特高壓輸電線路繞擊耐雷性能及其防雷措施分析

宋俊峰，宋章勝

（國網(wǎng)湖南超高壓輸電公司，湖南 衡陽 421002）

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國電網(wǎng)的電壓等級(jí)、輸送容量和輸電距離也在不斷提高，目前電網(wǎng)中已建成±800 kV、±1 100 kV 等一系列電壓等級(jí)的特高壓（Ultra High Voltage，UHV）輸電線路。而這些輸電線路在運(yùn)行中都存在著較高的雷擊跳閘率，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，國內(nèi)外在特高壓輸電線路繞擊耐雷性能方面的研究較多，且主要是基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和電磁仿真分析，通過對(duì)比不同輸電線路的繞擊耐雷性能來對(duì)特高壓輸電線路進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。但這些研究都是基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，缺乏工程實(shí)際數(shù)據(jù)支撐，且仿真主要針對(duì)導(dǎo)線耐雷性能進(jìn)行分析，未考慮雷擊跳閘率與桿塔接地電阻、線路高度等因素的關(guān)系。因此研究特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能及其防雷措施具有重要意義。

1 特高壓輸電線路繞擊耐雷性能的影響因素

1.1 雷電流幅值對(duì)特高壓線路繞擊的影響

雷電流幅值對(duì)特高壓輸電線路繞擊的影響主要體現(xiàn)在對(duì)雷擊桿塔的沖擊電壓和絕緣子閃絡(luò)的影響，如果雷電流幅值較小，那么雷擊桿塔產(chǎn)生的沖擊電壓也會(huì)比較小，這樣就不會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線對(duì)地面進(jìn)行放電，導(dǎo)線對(duì)地面形成的雷電流幅值就比較小，此時(shí)高壓輸電線路的繞擊情況不會(huì)很嚴(yán)重；反之，如果雷電流幅值較大，那么雷擊桿塔產(chǎn)生的沖擊電壓也會(huì)比較大，此時(shí)高壓輸電線路導(dǎo)線對(duì)地面的放電距離比較短，導(dǎo)線對(duì)地面形成的雷電流幅值比較大，這樣就會(huì)導(dǎo)致高壓輸電線路導(dǎo)線對(duì)地面產(chǎn)生的放電距離較近，此時(shí)高壓輸電線路就不會(huì)出現(xiàn)繞擊情況[1]。

1.2 線路絕緣水平對(duì)特高壓線路繞擊耐雷水平的影響

為避免輸電線路發(fā)生雷擊跳閘故障，必須在輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮其耐雷水平。通常情況下，輸電線路的絕緣水平是通過耐雷試驗(yàn)來確定的，其試驗(yàn)方法為：在110 kV 及以上電壓等級(jí)的輸電線路上，在不接地或接地電阻不大于10 Ω 時(shí)，將輸電線路上的工頻電壓提高到1 000 V 以上，同時(shí)使絕緣子的放電電壓為6 ～12 kV。如果在較低的絕緣水平下仍可以正常運(yùn)行，則表明輸電線路具有較高的耐雷水平。因此，輸電線路的耐雷水平越高，繞擊跳閘率就越低，輸電線路的繞擊能力也就越強(qiáng)。而對(duì)于特高壓輸電線路而言，其耐雷水平則主要取決于其絕緣子串的放電特性和雷電流幅值。因此在特高壓輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮絕緣水平對(duì)繞擊耐雷性能的影響。在一定程度上，絕緣子串的放電特性也會(huì)對(duì)其耐雷水平產(chǎn)生影響。當(dāng)絕緣子串的放電特性為非對(duì)稱時(shí)，在不接地的情況下，輸電線路的耐雷水平較高，而在接地運(yùn)行時(shí)，耐雷水平會(huì)受到一定的影響，繞擊跳閘率也會(huì)隨之增加。

1.3 保護(hù)角對(duì)特高壓線路繞擊耐雷性能的影響

在特高壓輸電線路設(shè)計(jì)的過程中，為防止雷電繞擊桿塔，通常采用避雷線和地線對(duì)桿塔進(jìn)行保護(hù)。但是在實(shí)際的運(yùn)行過程中，避雷線和地線對(duì)線路的保護(hù)效果并不理想，這主要是因?yàn)楸芾拙€和地線對(duì)線路的保護(hù)角過小。避雷線和地線在運(yùn)行過程中都會(huì)受到雷電繞擊的影響，且導(dǎo)線上的電荷會(huì)引起電位差，形成電暈放電，而導(dǎo)線與地線之間形成的電場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)線表面形成屏蔽層。雷電繞擊導(dǎo)線時(shí)所產(chǎn)生的電位差使得導(dǎo)線上的電荷產(chǎn)生移動(dòng)，在導(dǎo)線表面形成一個(gè)電暈放電通道。這一放電通道的形成對(duì)避雷線和地線較大的保護(hù)作用，但是如果避雷線和地線與桿塔之間的保護(hù)角過小，就會(huì)在放電通道中產(chǎn)生一個(gè)很大的電位差，使避雷線和地線發(fā)生閃絡(luò)，對(duì)線路造成損壞[2]。

2 特高壓輸電線路的防雷措施

2.1 安裝線路避雷器

輸電線路避雷器是在雷電過電壓作用下，通過自身的泄流或過電壓保護(hù)作用，限制雷電過電壓的保護(hù)設(shè)備，能有效降低雷擊跳閘率、提高線路耐雷水平，避免雷擊跳閘事故的發(fā)生。與傳統(tǒng)的防雷措施相比，線路避雷器具有運(yùn)行維護(hù)方便、防雷性能好、能夠持續(xù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，并且使用年限較長，是一種具有較大應(yīng)用潛力和較好推廣前景的防雷技術(shù)，目前在特高壓輸電線路中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，有效提高特高壓輸電線路繞擊耐雷水平。正常情況下，線路避雷器不參與線路過電壓的防護(hù)，只有當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，避雷器才會(huì)起作用。

可將雷電過電壓限制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)發(fā)生雷擊跳閘事故時(shí)，又可以作為系統(tǒng)的限壓裝置，以保護(hù)設(shè)備和線路免受雷擊。此外，當(dāng)輸電線路遭受雷擊時(shí)，避雷器不僅可以作為過電壓保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)限壓裝置，限制線路過電壓幅值及持續(xù)時(shí)間，而且可以作為保護(hù)設(shè)備避免雷擊跳閘。特高壓輸電線路中安裝避雷器可以有效避免雷擊事故的發(fā)生，提高線路的耐雷水平，但是在安裝線路避雷器時(shí)要注意以下問題。一是安裝位置要適當(dāng)，應(yīng)保證避雷器能將雷電過電壓限制在一定范圍內(nèi)，避免避雷器工作環(huán)境的破壞；二是安裝高度要合適，避雷器的安裝高度應(yīng)根據(jù)雷電流幅值和導(dǎo)線的高度來確定，導(dǎo)線的高度應(yīng)考慮到避雷器的安全距離，一般情況下控制在8 ～12 m，這是因?yàn)楸芾灼餍枰欢ǖ姆烹婇g隙，過高的位置容易被雷擊中[3]；三是安裝方式要合理，為了提高避雷器的使用效果，一般情況下應(yīng)安裝在桿塔的頂部，利用避雷器自身的泄流和過電壓保護(hù)作用，將雷電過電壓限制在一定范圍內(nèi)。同時(shí)，線路避雷器與桿塔、線路導(dǎo)線應(yīng)保持一定的距離，避免雷擊事故的發(fā)生。

2.2 加強(qiáng)線路絕緣

在特高壓輸電線路的防雷工作中，加強(qiáng)線路絕緣是其中一個(gè)重要的措施，能有效提高輸電線路的防雷性能。線路絕緣主要是通過提高絕緣水平來實(shí)現(xiàn)的，所以在進(jìn)行線路絕緣工作時(shí)要根據(jù)相應(yīng)的要求和標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。同時(shí)，由于高壓輸電線路的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其對(duì)絕緣性能的要求也相對(duì)較高，在實(shí)際操作過程中要確保線路絕緣水平能夠達(dá)到相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行架空輸電線路設(shè)計(jì)過程中要盡量降低桿塔的高度，將導(dǎo)線與避雷線進(jìn)行有效分離，這樣才能確保防雷工作能夠取得理想效果。此外，還要盡量降低桿塔的高度，降低雷擊事故的發(fā)生概率。

加強(qiáng)線路絕緣要考慮到以下幾個(gè)方面：首先，輸電線路的塔頭布置。當(dāng)線路上架設(shè)的絕緣子串?dāng)?shù)超過4 串時(shí)，可采用增加絕緣子串?dāng)?shù)量的方式來提高線路繞擊耐雷性能。對(duì)于不同的桿塔結(jié)構(gòu)，其桿塔的高度有所不同，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到輸電線路的塔頭布置。對(duì)于同塔雙回或多回輸電線路，當(dāng)輸電線路桿塔之間的檔距超過某一值時(shí)，為使導(dǎo)線處于絕緣水平較低的位置，需要將鐵塔兩側(cè)導(dǎo)線之間的檔距設(shè)為最小值。同時(shí)要保證塔頭布置滿足相關(guān)規(guī)范要求，在對(duì)輸電線路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到導(dǎo)線在塔頭附近的最小安全距離以及雷擊下塔頭周圍導(dǎo)線的最大安全距離。一般情況下，對(duì)于特高壓輸電線路而言，其耐雷水平要遠(yuǎn)低于低電壓等級(jí)輸電線路[4]。其次，在桿塔的設(shè)計(jì)過程中，要盡量選擇較高的桿塔，這樣才能確保絕緣子能夠滿足相應(yīng)的絕緣要求。同時(shí)，桿塔的高度也會(huì)對(duì)絕緣子串?dāng)?shù)產(chǎn)生一定的影響，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況來選擇。一般情況下，桿塔的高度要與絕緣子的串?dāng)?shù)成正比關(guān)系，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可通過增加絕緣子來提高線路耐雷性能。最后，要根據(jù)桿塔的具體情況合理選擇絕緣子和金具等設(shè)備，并且要保證其質(zhì)量和數(shù)量。在進(jìn)行桿塔的選擇時(shí)，要保證桿塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和施工質(zhì)量滿足相應(yīng)的要求。同時(shí)，在設(shè)計(jì)桿塔時(shí)，還要對(duì)絕緣子和金具等設(shè)備進(jìn)行合理的選擇，要保證其具有足夠的數(shù)量和質(zhì)量，確保其具有良好的接地裝置。

2.3 減小地線保護(hù)角

架設(shè)避雷（地）線是高壓輸電線路防雷的基本措施，地線的主要作用是防止雷電直擊導(dǎo)線。如果桿塔遭受雷擊，那么雷擊點(diǎn)將通過地線與導(dǎo)線之間的絕緣子串發(fā)生放電，從而將雷電過電壓沿導(dǎo)線向四周擴(kuò)散，避免桿塔因遭受雷擊而倒塌。同時(shí)，雷擊桿塔時(shí)產(chǎn)生的高電場(chǎng)強(qiáng)度可以通過地線向大地傳播，從而減小雷擊桿塔的范圍。

地線還具有保護(hù)絕緣子不受雷過電壓損壞的作用。當(dāng)雷擊桿塔時(shí)，雷電過電壓將通過地線傳遞到導(dǎo)線上，從而降低導(dǎo)線絕緣子兩端電壓和感應(yīng)電壓。此外，地線對(duì)導(dǎo)線起到屏蔽作用。由于雷電流幅值很大，導(dǎo)線上的電位分布十分復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電位差。

采用非線性有限元軟件ATP-EMTP 對(duì)線路進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果表明，在雷電流相同的情況下，減小保護(hù)角會(huì)使導(dǎo)線的電位降低，且隨著地線高度的增加，電位下降幅度減小。同時(shí)，由于雷電流幅值較大，導(dǎo)線上感應(yīng)的電勢(shì)場(chǎng)也相應(yīng)增大，從而減小地線對(duì)導(dǎo)線的屏蔽作用。綜合考慮以上因素可以看出：增大地線保護(hù)角對(duì)增加屏蔽作用是十分有效的；當(dāng)?shù)鼐€高度相同時(shí)，減小保護(hù)角可使最大繞擊距離減小。在一些山區(qū)，線路的繞擊跳閘率較高，而且繞擊跳閘后，又可能在短時(shí)間內(nèi)再發(fā)生繞擊跳閘[5]。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地減小地線保護(hù)角。

在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況采用合適的措施。輸電線路的防雷等級(jí)不同，其保護(hù)角也不同。在既有和老化的線路上，更換保護(hù)角度的工作比較煩瑣，而且還需要斷電才能完成，因此施工周期長、投資大、難度大。

3 結(jié) 論

特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能與一般超高壓輸電線路相比存在較大差距，進(jìn)行繞擊耐雷性能分析具有十分重要的意義。研究結(jié)果表明：桿塔接地電阻為50 Ω 時(shí)，特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能最好，為普通超高壓輸電線路的1.8 倍；降低線路高度能夠有效提高其繞擊耐雷性能，但對(duì)導(dǎo)線排列方式和地線保護(hù)角等因素不敏感；在±800 kV 換流站至±500 kV 換流站之間的特高壓輸電線路上安裝避雷器能夠有效降低繞擊跳閘率，提高特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能。