斷引發(fā)跳閘故障，因此架空避雷線直接接地點(diǎn)可以在桿塔上單獨(dú)焊一個(gè)接地點(diǎn)，并且其連接的絕緣子放電間隙大小應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 500kV輸電線路防雷的應(yīng)用案例

2.1 故障基本情況

2017年9月3日，某500kV輸電線路C相故障，重合成功。故障前該輸電線路正常運(yùn)行，負(fù)荷為38.8萬千瓦，故障電流為5.975kA。檢查后發(fā)現(xiàn)，故障點(diǎn)N116塔（塔型ZBC3，呼稱高33m，地處山區(qū)，海拔高度936m）C相絕緣子上下均壓環(huán)處均有放電燒傷痕跡，故障C相絕緣子采用FXBW-500/180型絕緣子，小號(hào)側(cè)N115塔采用FXBW-500/210型絕緣子，爬電距離13750mm；大號(hào)側(cè)N117塔采用U240B/170玻璃絕緣子，爬電距離40*400mm，跳串采用FXBW-500/100型絕緣子，爬電距離13750mm，符合設(shè)計(jì)污級(jí)要求。

根據(jù)專家研究，已采取如下措施：故障桿塔兩側(cè)地線采用非直接接地GJ-80鍍鋅鋼絞線。鐵塔接地型式采用方環(huán)加射線，實(shí)測(cè)接地電阻值為7.3Ω，接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 故障原因分析及改進(jìn)措施

該500kV輸電線路故障桿塔絕緣子表面和桿塔無鳥糞污染痕跡，周邊無易漂浮物，無發(fā)生鳥糞閃絡(luò)、異物短路閃絡(luò)因素；故障當(dāng)日現(xiàn)場(chǎng)天氣為雷雨天氣，未發(fā)生霧霾天氣，不具備污閃環(huán)境及氣象特征；因風(fēng)速較小，排除風(fēng)偏放電。經(jīng)對(duì)當(dāng)?shù)厝罕娺M(jìn)行走訪了解，線路故障時(shí)天氣為雷雨天氣，有明顯雷聲和閃電，且專業(yè)人員到達(dá)后雷雨天氣還持續(xù)進(jìn)行。綜合考慮故障區(qū)段的地理特征、氣候特征，結(jié)合雷電定位系統(tǒng)、閃絡(luò)點(diǎn)痕跡等，排除線路發(fā)生其他故障的可能性。

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析可知，故障區(qū)段線路周邊范圍1km內(nèi)有7處雷電活動(dòng)記錄，主要分布在N115-N118塔區(qū)段附近。根據(jù)地理信息分析，判斷為雷擊造成的跳閘。

故障點(diǎn)N116塔塔型為ZBC3，保護(hù)角為7.5°，桿塔高度39m。因該塔地處上山坡位置，接地電阻實(shí)測(cè)值為7.3Ω，線路避雷線設(shè)計(jì)保護(hù)角符合規(guī)程規(guī)定。根據(jù)故障點(diǎn)放電痕跡，分析此次放電通道為雷電繞過地線擊到導(dǎo)線上，通過導(dǎo)線端均壓環(huán)與鐵塔端均壓環(huán)放電，判斷為繞擊雷。之前該500kV輸電線路已采取一定防雷措施：該500kV輸電線路為雙架空地線，且保護(hù)角滿足要求；在雷雨季節(jié)前對(duì)桿塔接地電阻進(jìn)行逐基測(cè)試，滿足運(yùn)行要求。

綜上所述，判斷本次故障原因?yàn)槔@擊雷造成閃絡(luò)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查實(shí)際情況，絕緣子、均壓環(huán)及導(dǎo)線燒傷痕跡不影響線路正常運(yùn)行，暫不做處理。但是需要采取進(jìn)一步措施，預(yù)防雷擊事故具體措施如下：鑒于該區(qū)段非雷害頻發(fā)區(qū)且雷害具有偶發(fā)性，故暫時(shí)不采取其它防雷措施；結(jié)合線路停電檢修機(jī)會(huì)，對(duì)故障相絕緣子金具進(jìn)行更換；將故障區(qū)段列為雷電活動(dòng)區(qū)，加強(qiáng)接地電阻、地線等防雷設(shè)施的檢測(cè)，對(duì)不符合要求的及時(shí)治理。

3 結(jié)語

研究表明，防雷措施對(duì)應(yīng)的治理方向不同導(dǎo)致了各種防雷措施實(shí)施后得到了完全不同的防雷效果，并且傳統(tǒng)的粗放式防雷治理方案有時(shí)候不僅不能得到雷擊跳閘率的有效降低，反而會(huì)導(dǎo)致對(duì)桿塔大規(guī)模的二次改造，多次改造的結(jié)果是防雷成本的提高，防雷工程的延長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)損失和人力的耗費(fèi)非常巨大?；诖?，500kV輸電線路防雷措施的制定應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況（如線路走廊不同地形、線路的不同結(jié)構(gòu)、雷電頻繁情況和絕緣配置、防雷計(jì)算方法的差別、防雷措施等的差異性），在合理評(píng)估后制定最優(yōu)方案。

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