山区高压输电线路雷击跳闸分析和改进措施

2011-05-29余长水

浙江电力 2011年5期

关键词：耐雷避雷线闪络

曹炯，余长水

（宁波电业局，浙江宁波 315010）

宁波地区境内主要山脉有四明山和天台山，山地和丘陵约占总面积的60%。110 kV以上线路多分布于山区，地形起伏变化较大，地质复杂，天气多变，为典型的华东Ⅰ级气象区，年平均雷暴日38天，线路架设双避雷线保护。

近年来，山区高压输电线路因雷击而引起的故障日益增多，对线路的安全运行造成了严重威胁，有部分500 kV线路又是跨区线路，每次事故巡视不但浪费了巨大的人力、物力而且加大了运行维护人员的劳动强度，因此线路的防雷保护成了运行维护的重中之重。

1 山区输电线路雷击成因分析

1.1 雷击跳闸统计

根据2006-2010年雷击统计数据（表1），宁波地区位于山区的杆塔雷击跳闸次数占总雷击跳闸次数的67.2%，其中500 kV线路占95%，220 kV线路占63.8%，110 kV线路占63.5%，可以看出线路电压等级越高，山区的杆塔雷击跳闸比例越高，这是因为电压等级高的线路多处于高山区。

表1 输电线路雷击跳闸次数统计次

输电线路上出现的雷闪过电压有2种：一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应所引起的感应过电压；另一种是雷直接击中线路引起直击雷过电压。直击雷又可分为反击雷和绕击雷2种：当雷落在杆塔顶部和避雷线上，由此造成雷击的线路跳闸故障，称为反击雷；当雷绕过避雷线，即避雷线保护失效，直接击在导线上，由此造成的雷击线路跳闸故障，称为绕击雷。

1.2 线路绕击成因分析

根据高压线路的运行经验、现场实测和模拟试验均证明，雷电绕击率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及高压送电线路经过的地形、地貌和地质条件有关。

计算山区的绕击率Pa：

式中：α为保护角；h为杆塔高度。

根据式（1）可以推算出山区的绕击率在5%左右，但山区线路的绕击率约为平地线路的3倍。山区线路不可避免会出现大跨越、大高差档距，这是线路耐雷水平的薄弱环节。一些地区雷电活动相对强烈，使某一区段的线路较其它线路更容易遭受雷击。

1.3 线路反击成因分析

雷击杆、塔顶部或避雷线时，雷电电流流过塔体和接地体，使杆塔电位升高，同时在相导线上产生感应过电压。如果升高塔体电位和相导线感应过电压合成的电位差超过高压送电线路绝缘闪络电压值，即Uj＞U50%时，导线与杆塔之间就会发生闪络，这种闪络就是反击闪络，闪络电流I1为：

式中：U50%为绝缘子串50%冲击闪络电压；k为导线线间耦合系数；k0为导线与地线间的耦合系数；β为杆塔分流系数；Rch杆塔冲击接地电阻；Lt为杆塔电感；hg为地线平均高度；hb为导线平均高度；hd为杆塔高度；hh为横担对地高度。

由式（2）可以看出，降低杆塔接地电阻Rch、提高耦合系数k、减小分流系数β、加强高压送电线路绝缘都可以提高高压送电线路的耐雷水平。应着重考虑降低杆塔接地电阻Rch的方法作为提高线路耐雷水平的主要手段。

1.4 线路绕击和反击对比

线路遭受反击或绕击雷的特点对比见表2，由表2可以看出，山区的雷击线路故障主要是雷击杆塔，即反击率比例在95%左右。因此，山区线路防雷工作的重点应放在防雷击杆塔上。

表2 反击或绕击雷与线路状态的对比

为了有效防止山区输电线路雷害故障的频繁发生，针对山区输电线路以反击雷为主的特点，采取降低杆塔接地电阻的方法来提高线路耐雷水平。对于绕击易发点、高山跨越杆塔以及难降低接地电阻的线路，装设线路型氧化锌避雷器。

2 降低杆塔接地电阻

2.1 杆塔接地电阻

输电线路杆塔接地装置通过杆塔或引下线与避雷线连接，将直击于输电线路的雷电流引入大地，以减少雷击引起的跳闸故障。无疑降低接地电阻是提高线路耐雷水平防止反击雷最有效、经济的方法。对于杆塔接地装置，它的冲击接地电阻值越低，雷击时加在绝缘子串上的电压就越低，发生雷击闪络的几率就越小。根据有关规定，有避雷线的线路杆塔，解开避雷线时的工频接地电阻在雷季干燥时不宜超过表3所列数值。

表3 输电线路接地电阻

由于线路途径的地理条件比较复杂，通常的施工方法很难使接地电阻达到要求，有的接地电阻甚至高达几百欧姆，导致在雷雨季节线路频繁遭雷击。而大部分杆塔位于高山的山顶上，又增加了遭受雷击的几率。针对这种现象，根据当地的气象条件和线路的耐雷水平模拟计算结果，确定了杆塔接地装置接地电阻改造的预期目标是：在地质条件较恶劣，如岩石上的杆塔或土壤电阻率为1 000 Ω·m以上的杆塔，其接地电阻控制在20 Ω以下，并要求冲击电阻控制在15 Ω以内；对于地质条件特别恶劣的典型杆塔，在采取多种改造措施后仍达不到20 Ω以下时，必须采取其他措施提高线路的耐雷水平。

2.2 降低杆塔接地电阻的措施

（1）对于有表层土壤下面是岩石的杆塔，充分利用表层土壤的散流作用，增加射线占地面积，在原有地网的基础上采用双股Φ10 mm圆钢，延长水平接地射线长度（不超过100 m）和增加射线数量（不多于8根），保证埋深0.6～0.8 m。当土层厚度小于0.6 m时要求在地沟内填充长效防腐阻剂、草木灰等低阻物质，并采取防雨水冲刷措施。同时，根据具体杆塔的地形地貌，在原射线上增加多根20～30 m短射线。

（2）对无土岩石的山地杆塔，开挖多条槽沟，槽沟尺寸：宽0.4 m深0.6～0.8 m，在槽沟内埋入双股Φ10 mm圆钢并填充回填土（ρ＜100Ω·m），长效防腐阻剂、草木灰等低阻物质，上层用混凝土浇筑，厚度为10 cm，混凝土每隔5 m留收缩缝1个，并用沥青勾缝，最后在混凝土干燥后用泥土水平覆盖夯实。要利用杆塔具体的地形地貌特点合理布置槽沟，槽沟之间相互贯通。

（3）对原已敷设地网中不满足上述埋深要求或经雨水冲刷暴露出来的地网按（1）和（2）中的要求重新埋设和加固，特别是位于陡坡上的地网。

（4）当杆塔某一方向有土壤层时，可以在该方向土壤中敷设矩形地网。

3 装设线路型氧化锌避雷器

对于绕击易发点、高山跨越杆塔以及接地电阻难降的线路，如装设线路型氧化锌避雷器，可防止雷直击导线、铁塔或避雷线后绝缘子的冲击闪络，降低线路的雷击跳闸率。

加装避雷器输电线路遭受雷击时，雷电流的分布将发生变化，一部分雷电流从避雷器传入相邻杆塔，一部分经塔体入地，大部分的雷电流从避雷器流入导线，传播到相临杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时，由于导线间的电磁感应作用，将分别在导线和避雷线上产生耦合分量。因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络。因此，线路避雷器具有很好的钳电位作用，线路避雷器安装位置为：

（1）位于山坡上的杆塔，一般是外侧线路容易绕击，则只在外侧相导线上安装线路避雷器。

（2）位于山顶的杆塔，则绕击易出现在边相，因此在两侧安装线路避雷器。

（3）在雷电活动强烈地区，为了进一步提高线路耐雷水平，建议在相邻的杆塔各安装1组线路避雷器。