线路雷击跳闸分析及策略

2010-06-07彭向阳周华敏

电力建设 2010年1期

彭向阳，周华敏

（1.广东电力科学研究院，广州市，510600；2.广东电网公司，广州市，510600）

0 引言

通过对比同业对标数据发现，广东主网线路故障跳闸次数明显高于内地省级电网，如广东110 kV及以上线路跳闸次数分别约为江苏、山东电网同电压等级线路跳闸次数的3～6倍，其最主要原因在于广东雷电强烈。本文将对广东地区雷电参数、线路雷击跳闸规律及关键影响因素进行分析，并提出线路防雷工作建议。

1 雷电探测及雷电参数

1.1 雷电定位系统

目前广东雷电定位系统共有18个雷电方向、时差探测站，广东电科院负责日常维护工作，以确保雷雨季系统正常运行。运用此系统可准确指导线路雷击故障点查找工作，大大减轻巡线劳动强度，缩短线路故障停电时间，并且运用其开展雷电参数统计和线路防雷分析，成效显著。

1.2 地面落雷密度

2008年广东省平均地面落雷密度为18.39次/（年·km2），较2007年大幅增强。统计表明，近年广东雷电强度呈上升趋势，特别是2007、2008年雷电强度明显高于其他年份。

1.3 雷电流幅值

比较2008年广东地区雷电流幅值概率分布曲线与过电压保护规程[1]推荐曲线可知，15 kA以下雷电流幅值概率明显高于规程推荐值，而15 kA以上雷电流幅值概率明显低于规程推荐值。

雷电流幅值大于 20、40、60、80、100、120、150 kA的概率分别约为 54%、19%、8%、3%、1.5%、1.0%、0.5%。按照线路典型反击耐雷水平，可近似认为110、220、500 kV线路架空地线遭受雷电流后，发生反击跳闸的概率分别大于8%、1.2%、0.4%，这是110 kV和220 kV线路反击跳闸率明显高于500 kV线路的原因。

2 落雷密度对线路雷击跳闸影响分析

2.1 落雷密度及雷电探测影响因素分析

一般情况下，线路雷击跳闸率与地面落雷密度正相关，但统计表明，有时雷电强度对线路雷击跳闸率的影响规律并不典型，以广东为例，其主要原因如下：

（1）地面落雷密度与线路走廊落雷密度并不完全等同，由于雷电活动的分散性，线路走廊落雷次数不一定随地面落雷次数增加。

（2）地面落雷密度是反映雷电强度的重要参量，却并不能完全表征地区雷电强度，雷电强度还与雷电流幅值、波形等参数有关。

（3）2007年广东新建梧州、玉林2个探测站，系统覆盖面增大、探测效率提高，有可能探测到广东西北地区此前探测不到的较小雷电流，因而2008年探测落雷次数较2007年明显增加。

（4）2001—2007年探测站一直维持16个，其间历年雷电探测数据可比性较强，但系统投运以来软硬件不断改造升级，个别探测站也时常故障停运，导致系统探测效率及探测精度动态变化，影响历年雷电探测数据的可比性。

（5）雷电探测站在全省布局并不均衡，因此21个地区探测数据可比性受到影响，但在全省探测站数量和布局相对稳定的情况下，各地区本身的历年雷电探测数据具有较强可比性。

（6）线路雷击跳闸率的变化，除与雷电分散性相关外，还与综合防雷改造和防污调爬，线路耐雷水平提高有关。

2.2 雷击跳闸率与落雷密度相关性统计

2008年韶关、珠海500 kV线路雷击跳闸率较高，但落雷密度均低于全省平均落雷密度；广州、汕尾、清远跳闸率较低，但广州、汕尾落雷密度高于全省平均落雷密度。因此，地区落雷密度对500 kV线路雷击跳闸率的影响规律并不典型。

110 kV线路清远、肇庆、茂名的雷击跳闸率较高，且肇庆、茂名落雷密度高于全省平均水平；揭阳、潮州、河源的跳闸率较低，且落雷密度均低于全省平均水平。

由以上分析可知，落雷密度对110 kV线路雷击跳闸率的影响规律具有一定的典型性，即雷击跳闸率与统计落雷密度的正相关性，110 kV线路最强，220 kV线路次之，500 kV线路最弱。这与雷电活动具有分散性和统计规律、各电压等级线路覆盖范围不同相一致。

3 线路雷击跳闸关键因素影响分析

3.1 线路雷击跳闸重合及故障点查找情况

广东2008年1—8月雷击跳闸故障统计如表1所示。由表1可知，500、220、110 kV线路雷击重合成功率分别为 100%、93%、92.6%，220、110 kV 线路雷击重合成功率相对较低，主要由于部分线路重合闸退出运行，线路雷电反击导致两相或三相接地故障等因素。500、220、110 kV线路雷击故障点查找成功率分别为92.3%、99%、96.6%，均较去年同期明显提高。

表1 雷击跳闸重合及故障点查找情况Tab.1 Lightning trip-out superposition and failure spot check-up

3.2 地形地貌影响

线路走廊地形地貌对线路防雷影响较大。地理位置不同，雷电活动存在差别，如南方沿海地区靠近赤道且受海洋气象影响、雷电强烈，一般情况下山区比平原雷电强度大等。大地对线路的屏蔽效能存在差别，屏蔽效果差则雷电更易击中线路。

2008年110 kV及以上线路雷击跳闸事件中，山地或丘陵地区占76%，其中处于山顶的占40.8%，处于山腰的占15.3%；平原或其它地区雷击跳闸占24%。这与山区雷电强烈，杆塔接地电阻相对较高有关。

110 kV及以上线路雷击边相跳闸事件中，处于下山侧的占24%，处于上山侧的占14%，其余跳闸相地形不明确，或为非典型地形及非边相跳闸。因此，处于下山侧的边相导线由于大地屏蔽效果差，容易遭受雷电绕击跳闸。

3.3 杆塔接地电阻影响

杆塔电感及杆塔接地阻抗决定杆塔雷电冲击电位升高，降低杆塔接地电阻能显著提高线路反击耐雷水平，但对防止线路绕击影响不大。鉴于降阻措施对线路防雷的有效性和针对性，应尽可能降低杆塔接地电阻，如按低于15 Ω或10Ω进行设计和改造。

线路雷电反击跳闸主要是由接地电阻偏高或雷电流幅值较大引起的，而广东部分杆塔接地电阻偏高是因为山区土壤电阻率高，降阻改造困难，杆塔接地引线或接地极盗失，因掩土被大雨冲刷杆塔接地极导体外露、接触不良等造成[2]。

表2统计了雷击跳闸杆塔接地电阻分布情况。500 kV杆塔接地电阻均小于20 Ω，雷电流幅值绝大部分处于60 kA以下，远未达到线路反击耐雷水平，可见500 kV线路雷击跳闸基本上由雷电绕击引起。220、110 kV线路接地电阻大于15 Ω的雷击跳闸比例分别仅为21%、29.2%，并不显著高于低接地电阻杆塔跳闸次数，原因在于高接地电阻杆塔运行数量比例相对更少；此外，220、110 kV线路接地电阻小于10 Ω的跳闸比例分别达67%、47.1%，排除其中较大雷电流导致的反击跳闸后可知，220 kV线路绕击跳闸比例高于110 kV线路，而反击跳闸比例低于110 kV线路。

表2 雷击跳闸杆塔接地电阻分布Tab.2 Lightning trip-out pole ground resistance distribution

3.4 雷电流幅值影响

对于110 kV及以上线路，雷电流幅值较小时绕击概率相对较大，3～30 kA雷电流就可导致绕击跳闸，若雷电流幅值超过100 kA，则110、220 kV线路反击跳闸概率明显增大。

当雷电流幅值超出反击耐雷水平时，雷击线路反击跳闸将不可避免。但出现较大雷电流概率较小，如2008年广东地区大于150 kA雷电流的概率仅为0.5%，落到110 kV及以上线路的概率就更小。

表3统计了引起线路雷击跳闸的雷电流幅值分布，500 kV线路120 kA以下雷电流比例为92.3%，大致低于线路反击耐雷水平，基本为绕击。220 kV线路60 kA以下雷电流比例为63.8%，大多为绕击。110 kV线路30 kA以下雷电流比例为16.6%，60 kA以下比例为37.5%，大多为绕击。

表4统计了线路绕击、反击跳闸情况。110 kV及以上线路反击、绕击跳闸比例与上述雷击跳闸线路杆塔接地电阻、雷电流幅值分布基本吻合，具有一致性[3]。

表3 线路雷击跳闸雷电流幅值分布Tab.3 Lightning current magnitude distribution during line trip-out caused by lightning

表4 线路雷电反击、绕击跳闸比例Tab.4 Line lightning strike-back,circle attack trip-out rate

3.5 地线保护角影响

减小地线保护角是防止线路雷电绕击的主要技术措施，设计规程要求500、220、110 kV线路地线保护角分别小于 15°、20°、25°，由于广东线路绕击跳闸比例较高，建议500、220、110 kV设计保护角分应小于 5°、10°、15°，特别是 500 kV 线路和同塔多回共架线路，可采用负保护角。

表5统计了雷击跳闸线路的保护角情况，在相同保护角范围，随着电压等级和杆塔高度增加，线路跳闸（主要是绕击）比例明显增加。

表5 线路雷击跳闸地线保护角分布Tab.5 Line lightning trip-out ground wire protective angle distribution

3.6 绝缘子类型影响

表6统计了雷击跳闸线路的故障绝缘子的类型，可见500 kV线路合成绝缘子雷击闪络比例较大，220、110 kV线路合成绝缘子、玻璃绝缘子雷击闪络比例相差不大。

线路绝缘子雷击受损数量，可能由不同类型绝缘子挂网数量以及雷电活动分散性决定，对于相同雷电耐受水平的合成绝缘子或玻璃绝缘子，暂时无运行经验表明合成绝缘子比玻璃绝缘子更易遭受雷电闪络[4]。

早期防污调爬使用的合成绝缘子确实存在电弧距离较短、与同电压等级的玻璃或瓷绝缘子电气性能不等效的情况，由此也导致了线路耐雷水平下降、雷击跳闸率提高。同时运行经验表明，合成绝缘子工频电弧作用不如玻璃绝缘子，且耐受雷电流小，因而容易造成硅橡胶材料或端部密封结构的缺陷。

表6 雷击跳闸杆塔绝缘子类型统计Tab.6 Insulator type statistic of lightning trip-out towers

4 线路避雷器防雷运行分析

截至2008年，广东110、220、500 kV线路分别安装中间避雷器7406、2790、34相，安装线路604、151、2回，占全部线路规模的 24.3%、24.5%、2.3%，其中2008年净增中间避雷器1784相；绝缘子间隙、空气间隙、无间隙的中间避雷器的比例分别为68.9%、23.2%、7.9%。

110、220 kV线路分别安装终端避雷器3221、501相，安装线路685、118回，其中带脱离装置、无脱离装置、带间隙的终端避雷器的比例分别为42.7%、53.3%、3.8%，绝大多数采取无间隙避雷器。2008年净增终端避雷器1449相。

2008年110、220 kV线路中间避雷器平均每相动作2.3、2.4次，110、220 kV线路终端避雷器平均每相动作1.6、1.5次，避雷器动作率和保护有效性均处于较高水平。

广东线路避雷器运行可靠性和效果总体良好，存在问题主要有：个别避雷器电气、机械性能变差；由于安装选点不当、雷电活动的分散性，部分线路防雷效果不明显；由于绝缘配合不当问题，个别避雷器存在保护失效现象；避雷器本体、绝缘子间隙受弯曲应力累积作用发生断裂；避雷器电气连接受损或脱离装置故障；避雷器金具及计数器等部件锈蚀损坏。

在当前广东线路雷击跳闸率仍然居高的形式下，继续推进线路避雷器的防雷应用具有重要意义[5-7]，但不能盲目安装和随意扩大规模，应加强针对性和技术经济性比较。

5 线路防雷策略建议

5.1 开展线路综合防雷改造

推进线路防雷综合改造，加强管理和积累运行经验。建议考虑对雷击跳闸率较高、跳闸次数较多的500 kV东惠甲线、江茂甲线、曲花乙线，220 kV风岭线、东黎甲线、阳仙甲乙线，110 kV悦禄线、潖迳乙线、三安甲乙、桃吕线、睦悦线等实施综合防雷改造。

防雷改造应有针对性，应至少积累该线路3～5年以上的雷击跳闸数据，以明确造成线路跳闸率高的主要原因，原则上500 kV线路重点防绕击，110 kV线路重点防反击，220 kV线路应同时防绕击和反击。对于已开展或完成改造线路，应跟踪1～5年运行数据，明确改造是否取得实效。对于部分线路改造效果不明显的，应分析具体原因，总结经验和教训。

5.2 提高线路防雷设计标准

广东经济社会发展进入新阶段，线路走廊选择困难或别无选择，新建线路处山区或突出暴露地形居多，容易遭受雷击，因此必须在规程基础上提高防雷设计标准[7]。此外，已运行线路杆塔高度、结构和空气间隙固定，开展防雷改造具有局限性，必须从设计源头把关。

建议500 kV线路、同塔线路采取5°以下及负保护角，220、110 kV线路分别采取10°、15°以下保护角，减少线路绕击跳闸。

建议加强线路绝缘设计，采用电弧距离较大的合成绝缘子，增加玻璃绝缘子片数，将瓷绝缘子更换为玻璃或合成绝缘子等。位于山顶或突出暴露地形易击杆塔宜使用玻璃绝缘子。加强绝缘可按提高10%～20%考虑，同时也应提高塔头尺寸和空气间隙裕度，防止塔头间隙放电概率增大。

5.3 加强线路继电保护和重合闸管理

线路防雷在一次方面存在局限性，线路雷击跳闸率只能降低到一个可接受水平，不可能降低到更低水平。

在采取措施降低雷击跳闸率的同时，更应通过加强继电保护和重合闸管理，避免不必要的重合闸退出。同时，应继续加强电网规划和建设，完善网架结构，提高供电可靠性。

5.4 加强线路防雷运行管理和科研应用

应结合MIS建设，统一和规范线路雷击跳闸记录格式和防雷运行报表，完善线路雷击跳闸信息，及时开展防雷运行总结和分析评估；加强线路防雷运行维护，及时查找雷击故障点和更换受损绝缘子；制定和执行线路设备检测、抽检和改造计划，组织落实重大反事故措施；加强雷电定位系统运行维护和软硬件升级，及时更新线路坐标，提高应用水平，有效指导线路雷击故障点查找和雷电参数分析；积极开展线路防雷科研和新技术应用[8-14]。

6 结论

输电线路和电网雷电防护是一项长期工作，由于线路规模扩大，气候变化、雷电活动频繁，电网雷害事故明显增多，加强雷电参数及线路防雷分析，开展防雷改造、采取有效的防雷措施显得尤为重要。本文分析了广东省线路雷击跳闸率及雷击原因，并提出了线路防雷策略，可为今后的防雷工作提供参考意见。近年来，雷电监测技术研究取得显著进展，雷电仿真和试验工作积极开展，特别是电网整体防雷思想和差异化防雷策略初步贯彻实施[15]，必将极大地提高输电线路和电网雷电防护技术和水平。

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