1000kV特高壓交流輸電線路雷擊危害及防雷接地對(duì)策

吳楠

（旻投電力發(fā)展有限公司 江蘇省南京市 211100）

目前，特高壓輸電建設(shè)在我國(guó)逐漸開展起來(lái)，為了確保該項(xiàng)目的順利進(jìn)行需要系統(tǒng)的研究與特高壓輸電建設(shè)有關(guān)的問題。通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析可以看出，在眾多影響特高壓輸電系統(tǒng)的因素中，最重要的一個(gè)因素是雷擊。原因在于特高壓輸電技術(shù)的電壓等級(jí)水平比較高，因此需要較高的輸電塔，輸電線路也相對(duì)較長(zhǎng)，這樣就很容易遭受雷擊的侵襲。本文主要結(jié)合案例工程實(shí)際應(yīng)用情況分析了1000kV 單回輸電線路繞擊跳閘率；最后，對(duì)特高壓輸電線路的抗雷擊性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了一些可靠地解決問題的策略，旨在使特高壓輸電系統(tǒng)更加完善。

1 交流特高壓防雷保護(hù)技術(shù)及雷電活動(dòng)等級(jí)

1.1 反擊

桿塔在經(jīng)過雷擊之后會(huì)在懸掛絕緣子串的桿塔橫擔(dān)處形成一定的電壓，我們將其稱之為桿塔感應(yīng)電壓，桿塔感應(yīng)電壓與線路桿塔高度之間存在正相關(guān)的關(guān)系，也就是說(shuō)線路桿塔的高度越大，相應(yīng)的桿塔感應(yīng)電壓也越大，除此之外，線路桿塔的高度也會(huì)影響導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高度，兩者之間依然是正相關(guān)的關(guān)系，特高壓輸電線路對(duì)所選電線的要求較高，需要選取避雷線，因此不需要另行采取措施進(jìn)行反擊雷電流處理。有關(guān)研究表明雖然自立塔線路在雷電反擊跳閘率方面的優(yōu)勢(shì)比較突出但依然不是最高的。特高壓輸電線路對(duì)雷電反擊的承受能力在很大程度上取決于桿塔接地。土壤電阻率的大小對(duì)特高壓桿塔的自然電阻產(chǎn)生一定的影響，比如當(dāng)土壤電阻率的值是400.m 時(shí)，這時(shí)特高壓桿塔的自然電阻小于15 時(shí)，如果土壤電阻率的值已經(jīng)超過2000.m，這時(shí)就需要借助人工接地的方式來(lái)使桿塔接地電阻值減小。具體的操作標(biāo)準(zhǔn)要以《交流電氣裝置的接地》推薦值為準(zhǔn)。

1.2 繞擊

特高壓輸電線路的特點(diǎn)在于桿塔高、導(dǎo)線所承受的電壓水平較高、避雷線的屏蔽功能相對(duì)較低。特高壓輸電線路的這些特點(diǎn)都是經(jīng)過大量的實(shí)踐得出來(lái)的。

我國(guó)與前蘇聯(lián)相比，雷擊跳閘率相對(duì)較低，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)生跳閘現(xiàn)象的主要原因在于雷電繞擊導(dǎo)線，而且該現(xiàn)象往往出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角塔的位置，因此應(yīng)該將避雷線保護(hù)角的數(shù)量減少，這樣可以促進(jìn)特高壓輸電線防雷水平的提高。實(shí)踐表明，特高壓導(dǎo)線電壓對(duì)雷電規(guī)避的影響是非常重要的，分析結(jié)果顯示，大部分的雷電壓均為負(fù)，盡管在發(fā)生雷擊的時(shí)候?qū)Ь€工作出現(xiàn)正負(fù)的概率是相同的，但實(shí)際上出現(xiàn)負(fù)的情況要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于出現(xiàn)正的情況，因此在研究雷擊對(duì)特高壓輸電線路的影響時(shí)考慮電壓的正負(fù)性是必不可少的。

表1：2008 ～2017年山西長(zhǎng)治電網(wǎng)220kV 及以上線路綜合雷擊跳閘率

表2：1000kV 長(zhǎng)治——南陽(yáng)——荊門輸電線路雷擊跳閘率

表3：南陽(yáng)——荊門1000kV 特高壓交流線路綜合雷擊跳閘率/(l00km.a)

從最近幾年的線路運(yùn)行實(shí)踐結(jié)果來(lái)分析的話，通常情況下線路耐張水平都高于線路跳閘時(shí)的雷電流水平。所以可以得出線路跳閘通常都是由于雷電繞擊導(dǎo)致的，因此在設(shè)置特高壓輸電線路的時(shí)候應(yīng)該著重考慮繞擊因素的影響。

1.3 雷擊檔中跳閘

線路跳閘的另一種可能因素就是雷擊檔中跳閘，雷擊檔中跳閘指的是當(dāng)發(fā)生雷擊現(xiàn)象的時(shí)候線路中會(huì)出現(xiàn)過電壓，這時(shí)過電壓就會(huì)以擊中點(diǎn)為中心逐漸向兩側(cè)移動(dòng)，然后在桿塔接地作用的影響下把負(fù)反射波返回到發(fā)生雷擊的部位。我國(guó)規(guī)定，如果線路故障電壓值達(dá)到220~500kV 這時(shí)就需要依照國(guó)家規(guī)章制度的要求對(duì)線路進(jìn)行巡查，并且以報(bào)告的形式記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.4 輸電線路雷電活動(dòng)等級(jí)劃分

雷電活動(dòng)頻度與地閃密度之間的關(guān)系十分密切，雷電活動(dòng)頻度的劃分是以地閃密度值為依據(jù)的，根據(jù)地閃密度值(Ng)的不同把雷電活動(dòng)主要?jiǎng)澐殖? 個(gè)等級(jí)，7 個(gè)層級(jí)。4 個(gè)等級(jí)主要包括A 級(jí)、B 級(jí)、C 級(jí)、和D 級(jí)，A 級(jí)代表的是雷電發(fā)生頻率最低。

2 特高壓輸電線路沿線雷電活動(dòng)情況

表1 所表示的是山西長(zhǎng)治電網(wǎng)雷電活動(dòng)情況，從所顯示的信息中可以看出從2008年到2017年10年期間里長(zhǎng)治電網(wǎng)雷電的地閃次數(shù)是84，密度值是2.1 次/（平方公里?年），從該結(jié)果中可以判斷長(zhǎng)治地區(qū)的雷電等級(jí)屬于中雷區(qū)。

（1）從整體情況來(lái)看山西省電網(wǎng)雷電活動(dòng)變化較大，其中長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣地區(qū)的雷電頻率最高，黎城縣地區(qū)的落雷密度最大。從2008年到2017年，該地區(qū)的雷擊跳閘率在0.18~0.38 次/百公里?年范圍內(nèi)波動(dòng)，具體變化情況可以參照表1 所顯示的數(shù)據(jù)。山西省長(zhǎng)治市采取了很多措施進(jìn)行電網(wǎng)防雷：主要包括雷電定位系統(tǒng)、架設(shè)耦合地線、加裝桿塔拉線以及加強(qiáng)線路絕緣等。

（2）河南省雷電線路主要經(jīng)過十二個(gè)市縣，河難電網(wǎng)地閃密度等級(jí)是B2 級(jí)、C1 級(jí)。

（3）湖北省輸電線路段經(jīng)過9 個(gè)區(qū)縣市，其中荊門市線路工程的地閃密度等級(jí)為B2 級(jí)。

由于特高壓輸電線路所經(jīng)過的區(qū)域比較多，因此在收集雷電數(shù)據(jù)信息的時(shí)候通常結(jié)合線路的跳閘次數(shù)、雷電觀測(cè)記錄等信息進(jìn)行，重點(diǎn)在于檢驗(yàn)各地區(qū)的雷電地閃密度分布是否符合雷電活動(dòng)情況。從以上各地的雷電分布情況來(lái)看，大體而言各個(gè)地區(qū)的地閃密度分布和雷電活動(dòng)分布是一致的。

2.1 特高壓長(zhǎng)治-南陽(yáng)線路的雷電性能

對(duì)特高壓輸電線路雷電日與落雷密度的分析需要通過劃分網(wǎng)格的形式進(jìn)行，網(wǎng)格劃分要按照徑向0.1°，線路走廊半寬度0.05°的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，這樣就可以把整個(gè)特高壓線路走廊分成若干個(gè)大小是0.1°xo.r 的網(wǎng)格。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示1000kV 長(zhǎng)治-南陽(yáng)輸電線路的雷電日通常維持在40 天到60 天，雷電日的平均值是50 雷日。但是地閃密度的變化情況則與雷電日的變化情況相反，地閃密度變化較明顯，一般來(lái)說(shuō)維持在3.73~12.41 次/(km2*a)范圍，地閃密度的平均值是7.48 次/(km2*a)。雷電日和地閃密度之間的關(guān)系可以表示成Ng=0.023Tdl.3。

該線路周圍不同的雷電日，并依據(jù)相應(yīng)計(jì)算公式對(duì)地閃密度進(jìn)行計(jì)算，然后計(jì)算出雷電繞擊跳閘率；除此之外，還對(duì)折合為40雷暴日時(shí)線路的繞擊跳閘率進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

由于計(jì)算方式不同因此所得出的雷電繞擊跳閘率也存在一定的差異。從雷電定位系統(tǒng)的角度對(duì)地閃密度進(jìn)行計(jì)算可以借助iVg=0.023r/3 公式完成，見表2。通過計(jì)算可以得出長(zhǎng)治-南陽(yáng)的加權(quán)單回繞擊跳閘是0.071；南陽(yáng)-荊門的加權(quán)單回繞擊跳閘是0.098~0.103；長(zhǎng)治-南陽(yáng)-荊門線路的加權(quán)單回繞擊跳閘是0.077~0.078。如果從雷電定位系統(tǒng)的角度對(duì)線路沿線地區(qū)的地閃密度進(jìn)行計(jì)算可以得出長(zhǎng)治-南陽(yáng)的加權(quán)單回繞擊跳閘是0.125~0.126;南陽(yáng)-荊門的加權(quán)單回繞擊跳閘是0.231~0.243；長(zhǎng)治-南陽(yáng)-荊門的加權(quán)單回繞擊跳閘是0.17~0.177 次/(l00km 統(tǒng)計(jì)Ng)。

2.2 特高壓南陽(yáng)——荊門線路的雷電性能

通過表3 所顯示的數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)該地區(qū)的平均雷暴日值是70d、塔的高度值是60 米、雙回路保護(hù)角是負(fù)5 度，單回路保護(hù)角是負(fù)4 度的情況下，綜合特高壓輸電線路的雷擊跳閘率是0.443 次/(100km?a；當(dāng)雙回路保護(hù)角是負(fù)6 度、單回路保護(hù)角是負(fù)6 度的情況下，綜合特高壓輸電線路的雷擊跳閘率是0.240 次/(100km*a)。

當(dāng)該地區(qū)的平均雷暴日值是90、塔的平均高度值是60 米、雙回路保護(hù)角是負(fù)5 度，單回路保護(hù)角是負(fù)4 度的情況下，全線綜合特高壓輸電線路的雷擊跳閘率是0.334 次/(100km*a)；當(dāng)雙回路保護(hù)角是負(fù)7 度、單回路保護(hù)角是負(fù)6 度的情況下，全線綜合特高壓輸電線路的雷擊跳閘率是0.264 次/(100km*a)。

由于特高壓輸電線路工程具有十分重要的意義，因此在1000kV 特高壓交流線路工程的保護(hù)角取值時(shí)需要充分考慮多種因素的影響。不同地區(qū)選取不同的地線保護(hù)角，平地的地線保護(hù)角可以設(shè)置為-4°丘陵和山地的地線保護(hù)角設(shè)置成-6°。

3 輸電架空線路及防雷接地對(duì)策

接地系統(tǒng)在整個(gè)電網(wǎng)中所扮演的角色是十分重要的，對(duì)人身安全和設(shè)備安全都具有直接作用，是輸電線路中必不可缺的一個(gè)重要組成部分。

3.1 輸電線路接地要求

1000kV 特高壓交流輸電下路桿塔不連地線的最大工頻接地電阻，這些數(shù)據(jù)都應(yīng)符合《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50665-2011)要求的。

3.2 本工程防雷接地型式

由于特高壓鐵塔占地面積比較廣，因此在設(shè)立接地裝置的時(shí)候會(huì)消耗更多的接地材料、成本較高、工程較復(fù)雜、對(duì)植被的破壞性比較嚴(yán)重，基于這種情況提出了相應(yīng)的內(nèi)置接地裝置方案，主要有四種，具體參照?qǐng)D1~圖2。分別指出了不同類型鐵塔的內(nèi)置接地裝置方案，圖1 適合用于常規(guī)鐵塔；圖2 適合用于較大的鐵塔;通過選取以上接地方式可以在很大程度上降低工程成本，簡(jiǎn)化施工過程。

圖1：內(nèi)置式矩形接地裝置(鋼管塔）

圖2：內(nèi)置式方形接地裝置(鋼管塔）

當(dāng)接地線設(shè)立在山坡上時(shí)，這時(shí)要充分考慮雨水沖刷的影響，可以沿等高線挖填埋渠，在填埋的時(shí)候要注意選取干凈的土壤。由于接地系統(tǒng)會(huì)對(duì)人身以及設(shè)備安全產(chǎn)生直接的影響，因此需要格外注重對(duì)接地系統(tǒng)的維護(hù)工作。在設(shè)置接地系統(tǒng)的時(shí)候也要充分考慮系統(tǒng)的安全性。此外，地形因素對(duì)接地系統(tǒng)裝置的選擇具有一定的影響，因此應(yīng)該根據(jù)不同的地形選取不同的接地裝置形式。山區(qū)在施工的過程中存在一定的問題，必須結(jié)合具體的操作環(huán)境對(duì)施工進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，但是前提條件是不改變接地體總長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

通過對(duì)工程輸電線路計(jì)算發(fā)現(xiàn):當(dāng)長(zhǎng)治—南陽(yáng)—荊門輸電線路的雙回路保護(hù)角是負(fù)3°與負(fù)5°的時(shí)候，該線路的雷擊跳閘率與推薦值相符合。特高壓輸電線路具有電力輸送距離遠(yuǎn)、電力輸送功率比較大的特點(diǎn)，一旦線路發(fā)生跳閘現(xiàn)象會(huì)造成很大的負(fù)荷損失，同時(shí)特高壓輸電線路受天氣狀況、地形條件等因素影響，所以在各種因素的影響下特高壓輸電線路很容易發(fā)生跳閘現(xiàn)象，而跳閘現(xiàn)象往往都是由雷擊引起的，所以做好防雷措施是必不可少的。所以我國(guó)的特高壓輸電線路的建設(shè)必須充分考慮各種外在因素的影響，所以在后續(xù)的研究中需要科研工作者更加關(guān)注并拓展解決該問題的研究思路。