220kV架空輸電線路防雷分析及對(duì)策

孟昭顯，胡曉黎，戴衛(wèi)華，付廣學(xué)，段玉兵，張皓

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南，250002；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨清市供電公司，山東臨清，252600）

0 引言

本文重點(diǎn)對(duì)某省電網(wǎng)近五年220kV線路雷擊故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從而找出了某省電網(wǎng)輸電線路雷擊故障特點(diǎn)，本文總結(jié)出了雷擊故障原因及存在的問(wèn)題，并列舉了典型雷擊線路治理案例，提出了有效的防雷措施及對(duì)策。

1 某省電網(wǎng)近5年雷擊故障基本情況

1.1 雷擊故障情況

某省電網(wǎng)近5年管轄220kV線路雷擊跳閘率分別為0.082、0.128、0.148、0.055和0.122次/百公里·年，2013年220kV線路雷擊跳閘率最高，為0.148

次/百公里·年。小于架空輸電線路運(yùn)行規(guī)范規(guī)定的0.315次/百公里·年。該指標(biāo)近5年均未超規(guī)范規(guī)定。

1.2 線路分布情況

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，220kV線路發(fā)生重復(fù)跳閘的共15條，這些線路大部分雖已在易擊段安裝了避雷器。但未按照差異化的防雷思路對(duì)線路的接地電阻、加裝側(cè)向避雷針等影響防雷的重要因素進(jìn)行整改，造成重復(fù)跳閘。

1.3 時(shí)間區(qū)域分布情況

從時(shí)間分布上看，雷擊跳閘主要集中在6到8月。按照故障桿塔所處的地域進(jìn)行分類，近5年，該省中部丘陵和中部山區(qū)雷擊跳閘次數(shù)最多，分別是24和19次。

2 某省電網(wǎng)近五年220kV架空線路故障停運(yùn)情況

2.1 雷擊跳閘類型

102次線路雷擊跳閘中，除17次是反擊跳閘外，繞擊跳閘有85次，占比達(dá)83.3%?？紤]到線路中單回塔數(shù)量較雙回塔多，故同塔雙回繞擊跳閘率高于單回。

2.2 雷擊故障桿塔所處地形特點(diǎn)

位于山區(qū)的桿塔發(fā)生雷擊跳閘率較高。線路雷擊故障桿塔所處地形為平地的占40.2%，所處地形為山區(qū)的占59.8%。

2.3 繞擊故障與桿塔保護(hù)角的關(guān)系

線路保護(hù)角越大發(fā)生繞擊跳閘的概率越大，保護(hù)角10°及以上的線路跳閘數(shù)占跳閘總數(shù)的63.5%。一般情況下，在發(fā)生雷電時(shí)，往往伴有大風(fēng)等惡劣天氣，使輸電線路和避雷線的保護(hù)角易發(fā)生變化。同時(shí)，山區(qū)輸電設(shè)備由于山坡地形的影響會(huì)引起線路邊導(dǎo)線保護(hù)范圍的變化，邊坡角度的加大會(huì)引起屏蔽失效的區(qū)間增大，位于山區(qū)的線路,一般檔距較大，檔距中央導(dǎo)線受避雷線保護(hù)的區(qū)域變小，即失效區(qū)變大。

2.4 雷擊故障與桿塔接地電阻的關(guān)系

102次線路雷擊跳閘中，17次是反擊跳閘，反擊跳閘中由于桿塔接地電阻不合格造成跳閘14次，占比82.35。

2.5 地理特征

某省的兩個(gè)地市分別處于中部山區(qū)和中部丘陵，是該省雷擊跳閘最多的兩個(gè)地區(qū)。從某省雷區(qū)分布圖可以看出這兩個(gè)地市絕大部分地區(qū)處于多雷區(qū)，繞擊和反擊雷害風(fēng)險(xiǎn)都在Ⅲ級(jí)，甚至部分地區(qū)達(dá)到Ⅳ級(jí)。近5年某省平均地閃密度為2.10次/平方公里 年，這兩個(gè)地市的地閃密度分別為2.43和3.10次/平方公里 年，均超出了某省平均地閃密度。另外，處于中部山區(qū)的該地市土壤中金屬含量較高，也是容易引雷的一個(gè)重要原因。

3 某省電網(wǎng)220kV線路雷擊故障特點(diǎn)

3.1 山區(qū)線路故障率高

山區(qū)線路由于特殊的地理環(huán)境，成為雷擊的易擊區(qū)段。位于上頂?shù)臈U塔易遭雷直擊，加上桿塔接地電阻偏高，容易造成反擊。位于山坡上的桿塔，由于地面傾角使靠近坡底的邊相保護(hù)角增大，導(dǎo)致避雷線保護(hù)失效而對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生繞擊。另外，在兩山峰之間易形成大跨越段，線段下方為幾十米的深溝，易形成風(fēng)口；同時(shí)，兩檔距較大，導(dǎo)線弧垂大，風(fēng)偏嚴(yán)重，在大風(fēng)情況下，避雷線失去對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)，雷電繞擊導(dǎo)線檔距中央，形成雷電行波在線路絕緣相對(duì)較弱的桿塔絕緣子處發(fā)生擊穿，導(dǎo)致線路跳閘。

3.2 山區(qū)線路保護(hù)角取值偏大

山區(qū)輸電線路由于山坡地形變化會(huì)引起線路避雷線保護(hù)范圍的變化，斜山坡地形會(huì)引起屏蔽失效的區(qū)域增大。根據(jù)近年來(lái)輸電設(shè)備雷擊跳閘情況分析，山區(qū)線路由于雷電繞擊引起的跳閘的較多，而保護(hù)角取值較大或未隨地形進(jìn)行改進(jìn)是造成屏蔽失效的主要原因。

3.3 山區(qū)桿塔接地電阻取值較高

對(duì)于同一電壓等級(jí)的架空輸電線路，隨著桿塔接地電阻的增加，雷擊塔頂時(shí)塔頂電位升高程度增加，絕緣子承受過(guò)電壓增加，特別是運(yùn)行多年且未得到良好維護(hù)的線路就顯得更為突出。污穢較重的絕緣子，其雷電沖擊水平會(huì)有明顯下降，一般可下降6%-10%。最嚴(yán)重時(shí)可下降15-35%。線路的反擊耐雷水平嚴(yán)重下降。雷擊跳閘率顯著增加。

4 某省電網(wǎng)220kV線路防雷主要對(duì)策

4.1 影響繞擊的因素分析及主要對(duì)策

圖1

根據(jù)模擬試驗(yàn)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 繞擊率Pa即繞擊概率與避雷線對(duì)導(dǎo)線外側(cè)的保護(hù)角α、桿塔高度h以及沿線路的地形地貌地質(zhì)條件有關(guān), 可按以下近似公式計(jì)算:

有上式可知, 影響繞擊的因素主要是依賴于線路的設(shè)計(jì)水平，在線路運(yùn)行中整改的難度較大，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，有效的方法是在線路上加裝可控放電避雷針或側(cè)向避雷針，可控放電避雷針的原理是使主針針頭電場(chǎng)發(fā)生畸變，誘發(fā)雷電上行先導(dǎo)，攔截雷電下行先導(dǎo)，保護(hù)導(dǎo)線免遭雷擊。側(cè)向避雷針主要是通過(guò)在桿塔或地線上安裝水平測(cè)針，以增強(qiáng)桿塔和地線吸引弱雷的能力，增加雷擊保護(hù)范圍，降低線路繞擊率。

某省山區(qū)220kV線路，雷擊故障后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，該線路的保護(hù)角在設(shè)計(jì)規(guī)程范圍內(nèi)，接地電阻經(jīng)測(cè)量滿足接地要求，但仍然發(fā)生繞擊故障，經(jīng)過(guò)對(duì)線路加裝塔頭和架空地線側(cè)向避雷針，線路運(yùn)行良好。

4.2 影響反擊的因素分析、典型線路舉例及主要對(duì)策

4.2.1 影響反擊的因素分析

雷電塔頂反擊時(shí)的耐雷水平:

I =U50%/ (bRj+ bLgt/2.6+ hd/2.6)(1-k)從上式可以看出，反擊耐雷水平與導(dǎo)、地線間的耦合系數(shù)k、桿塔分流系數(shù)β、桿塔沖擊接地電阻Ri、桿塔等值電感Lgt以及絕緣子串的50%沖擊放電電壓等諸多因素有關(guān)。但在實(shí)際工程中, 往往以降低桿塔沖擊接地電阻作為提高線路耐雷水平的主要手段。

4.2.2 典型線路舉例及主要對(duì)策

該省2015年4月某位于山區(qū)的220kV線路兩套縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作，B相跳閘，重合成功。故障時(shí)間該區(qū)域雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，通過(guò)對(duì)雷電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行查詢，該線路87#-88#觀測(cè)落雷100.1kA，運(yùn)行單位故障巡線發(fā)現(xiàn)#88塔B相合成絕緣子上、下均壓環(huán)均有燒傷痕跡，檢查接地引下線與塔腳接觸點(diǎn)均無(wú)放電燒傷痕跡，導(dǎo)、地線無(wú)損傷。該線路88#塔位于山坡上，周圍比較空曠，并且故障相為外邊坡側(cè)邊相，故障地形屬于典型的山峰外側(cè)線路。綜合以上分析，并經(jīng)運(yùn)行支撐單位專家最終認(rèn)定，此次故障是因雷雨天氣，接地電阻不合格，反擊造成絕緣子上、下均壓環(huán)空氣間隙擊穿導(dǎo)致，本次雷擊故障為雷電反擊。

圖2

雷電流幅值超過(guò)桿塔設(shè)計(jì)耐雷水平是本次線路雷擊跳閘的主要原因。《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定：220kV桿塔接地電阻15Ω時(shí)，桿塔對(duì)應(yīng)耐雷水平為76kA，山區(qū)線路跳閘率允許值為0.95次/百公里·年。本次線路跳閘，雷電流幅值為-100.1kA，而實(shí)測(cè)接地電阻為24Ω，超過(guò)該桿塔設(shè)計(jì)耐雷水平。這是導(dǎo)致本次線路跳閘的直接原因。

從圖中可以看出，桿塔周圍石頭多，僅有極少量土，很大程度上影響了接地電阻的進(jìn)一步降低。當(dāng)桿塔接地裝置不能符合規(guī)定電阻時(shí)，針對(duì)周圍的環(huán)境條件、土壤和地址條件，應(yīng)因地制宜，結(jié)合局部換土、電解離子接地系統(tǒng)、擴(kuò)網(wǎng)、引外、利用自然接地體、增加接地網(wǎng)埋深、垂直接地極等降阻方法的機(jī)理和特點(diǎn)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選用合適的降阻措施。

對(duì)經(jīng)常遭受反擊的桿塔在進(jìn)行接地電阻改造時(shí)，每基桿塔不連避雷線時(shí)的工頻接地電阻，在雷季干燥時(shí)應(yīng)小于表1所列數(shù)值。

表1

針對(duì)土壤電阻率較高的情況，運(yùn)行部門(mén)經(jīng)過(guò)對(duì)故障現(xiàn)場(chǎng)周圍進(jìn)行勘察，決加裝接地模塊，經(jīng)過(guò)反復(fù)勘察，在方圓200米內(nèi)選擇了4個(gè)最佳地點(diǎn)裝設(shè)接地模塊，裝設(shè)過(guò)程中砸入鋼釘，連接的圓鋼全部挖溝埋設(shè)。進(jìn)過(guò)治理，該線路近幾年未發(fā)生由于反擊造成的雷擊故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析某省電網(wǎng)近五年220 千伏線路雷擊故障的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了雷擊故障特點(diǎn)。本文針對(duì)故障特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了有效的解決對(duì)策，并列舉了典型雷擊線路治理案例，為以后的雷擊故障治理工作提供了重要參考。