110 kV線路雷擊故障分析及防雷探索

張 勛，劉幸殊

（1.五凌電力有限公司東坪水電廠，湖南 益陽 413500；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

東坪水電廠是以發(fā)電為主的中型水電工程，位于湖南省安化縣東坪鎮(zhèn)資江干流，所轄110 kV線路地處山區(qū)，轄區(qū)內高山林立、重巒疊嶂，山地、丘陵、崗地犬牙交錯，氣候溫暖濕潤、雨水充沛，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，平均年雷暴日在80 d左右，雷暴活動劇烈，雷電強度大，屬于強雷電活動地區(qū)；電廠有兩回出線，一回資東線通過東坪變與系統(tǒng)并網，另資株線通過下游株溪口水電廠（17.9 km）并網。近幾年的運行數據表明，因雷擊110 kV出線造成全廠設備停運的事故屢有發(fā)生，嚴重影響水電廠的安全生產運行。經過對2014～2016年線路運行數據的統(tǒng)計（見表1），其中2015年雷擊導致全廠停電事故多次發(fā)生，甚至在1 d內多次發(fā)生，對電廠安全生產造成極大危害，嚴重影響了電網的安全穩(wěn)定運行。

表1 2014-2016年資株線雷擊跳閘事故統(tǒng)計

通過對線路雷擊故障分析及避雷研究，結合東坪水電廠110 kV資株線情況，基于該地區(qū)雷電活動監(jiān)測數據，對該地區(qū)雷電活動特征進行統(tǒng)計分析，同時依據該地區(qū)歷年雷擊頻次分布，總結110 kV資株線所在區(qū)域雷害分布規(guī)律，構建資株線在實際雷電活動特征下的線路雷擊過電壓仿真分析和防雷性能計算，實現線路整體防雷性能的準確評估。考慮國內外傳統(tǒng)的“堵塞型”輸電線路防雷保護措施和防雷手段的現狀，分析輸電線路防雷措施的相互關系，結合經濟性、可行性和技術性分析，提出110 kV線路防雷措施的優(yōu)化配置方法，將新型防雷裝置對線路防雷手段加以改進，從而有效抑制110 kV資株線雷擊故障的發(fā)生，提高線防雷水平，有效防范110 kV資株線因雷擊造成的風險，為有發(fā)電企業(yè)在線路防雷技術改造方面提供指導與參考。

2 研究內容

2.1 資株線線路情況

2.1.1 資株線全線桿塔數據測量情況

對110 kV資株全線桿塔進行了地型地貌、桿塔高程、桿塔接地電阻等數據測量并收集，以及對資株線路徑進行了查勘，統(tǒng)計情況如圖1、表2所示。依據DL/T 475-2017《接地裝置特性參數測量導則》規(guī)范進行測量。分析地形發(fā)現：110 kV資株線全線走向是從高山、山地、丘陵、崗地交錯地形經過，整體地形平均海拔從西往東為下降趨勢。

表2 資株線桿塔數據統(tǒng)計表

圖1 110 kV資株線走向示意圖

根據測量數據顯示，有B2～B5、B7、B9～B12、B14～B16、B32、B35、B38桿塔的接地電阻已大于10 Ω，不符合防雷要求。

續(xù)表2

2.1.2 資株線避雷器運行情況

通過對電廠資株線避雷器絕緣以及動作測試，A、B、C三相底座絕緣分別為17 200 MΩ、16 900 MΩ、15 300 MΩ，絕緣合格。三相避雷器都分別進行了動作測試3～5次，放電計數器均能正常動作。A、B、C三相避雷器接地端接地電阻測得數值分別為2.45 Ω、2.89 Ω、3.12 Ω。因此線路開關避雷器處于正常運行狀態(tài)。

2.1.3 避雷引下線

桿塔避雷線經龍門架接地勘查時發(fā)現龍門架避雷線引下線扁鋼偏小，為截面90 mm2鍍鋅扁鋼，且扁鋼與避雷線焊接點存在銹蝕現象，經測量避雷線與接地網之間電阻達到5.1 Ω（如圖2所示）。

圖2 避雷線與接地網之間測量電阻

2.2 線路跳閘原因分析

2.2.1 輸電線路常見雷擊方式

（1）雷擊于線路導線上，產生直擊雷過電壓；

（2）雷擊塔頂或避雷線后，反擊于輸電線上；

（3）雷擊于線路附近或桿塔上，在輸電線上產生感應過電壓。

圖3 雷擊方式

2.2.2 輸電線路常見避雷措施

（1）架設避雷線

設避雷線是輸電線路防雷保護的最基本和最有效的措施。避雷線的主要作用是防止雷直擊導線、分流作用、減小線路絕緣子的電壓、對導線的屏蔽作用。因此，110 kV及以上電壓等級的輸電線路都應全線架設避雷線。

（2）降低桿塔接地電阻

降低桿塔的接地電阻可以減小雷擊桿塔時的電位升高，此方式是配合架設避雷線所采取的一項有效措施，兩者的防雷作用起到正反饋效應。采取增大地網型號或增加地網輻射線的方式對接地網進行降阻，還可采用接地降阻材料以滿足線路運行要求。

（3）架設耦合地線

在難以實現降低桿塔接地電阻特殊情況下，可采用架設耦合地線的措施，即在導線下方再架設一條地線。其作用主要是加強避雷線與導線間的耦合，使線路絕緣上的過電壓降低，其次能增加對雷電流的分流。

（4）采用中性點非有效接地方式

在變電站/電站中通常采用中性點經消弧線圈接地的方式，這樣可使由雷擊引起的大多數單相接地故障能夠自動消除，從而避免引起相間短路和跳閘。中性點非有效接地系統(tǒng)因發(fā)生單相接地時接地電流較小，也稱為小電流接地系統(tǒng)，在我國有著長期的運行經驗，但仍然存在眾多問題。其主要難關是難以克服接地電流超標的問題，當接地電流超標且未經消弧線圈補償，易造成過電壓，損壞設備。

2.2.3 線路跳閘原因

線路桿塔大多建于山上，引起跳閘的原因主要是過電壓，而過電壓的產生是由于雷云所攜帶的大量電荷通過閃電通道進入地網，地網所存儲的電荷量過小，無法中和大量的異性電荷，從而造成大量雷電荷的堆積，這樣就產生了過電壓。

消除過電壓就要構建一個能夠存儲與雷云電荷量相同數量級電荷的接地網。而且這部分地網必須分布在15 m的范圍內，否則無效果。

常規(guī)情況下，假定桿塔接地電阻在常規(guī)技術下能達到10 Ω，則桿塔受雷擊瞬間產生的沖擊接地電阻的漂移為R=1.220×10 Ω·m，即384 Ω·m。采用電流為500 A做個計算U=IR=500×384=19 200 V，這是一個很高的電壓。如果采用1 000 A計算就是384 000 V，現場的接地電阻按照標準要求如果在1 000～2 000 Ω·m的話應該是25 Ω，那么此時的沖擊接地電阻會變成38.4×25=960 Ω，過電壓會變?yōu)?80 000～960 000 V，如果此時設備絕緣在濕閃的情況下出現污穢就會大大降低絕緣程度，發(fā)生污穢放電產生跳閘。

通過線路桿塔統(tǒng)計數據分析，依據DL/T 620-2016《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規(guī)定，110 kV線路桿塔接地電阻不應大于10 Ω，有B2～B5、B7、B9～B12、B14～B16、B32、B35、B38桿塔的接地電阻已不符合規(guī)程要求以及現場實際防雷需求。

從地形、地貌分析，110 kV資株線全線走向是高山、山地、丘陵、崗地交錯地形經過，整體地形地勢由西往東為下降趨勢。經過研究發(fā)現，以B16桿塔為界，西側線路（近東坪水電廠）桿塔接地電阻平均值高于東側線路（近株溪口水電廠側）桿塔接地平均電阻。因此當線路發(fā)生雷擊時，導線上產生大量電荷，雷電波以近光速向導線兩邊傳播，而整體線路近東坪水電廠一側避雷線接地電阻偏高，且東坪水電廠端避雷線經龍門架引下扁鋼偏小，瞬間電流得不到有效釋放，增加了雷擊時線路反擊導致東坪水電廠跳閘幾率。

2.3 線路防雷改造

2.3.1 桿塔接地電阻強化技術路線

雷擊塔頂時反擊耐雷水平的計算公式為：

式中：k—計及電暈影響的耦合系數；

β—桿塔對雷電流的分流系數，對于一般長度檔距線路雙避雷線桿塔分流系數取0.88；

Rch—桿塔接地電阻；

Lgt—桿塔電感，鐵塔桿塔電感為0.50 μH/m；

hd—導線平均高度；

U50%—塔頭絕緣〔絕緣子串或塔頭間隙〕50%沖擊放電電壓。

從公式可知，雷擊桿塔時的耐雷水平與分流系數、桿塔等值電感Lgt、桿塔接地電阻Rch、導地線間的耦合系數k和絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%有關。對一般高度的桿塔，增大導電線間的耦合系數k可以減少絕緣子串上的電壓，可以提高耐雷水平；同樣增加絕緣子片數以增大線路U50%沖擊閃絡電壓，同樣也可以提高耐雷水平。接地電阻上的壓降對絕緣子串兩端電壓影響最大，降低桿塔接地電阻Rch能最有效地提高線路的耐雷水平。

根據調研結果并結合理論分析，經過科學研究，綜合考慮，確定以下改造方案。

（1）利用桿塔接地網的散流特性，選用先進、強效降阻產品對資株線桿塔接地電阻大于或接近10 Ω的以及高程較高的B1、B2、B3、B4、B5、B7、B9、B10、B11、B12、B14、B15、B16、B20、B24、B25、B26、B32、B35、B38，共計20個進行接地網強化，使接地電阻達到10 Ω以下的合格范圍，實現強電流通過桿塔接地網逐級快速對地釋放，構建與雷電沖擊電荷容量相符的桿塔沖擊地網，完善桿塔接地耐沖擊性能，確保桿塔的接地網容量達到雷電沖擊水平，保證資株線防雷效果。

（2）對龍門架避雷線引下線扁鋼進行改造更換，降低避雷線接地電阻。

（3）在東坪水電廠端安裝PLR-1000G型強電離等離子抗雷裝置1臺，保護廠房區(qū)域不遭受雷擊。

2.3.2 桿塔接地網改造實施

構建與雷電沖擊電荷容量相符的桿塔沖擊地網，可以完善桿塔接地耐沖擊性能，確保桿塔的接地網容量達到雷電沖擊水平。

通過現場勘查發(fā)現高程在200 m以上的桿塔基礎土層巖石含量比較高，如B4、B9、B12等，其中B10、B11基礎含砂量高，表層土層松軟，土層導電率低。這種情況給接地電阻的降低帶來了很大的困難，所以必須選用高科技、性能優(yōu)異的接地材料進行桿塔的接地網改造。

（1）接地材料選用

東坪水電廠桿塔接地網改造選用的材料是柔性接地體HD-R10，該材料是一種新型接地降阻材料，符合GB/T 21698-2008《符合接地體技術條件》標準，專門用于山區(qū)巖石地貌接地網的接地降阻和防腐蝕。

柔性接地體HD-R10的一個顯著特點就是能夠以不規(guī)則形狀成型，并與介質之間形成的有效接觸面積，從而獲得以往任何接地極和接地模塊都無法達到的降阻效果。

柔性接地體同時能夠最大限度降低介質的電阻率，降阻系數能達到0.16，即100 Ω可降至10 Ω左右，這種效率是目前任何產品都達不到的。

由于其添加的防腐蝕配方能夠有效地延緩鍍鋅金屬體腐蝕年限。符合環(huán)保要求，產品是一次性成型反應不可逆，最終狀態(tài)不溶于水，不含有害重金屬，對環(huán)境無影響。

產品在沖擊雷電流和工頻短路電流的作用下，響應曲線好，自身變化率小，理論設計壽命30年。

自身含水量保持長期穩(wěn)定，受周圍環(huán)境影響小，接地電阻能夠長期保持穩(wěn)定狀態(tài)。柔性接地體在消除反擊過電壓上作用顯著，效果明顯。

表3 柔性接地體技術參數

說明：以上數據均是測試數據的加權平均值。

型號：HD-R10

商品名稱：柔性接地體

商品凈重：15 kg

電阻率/Ω：1.38

沖擊測試（平均變化率）：0.0.36%

工頻測試（變化率）：2.60%

腐蝕性試驗鍍鋅扁鋼：0.002 2

降阻效果系數：0.16

緩釋系數：0.833

適用范圍：不受環(huán)境、地域限制，適用于所有地域

（2）桿塔接改造施工方法

水平接地體采用鍍鋅扁鋼與柔性接地體結合方式，埋設深度不小于0.4 m，水平接地體不與其他高壓電纜及光纜同溝敷設，與高壓電纜及光纜間距不小于3 m。當水平接地體與其他電纜及光纜交叉時，如扁鋼從電纜及光纜下部穿過，其間距不小于0.5 m。接地線之間采用焊接方式連接，焊接應牢固，無虛焊；焊縫應平整而無間斷，焊縫處的焊渣應清除干凈，接地網中所有焊接點必須進行防銹、防腐處理。 接地帶敷設HD-R10型柔性接地體包裹扁鋼，在敷設柔性接地體前首先在溝槽底部鋪設100 mm厚素土，然后澆水沉降，敷設柔性接地體完成后，再回填300 mm厚素土，然后澆水沉降，最后回填細土。接地裝置的焊接應采用搭接焊接，除埋設在混凝土中的焊接接頭外，應采取防腐措施。扁鋼與扁鋼搭接長度不小于扁鋼寬度的2倍，4面焊接。

（3）柔性接地體的施工步驟

將配置好的溶液放置在接地溝槽的邊緣，不斷攪拌并觀察溶液的變化狀態(tài)。溶液由清澈到渾濁，再至清澈。當開始變得粘稠時，延溝槽方向均勻倒入溝槽，每桶可倒2～3 m長，但寬度不小于0.15 m。倒入溝槽的溶液須靜待其凝固，不得用任何器具攪拌。

大約1 min后柔性接地體形成帶有彈性的接地導體，此時將不再溶解于水，可以回填土并澆水沉降，柔性接地體的施工由此結束。

圖4 柔性接地體水平敷設圖

圖5 柔性接地體垂直敷設圖

圖6 水平環(huán)形地網敷設圖

圖7 柔性接地體澆筑成型圖

2.3.3 龍門架避雷線引下線改造

由于龍門架避雷線與引下扁鋼之間電阻實際測量值達到5.1 Ω，且引下扁鋼截面積偏小，所以必須進行改造更換，將龍門架避雷線引下扁鋼由原截面90 mm2鍍鋅扁鋼更換為160 mm2截面的鍍鋅扁鋼，降低避雷線接地電阻。改造后，避雷線與接地網之間電阻測量結果為1.5 Ω。

2.3.4 強電離等離子抗雷器的安裝

PLR等離子抗雷裝置不同于多年來沿用的以避雷針為代表的“引雷入地”防雷方式，采取國際領先的雷電防護理論，運用電荷中和的原理，通過復合強電離放電產生消散電流，對雷云異極性電荷形成強有效中和，及時破壞雷電先導，消除被保護范圍內的雷擊現象，是一種新型防雷裝置。

利用雷云電場激勵多重放電器在低場強和高場強下均能強電離放電,無源產生的等離子體總量為有源發(fā)生等離子體的500倍，而消散電荷高達30 mC/s、保護角大于85°。PLR結構簡捷而結實可靠，比具有電力電子器件的有源等離子發(fā)生器具有更好的耐候性和更長的使用壽命。其輕巧的結構更適用于機動或難攀特高目標,還適于經濟和靈活地構成陣列布局，滿足全方位抗雷和取代干擾抗雷運行的傳統(tǒng)避雷針的需要。并且PLR發(fā)散的等離子體中的正離子上升有利于大氣污染凈化、負離子下降有利于生物健康。適合安裝在保護范圍內的制高點。

圖8 PLR作用機理演示圖

根據現場實際，在東坪水電廠龍門架頂端安裝PLR-1000G型抗雷裝置1套，保護廠房區(qū)域不遭受雷擊。

圖9 PLR強電離等離子抗雷器現場安裝圖

3 研究成果

110 kV資株線桿塔接地網強化改造完成后對桿塔接地電阻進行了復測，測量結果如表4。對比前期調研數據，桿塔接地電阻降低27.53%～79.02%，平均降幅達到41.89%，全部達到10 Ω以下的規(guī)范要求。

表4 改造后桿塔接地電阻對比

3.1 線路桿塔耐雷水平計算

根據雷擊塔頂時反擊耐雷水平的計算公式，雷擊桿塔時絕緣子串承受最大雷電沖擊電壓所對應的雷電流：

式中k—計及電暈影響的耦合系數；

β—桿塔對雷電流的分流系數；

Rch—桿塔接地電阻；

Lgt—桿塔電感；

hd—導線平均高度；

U50%—塔頭絕緣〔絕緣子串或塔頭間隙〕50%沖擊放電電壓。

（1）電暈影響的耦合系數k取值

表6 電暈校正系數k1

根據實地勘測資株線為雙地線、無耦合線型式，電暈影響的耦合系數k=k1k0為1.2×0.438≈0.53

（2）桿塔對雷電流的分流系數β取值

表7 桿塔分流系數β

對于一般長度檔距線路雙避雷線桿塔分流系數取值0.88，所以β=0.88。

（3）桿塔電感Lgt取值

表8 典型桿塔的波阻抗和電感

根據數據，鐵塔桿塔電感為0.50 μH/m，水泥雙桿為0.42 μH/m，Lgt數值取0.5 μH/m。

（4）導線平均高度hd取值

根據查閱設計圖紙得出，資株線鐵塔典型導線高度為12 m，地線高度為18.5 m。

（5）絕緣子串50%沖擊放電電壓U50%取值

查閱資株線桿塔設計圖紙以及現場實際查勘得知，資株線典型桿塔絕緣子片數為6片，單片50%沖擊放電電壓120 kV，考慮折舊等因素，6片折合電壓取值700 kV。

（6）桿塔接地電阻Rch取值

根據表4，桿塔接地強化改造前平均接地電阻為14.14 Ω，改造后平均接地電阻為7.51 Ω，平均降幅達到41.89%。

取接地電阻降幅較大的B11（改造前后電阻分別為：22.9 Ω、8.46 Ω）桿塔改造前后電阻，以及接近改造前后電阻值接近平均接地電阻的B7（改造前后電阻分別為：15.1 Ω、7.3 Ω）桿塔進行計算比較。

（7）桿塔耐雷水平計算

B11桿改造前耐雷水平

B11桿改造后耐雷水平

B7桿改造前耐雷水平

B7桿改造后耐雷水平

（8）雷電流沖擊時反擊計算

根據上述計算，結合實際情況，改造后資株線全線桿塔平均接地電阻7.3 Ω，當發(fā)生100 kA雷電流沖擊時，絕緣子反擊計算如下：

而絕緣子串U50%耐壓等級為700 kV，所以當100 kV雷電流沖擊時線路不會發(fā)生反擊。

4 結論

（1）經過對110 kV資株線防雷改造研究，桿塔接地網強化改造完成后，桿塔接地電阻降低27.53%～79.02%，平均降幅達到41.89%，全部達到10 Ω以下的規(guī)范要求。

（2）基于雷擊塔頂時反擊耐雷水平的計算，當桿塔接地電阻降低時，取桿塔接地降低平均值計算，桿塔的反擊耐雷水平相應平均提升約52.72 kA。當100 kA雷電流直擊桿塔或避雷線時，絕緣子串承受的沖擊電壓平均由775.25 kV降低至504.63 kV，絕緣子串承受的雷電沖擊電壓平均降低34.91%，未超出絕緣子串700 kV的耐壓等級，不會發(fā)生反擊現象。

（3）當雷擊桿塔時，通過全線桿塔的平衡散流，雷電流經接地網注入大地，經過接地網有效釋放，塔頂和塔身電位升高在絕緣子串兩端形成的反擊過電壓則相應降低，大幅降低了雷擊桿塔時線路反擊過電壓導致絕緣子串發(fā)生閃絡造成跳閘的可能性，研究改造后以來，未發(fā)生雷擊跳閘現象。

（4）通過資株線防雷研究取得了良好的效果以及重要的實踐價值，為運行提供了實際數據，特別是柔性接地體的垂直滲入施工工藝，對于山地高電阻率地區(qū)桿塔降阻非常有效，可以應用到其他送出線路的防雷改造中。