超高压输电线路雷电绕击及防雷分析

甘斌，张双平，余平

（1.杭州市电力局，杭州 310000；2.湖北超高压输变电公司直流运检中心，宜昌 443000；3.二滩水电开发责任有限公司，成都 617000）

雷电是影响输电线路可靠性的首要因素，在我国，超高压输电线路雷击事故占线路总跳闸事故40%～70%[1]。运行经验表明，对于500kV以下电压等级的输电线路，线路雷击事故以雷击杆塔及避雷线引起的反击为主；而对于500kV及以上的超高压、特高压输电线路，绕击是造成雷击跳闸的主要原因[2-3]，因此，如何有效提高超高压输电线路的防绕击性能，这对电力系统安全稳定运行具有非常重要的意义。

雷电活动具有明显的地域性和气候性，与当地雷电活动特性、微地形、微气候等因素有关。在现有防雷技术较为广泛研究基础上，本文以500kV输电线路雷击故障为实例，分析超高压输电线路绕击的可能性，并结合目前的防雷措施，提出超高压输电线路切实可行的防绕击策略。

1 实例分析

1.1 故障情况

2010年7月某日，雷雨天气，华东电网500kV天瓶5406线A相跳闸，重合成功，两侧两套纵联保护动作，天荒坪电站测距11.5km（#21-#22），瓶窑变测距22.3km（#28-#29）。浙江省雷电定位系统线路雷电查询结果显示，当日12:24-12:34天瓶5406线附近共计落雷点25个，落雷数据和落雷点如表1和图1，经现场查找发现天瓶5406线#23塔A相玻璃瓷瓶及金具上有明显放电痕迹。

表1 落雷数据统计

图1 雷电信息系统线路落雷点图

1.2 故障计算

天瓶5406线总长度为37.426km，该线路75%位于山区，25%位于平地。其中天瓶5406线#23塔为直线塔，塔型为ZM2，呼高为42m，全高为56.43m，铁塔电感Lgt为28.215μH，分流系数β为0.88，雷击杆塔顶时的电晕系数K1为1.28，导线平均高度hd为23.95m，避雷线平均高度hb为44.42米，冲击接地电阻Rch为8.5Ω，边相导线保护角为5.41º，绝缘子型号是FC160P/170，绝缘子串长4.714m，单串装置，24片，铁塔位于斜山坡，山坡倾角约40º。所在耐张段为#21-#26，档距2337m，其中#22-#23塔间档距为497米，#23-#24塔间档距251米，#23塔接地电阻值为8.5欧姆。导线型号：LGJ-400/50×4，地线型号：LHGJJ-95/55×2。

1.2.1 临界击距及临界电流的计算

目前在分析线路绕击时，比较常用的方法是采用电气几何模型[4]，其基础是击距大小与雷电流幅值有关，因击距大小与雷电先导头部的电位有关，进而与先导通道的电荷密度有关，后者又决定了随后出现的雷电流幅值，故认为击距是雷电流幅值的函数。电气几何模型（见图2）以雷电先导电位和相应的对避雷线、导线及大地的击距来判定雷击位置。根据上述500kV天瓶5406线相关数据，计算#23塔的临界击距及临界电流。临界击距简化计算公式为[5]

图2 线路电气几何模型

式中：rk为发生绕击的临界击距；hd为导线平均悬挂高度；hb为避雷线平均悬挂高度；θ为杆塔的山坡倾角；α为边导线保护角。

临界电流采用美国电气电子工程学会（IEEE）1985推荐公式rk=8IK065，可得IK=63.45kA，式中：IK为发生绕击的临界电流值。

由此得出，如果雷电流幅值超过IK=63.45kA时，则不可能发生绕击。

1.2.2 杆塔绕击闪络校验

绕击时，导线上的电压随雷电流幅值的增加而增大，若产生的电压超过线路绝缘子的冲击闪络电压时，绝缘子将有可能发生闪络。

#23段线路最小绕击电流为[5]：

式中：Ζ为导线的波阻抗，取280Ω；U50%为绝缘子串的50%放电电压，其中#23塔绝缘子的U50%=2306.64kV。

因此，500kV天瓶5406线#23段线路最小绕击电流为16.476kA。

综合上述得知，发生绕击闪络的必要条件是：Imin≤Ia≤IK，即16.476kA≤Ia≤63.45kA，则杆塔就有可能发生绕击。

1.2.3 雷击杆塔耐雷水平校验

为了验证上述判断，现计算天瓶5406线＃23塔的反击耐雷水平。根据#23塔塔型，由镜像图（图3）可知：rb=7.5/1000m,d'13=70.39,d13=26.45,d'12=90.1,d12=15,d'23=68.39,d23=20.54

图3 双避雷线的镜像图

导线避雷线间的耦合作用产生的耦合系数K[6]：0

式中：rb为避雷线半径；d'13为线1与线3在地中的镜像距离；d13为线1与线3间的距离；d'12为线1与线2在地中的镜像距离；d12线1与线2间的距离；d'23线2与线3在地中的镜像距离；d23线2与线3间的距离。

故修正后的耦合系数为：

K=K0×K1=0.1964×1.28=0.251

则＃23塔的反击耐雷水平I23[6]：

式中：hd为导线平均悬挂高度；β为分流系数；Lgt为铁塔电感；Rch为杆塔的接地电阻。

由上述得知，Iα≥117.36kA时则会发生反击。

1.3 故障分析

根据#23杆塔地貌和线路接地电阻，经上述计算，当雷电流数值在16.5kA～63.5kA范围内则会发生绕击，当雷电流数值大于117.4kA时则会发生反击。雷电定位系统显示线路故障前后当地雷电流活动较为频繁，根据浙江省雷电定位系统线路雷电查询结果显示，#22－#24段落雷点密度较大，共有4个落雷满足线路发生绕击闪络条件，但没有达到线路杆塔或避雷线发生反击故障条件。故障杆塔接地电阻小，位于高山斜坡上，故障发生在线路边相A相，位于山坡外侧，具有较典型雷电绕击地貌特征，可判断天瓶5406线故障原因为雷电绕击A相导线引起的。

2 防雷措施分析

影响雷击跳闸的主要因素有地闪密度、雷电流幅值、线路保护角、线路绝缘水平、杆塔高度、杆塔接地电阻、地面倾角、地形地貌等。通过有效的防护措施来减小部分因素对线路雷击跳闸的影响是一种有效的防护手段。目前应用于超高压架空线路的雷电防护措施主要有以下几种：减小线路保护角；降低杆塔接地电阻；提高线路绝缘水平；加装保护间隙；架设耦合地线；架设旁路地线；安装避雷针；加装线路氧化锌避雷器。这些防雷保护措施各有特点，应根据天瓶5406线的雷害特征和防护策略选择有针对性的措施。

2.1 减小保护角

随着线路保护角的逐渐减小，线路的绕击率呈下降趋势，减小保护角是降低绕击跳闸率比较有效的方法。但是对于已建线路，改变线路保护角可行性较差，并且对于山区地面倾角较大的杆塔，由于受塔头设计的限制保护角不可能大幅度降低，应采取其它有效的绕击防护措施，对于天瓶5406线，其保护角已在5.5°以下，减小保护角技术经济性不高，故暂不考虑该项措施。

2.2 降低杆塔接地电阻

降低杆塔接地电阻是高压输电线路基本的防反击措施，降低杆塔接地电阻能降低雷击塔顶电位，提高线路的耐雷水平，有效地防止反击事故发生。降低杆塔接地电阻的措施有多种，如水平外延接地体、深埋式接地极、填充低阻物质、加装导电接地模块等[7]。对于天瓶5406线来说，首要解决的是绕击问题，故暂不考虑该项措施。

2.3 加强线路绝缘水平

提高线路绝缘水平也是增强线路耐雷水平的一种方法，通过提高线路的绝缘水平，可增加绝缘子的U50%放电电压，提高线路的耐雷水平。天瓶5406线已具有较高的绝缘水平，故暂不考虑该项措施。

2.4 加装保护间隙

保护间隙的作用主要是发生雷击时，保护间隙通过电弧闪络来保护绝缘子不受损坏，可以降低线路的雷击事故率。对于现有线路，安装并联间隙会短接部分绝缘子，从而造成线路绝缘水平降低，反而导致雷击跳闸率增大[8]。在华东电网雷击跳闸率较高的情况下，不宜简单大范围推广，故暂不考虑该项措施。

2.5 架设耦合地线

耦合地线的作用主要有两个：一是增大避雷线与导线之间的耦合系数，从而减少绝缘子串两端电压的反击和感应电压的分量；二是增大雷击塔顶时向相邻杆塔的分流作用，降低绝缘子承受的电压，提高线路耐雷水平。但是架设耦合地线需要验算杆塔强度，耦合地线对导线及地的距离；以及大风时，耦合地线和导线不同期摆动后的距离，且施工困难，受地形条件限制，增加线路运行电能损耗，还有可能需要砍伐树木，使得线路运行维护的工作量和难度会增大，其经济造价亦较高，故暂不考虑该项措施。

2.6 架设旁路地线

架设旁路地线可以增强对导线的屏蔽作用，具有一定的减少雷电绕击作用，但是需要另外架设杆塔和导线，经济造价很高，故暂不考虑该项措施。

2.7 安装塔头避雷针

通过在塔头安装可控放电避雷针，可有效提高杆塔的引雷能力，增强杆塔对其附近导线的雷电屏蔽能力，从而降低雷电绕击导线的概率，减小绕击跳闸率[9]，同时，由于能发生绕击的雷电流一般较小，接地电阻值控制在允许范围内时被吸引至杆塔时也不会产生反击闪络，不增加反击跳闸率。合理的安装方式和安装方法对可控放电避雷针的防护效果非常关键，同时一定要控制好杆塔接地电阻，对不合格杆塔应进行降阻改造，以确保可控放电避雷针发挥更好的防护效果。

2.8 安装线路氧化锌避雷器

为了减少线路的雷击事故，提高供电可靠性，在线路上安装氧化锌避雷器是减少线路雷击事故一种非常有效的方法。线路避雷器与绝缘子串并联安装，当雷电绕击线路或雷击杆塔在绝缘子串两端产生过电压超过避雷器动作电压时，避雷器可靠动作，利用阀片的非线性伏安特性，限制避雷器残压低于线路绝缘子串的闪络电压；雷电流经过避雷器泄放后，避雷器将工频续流及时截断，线路两端断路器不会跳闸，系统恢复到正常状态[10]。理论计算分析和实践都证明，将线路避雷器应用到线路雷电活动强烈或土壤电阻率高、降低接地电阻有困难的线段，可以较大地提高线路的耐雷水平，降低线路的雷击跳闸率，从而减少线路的非计划停电时间，提高供电可靠性。

3 结论

天瓶5406线所处地势较为复杂，档距较大，导致暴露弧较大，绕击跳闸概率上升，因此，防雷措施主要针对降低该线路绕击跳闸风险。通过上述计算和分析，本文建议以安装线路避雷器和可控放电避雷针作为主要防雷改造措施。其中，采用在塔头两侧安装两支可控放电避雷针的措施，增加杆塔负保护角，较少绕击概率。理论上安装防绕击避雷针的杆塔可以保护杆塔两侧各约150米范围免遭绕击，虽保护范围有一定限制，但防绕击避雷针安装较为方便，一般情况下线路带电时也可进行安装，只要设备与带电体的安全距离满足要求即可。另外，虽采用装避雷器措施需要将线路停电，费用高且日后运行维护工作量较大，但防雷效果明显，主要用于多次跳闸、大跨越、风险等级很高等杆塔的防护，具体安装相及数量参照杆塔处地形及杆塔各相绕击概率相对大小来确定。

根据防雷策略综合分析，需要合理选择上述两项重点防雷措施。由于天瓶5406线#23塔曾两次发生绕击故障，可以利用停电机会，建议安装线路避雷器，也可以在其它塔头安装避雷针。目前，华东电网有多条超高压输电线路进行了防雷的技术改造，解决线路的绕击问题，主要措施就是安装线路避雷器和可控放电避雷针，从而达到降低绕击跳闸概率，并取得了良好的实效。

[1]何金良, 曾嵘, 陈水明. 输电线路雷电防护技术研究(三): 防护措施[J].高电压技术, 2009, 35(12): 2917-2923.

[2]维列夏金, 吴维韩. 俄罗斯超高压和特高压输电线路防雷运行经验分析[J]. 高电压技术, 1998, 24(2): 76-79.

[3]Eriksson A J. The incidence of lightning strikes to power line[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1987, 2(3): 871-886.

[4]陈新岗, 袁涛, 陈渝光, 等. 线路型避雷器在输电线路防雷中的应用[J]. 高电压技术, 2003, 29(12): 17-19.

[5]张志劲,司马文霞,蒋兴良,等.超/特高压输电线路雷电绕击防护性能研究[J].中国电机工程学报, 2005,25(10):1-6.

[6]张殿生. 电力工程高压送电线路设计手册[Z]. 北京: 中国电力出版, 2003.

[7]DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S]. 北京: 中国电力出版社, 1997.

[8]王春杰, 祝令瑜, 汲胜昌, 等. 高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展[J]. 电瓷避雷器, 2010, 3(235): 35-46.

[9]李家源, 文习山. 可控放电避雷针的电场计算[J]. 电网技术, 2006(增刊): 136-137.

[10]弥璞. 目前线路避雷器存在问题的分析和一种新型线路避雷器的研究[J]. 电瓷避雷器, 2004(4): 21-24.