高山區(qū)域110 kV輸變電工程雷擊分析及對策

郭秀國

（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州036000）

0 引言

輸變電工程是輸電線路建設和變壓器安裝工程的統(tǒng)稱。輸變電工程的電壓等級越高，輸送的電力就越大，輸送的距離就越遠。電壓超過33萬伏的輸變電工程，稱“超高壓輸變電”。我國投入運行的超高壓輸變電線路的最高電壓等級是±1 100 kV直流輸電線路和1 000 kV交流輸電線路。在環(huán)保部HJ 24—2014印發(fā)的標準中一般所指輸電工程可以分為交流輸變電工程和直流輸電工程，其中交流輸變電工程包括輸電線路和變電站（或開關站、串補站），直流輸電工程包括輸電線路、換流站和接地極系統(tǒng)。近年來，隨著我國城市化進程的快速發(fā)展以及人們生活水平質(zhì)量的不斷提升，對電能的需求量也越來越大，這就為我國電力事業(yè)發(fā)展帶來了巨大的上升空間。輸電線路是電力工程中至關重要的部分，其運行穩(wěn)定性直接影響著電能的正常輸送。而高壓輸電線路的可靠性和穩(wěn)定性是保障工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的核心，其重要性不言而喻。高壓輸電線路按其架設方式可分為架空輸電線路和電纜輸電線路兩大類。架空線路的優(yōu)點是線路暴露在大氣中，充分利用空氣絕緣，造價低，維護保養(yǎng)十分方便；其缺點是容易受到風、冰雪、氣溫、雷暴、工業(yè)污染物等的影響，嚴重時會引起斷線倒塔、雷擊跳閘、絕緣子污閃炸裂造成供電系統(tǒng)停電事故。電纜線路埋于地下，不受氣候和環(huán)境的影響，占地少，運行維護工作量小，可靠性高，但其造價很高，電纜線路一旦出現(xiàn)故障排除時間較長。所以，目前在輸電線路工程中優(yōu)先采用架空線路。對高壓供電線路安全供電產(chǎn)生影響的因素主要有當?shù)氐牡刭|(zhì)條件、全年的氣象信息以及線路所在區(qū)域雷電活動的強度、風速等。其中影響最大的要素是雷電對線路的影響，在全世界范圍內(nèi)都是一個比較復雜的難題。不過隨著科學技術的不斷發(fā)展，解決雷電對供電線路的危害成為了可能，先利用大數(shù)據(jù)信息平臺，對所在區(qū)域雷電活動進行跟蹤，統(tǒng)計雷電活動的數(shù)據(jù)，再利用概率理論確定雷擊已發(fā)桿塔和位置，有針對性地進行技術改造和升級，將線路遭受雷擊損壞的幾率降到最低，這對線路的穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。

1 線路概況

山西中煤平朔能源化工公司（以下簡稱能源化工公司）110 kV輸電線路共計23.65 km，其中新建雙回線路21.67 km，新建單回線路1.98 km。導線采用JL/G1A-300/40鋼芯鋁絞線，全線除在G66-G68段、G66-G67A-G68段、G75-G76段、G75-G77段以及在能源化工公司變電站進站擋、水頭變電站進站擋、AG0-AG6段等均架設1根JLB20A-100型良導體和1根24芯OPGW復合光纜作為通信保護外，其余線路的線均采用2根24芯OPGW復合光纜。

線路施工的地形情況：山地占65.5%，丘陵占25%，平地占9.6%，海拔在1 400～1 900 m之間。施工圖設計時間為2015年1月，水化線投運時間為2018年7月。2018年8月7日G3跳閘，2018年9月11日G14跳閘。2次跳閘給企業(yè)生產(chǎn)造成了不可恢復的損失，必須對線路設計及施工進行重新評估，采取有效措施，避免雷擊跳閘事件的再次發(fā)生。

2 線路工程絕緣配合情況

施工圖參照2011年山西省電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖，全線按照d級污穢區(qū)配置。d級污穢區(qū)導線懸垂絕緣子串、耐張絕緣子串的泄漏比距要求不小于3.2 cm/kV[1]。

水頭變—能源化工公司變電站線路G1～G71段和水頭變—采掘場變線路G71～G75段所有直線塔，都采用1片U70BP/146M大帽絕緣子加FXWB-110/70-3有機復合絕緣子，泄漏比距為3.99 cm/kV；水頭變—能源化工公司變電站線路G71～G75段和水頭變—采掘場變線路G1～G71段所有直線塔導線懸垂串和跳線串，都采用1片U70BP/146M大帽絕緣子加FXWB-110/70-2有機復合絕緣子，泄漏比距為4.29 cm/kV；線路側耐張絕緣子串采用2×8片U70BP/146-1玻璃絕緣子，泄漏比距為3.27 cm/kV；線路在規(guī)劃區(qū)側耐張絕緣子串采用2×8片U70BP/146-D瓷質(zhì)絕緣子，泄漏比距為3.27 cm/kV；進出線側耐張絕緣子串，采用9片U70BP/146D瓷質(zhì)絕緣子，泄漏比距為3.68 cm/kV[2]。

3 線路工程防雷情況

本工程雙回路段采用國網(wǎng)公司通用設計最新版1D6模塊，鐵塔采用雙地線防雷保護，全線雙回路鐵塔地線對導線的保護角不大于0°；在+15℃氣溫、無風、無冰氣象條件時，在檔距中央位置，導線、地線間的距離S滿足式（1）要求。

式中，L為擋距，m。鐵塔上兩地線間的距離不超過導、地線間垂直距離的5倍。

3.1 接地設計

本工程所有桿塔均需逐基接地。根據(jù)土壤電阻率的不同，分別采用方形環(huán)（矩形環(huán)）或方形環(huán)（矩形環(huán)）加放射線的接地裝置，接地體、接地引下線的材料均采用d12 mm圓鋼。

3.2 鐵塔間隙校核

本線路經(jīng)過地區(qū)海拔高度在1 400～1 900 m之間，帶電部分與鐵塔構件的最小空氣間隙見表1。

表1帶電部分與鐵塔構件的最小空氣間隙

4 已發(fā)生跳閘區(qū)段情況分析

自2018年7月投運以來，已發(fā)生2次雷擊跳閘事故，給企業(yè)造成了嚴重的經(jīng)濟損失。2018年8月7日G3跳 閘，2018年9月11日G14跳 閘，先跳閘均為有故障耐張塔。 《架空送電線路設計技術規(guī)程》[4]對桿塔接地電阻數(shù)據(jù)要求見表2，對系統(tǒng)過電壓數(shù)據(jù)要求見表3。

表2桿塔接地電阻數(shù)據(jù)

表3系統(tǒng)過電壓數(shù)據(jù)

根據(jù)山西省電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖2015版本，跳閘段處于c級污穢區(qū)，根據(jù)國網(wǎng)公司相關文件要求d級以下提高一級配置，本工程按照d級配置（泄漏比距應不小于50 mm/kV）。按照統(tǒng)一爬電比距計算110 kV線路，d級污區(qū)，Loi=450 mm，單聯(lián)懸垂串所需片數(shù)計算見式（2）。

由此，單聯(lián)懸垂串片數(shù)取9片U70BP/146-1玻璃絕緣子。在本工程實際施工時，鐵塔直線部分采用9片單聯(lián)懸垂串，在轉角塔和耐張塔采用2×9片U70BP/146-1玻璃絕緣子耐張串。

雷害風險分布圖是根據(jù)地閃密度、不同電壓等級危險雷電密度分布、線路歷史雷害故障經(jīng)驗、地形地質(zhì)地貌等方面因素綜合考慮，將輸電線路雷擊閃絡危險風險分為4個層級，詳情見表4、表5。其中，A級為少雷區(qū)，對應的平均年雷暴日數(shù)不超過15日；B1級和B2級為中雷區(qū)，對應的平均年雷暴日數(shù)超過15日但不超過40日；C1級和C2級為多雷區(qū)，對應的平均年雷暴日數(shù)超過40日但不超過90日；D1級和D2級為強雷區(qū)，對應的平均年雷暴日數(shù)超過90日。本工程反擊雷害分布圖顯示該工程全線位于Ⅲ級雷害區(qū)，地閃密度圖顯示該工程位于C1級。

本工程線路路徑實際經(jīng)過的雷害區(qū)以反擊雷為主，繞擊雷為輔。雷電反擊過電壓與雷電參數(shù)、桿塔形式、高度和接地電阻等有關；雷電繞擊與地質(zhì)地貌地形、線路保護角、線路絕緣水平及雷電流強度等有關。已發(fā)生跳閘桿塔均為耐張塔，采用雙回路架設，跳閘桿塔均為上坡段和下坡段，附近海拔1 700 m。由于耐張塔呼高較低，忽略塔高因素，主要考慮海拔及接地電阻，而本工程附近的最高處為G9，海拔和塔高均比已跳閘鐵塔高，故只考慮接地電阻因素造成本次跳閘的事故。

表4雷害風險分布圖等級劃分

表5地閃密度圖等級劃分原則

5 線路工程防雷對策

在輸電線路運維過程中，雷擊是一種較為常見且危害性較大的安全事故，輸電線路遭受雷擊會導致其線路短路，嚴重的還有可能引發(fā)火災。通過分析已發(fā)生跳閘區(qū)段情況，本文提出以下防護對策。

5.1 一塔雙回路鐵塔絕緣子的技術改造

選擇能源化工公司水化線一側采用2×9片U70BP/146-1玻璃絕緣子，另一側采用2×11片U70BP/146-1玻璃絕緣子，對無法滿足使用的跳線進行更換；110 kV一塔雙回供電線路采用不平衡高絕緣措施來降低供電線路兩回同時失電的概率。

5.2 安裝并聯(lián)間隙

在能源化工公司水頭線一塔雙回線路上重新設計并聯(lián)間隙［4－5］，選擇絕緣水平較低的水頭220 kV變電站到能源化工公司供電一回進行安裝。并聯(lián)間隙的安裝位置選擇C2級及以上雷區(qū)等級的一般線路桿塔進行安裝。

5.3 加裝線路避雷器

加裝線路避雷器的原則如下：對于雷害風險評估結果中風險等級最高或雷區(qū)等級最高的桿塔，安裝線路避雷器；雷區(qū)等級處于C1級以上的虎頭山山區(qū)線路、桿塔接地電阻在20～100Ω之間且改善接地電阻困難也不經(jīng)濟的桿塔雷區(qū)，等級處于C2級以上的山區(qū)一般線路，安裝線路避雷器；重要線路雷區(qū)等級處于C1級以上且坡度為25°以上的桿塔、一般線路雷區(qū)等級處于C2級以上且坡度為30°以上的桿塔，其外邊坡側邊相安裝線路避雷器。29號桿塔線路處于C2級以上雷區(qū)等級，線路檔距在600 m以上，所以在耐張塔的27和31號桿加裝線路避雷器。加裝避雷器的桿號見表6。

表6需要加裝避雷器的桿塔號

5.4 降低接地電阻

本工程桿塔逐基接地，接地裝置形式為深、淺混合式。為提高線路的耐雷水平，全線路桿塔的接地電阻在雷季干燥季節(jié)時需滿足《架空送電線路設計技術規(guī)程》的要求。接地體采用超導拒腐接地帶，埋深不小于0.8 m，接地裝置和桿塔用螺栓連接。桿塔接地電阻的測定按《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》 （GB 50065—2011）中有關規(guī)定及反措要求進行，每基桿塔不連地線的工頻接地電阻在雷季干燥時不超過的數(shù)值見表7。具體要求如下。

表7不同土壤電阻率下的線路接地電阻

a）兩端變電站終端塔接地的電阻要求一般不大于5Ω。

b）接地裝置與桿塔主材用螺栓連接，引下線部分應熱鍍鋅。

c）所有鐵塔均逐基四腿接地。根據(jù)地形及土壤電阻率的不同，分別采用大方形環(huán)（矩形環(huán)）加放射線或4個小方環(huán)加放射線的接地裝置。

d）在巖石高土壤電阻率地區(qū)的部分塔位采用延長接地射線綜合降阻措施。對雷害風險評估結果中反擊閃絡風險較高的桿塔或雷區(qū)等級處于C1級以上的線路桿塔，雷區(qū)等級處于C2級以上的一般線路桿塔進行接地電阻改造。改造后的標準：斷開地線的工頻接地電阻，在氣溫干燥時不應該超過表6的數(shù)值。根據(jù)規(guī)范DL/T 5092—1999《110～500 kV架空送電線路設計技術規(guī)程》中對不同土壤電阻率下的線路接地電阻的要求，需要重新做接地的桿號見表8。

表8需要重新做接地的桿號

表7中如果土壤電阻率超過2 000Ω·m，接地電阻很難降低到30Ω時，可采用6～8根長度不超過500 m的放射形接地體或采用連續(xù)伸長接地體，其接地電阻不受限制。

6 結論

山西中煤平朔能源化工公司110 kV輸電線路在穿越高山地區(qū)時極易遭受雷擊風險使供電線路掉閘，通過技術分析，采取雙回路鐵塔差絕緣改造，現(xiàn)場安裝并聯(lián)間隙，并加裝線路避雷器60余組。通過對接地系統(tǒng)的改造，有效地降低了輸入線路桿塔接地電阻，接地電阻滿足規(guī)范DL/T 5092—1999《110～500 kV架空送電線路設計技術規(guī)程》要求。2019年4月實施改造完成至今，經(jīng)歷了6月—9月強雷雨季節(jié)，線路運行穩(wěn)定，有力保障了化工裝置的長周期安全穩(wěn)定運行，這對預防其他輸電線路防雷擊掉閘的情況有一定的借鑒意義。