输电线路雷害事故分析及对策

2013-04-16十堰供电公司输电线路部路洪岐

电子世界 2013年1期

十堰供电公司输电线路部路洪岐

一、前言

输电线路绵延数十至数百公里，地处旷野，穿越平原、丘陵、大山区或跨越河流，杆塔大多处于高出地面十几米乃至几十米的制高点，暴露在旷野或高山中，所以易遭受雷击。雷击线路造成的跳闸事故在电网事故中占有很大比例，雷击成为电力系统安全运行的重要隐患。随着输电线路增多，雷击跳闸对安全运行的影响日益突出。因此，必须首先分析研究雷害的成因及对线路造成危害的过程，才能针对其成因采取有效的防雷保护措施，从而减少输电线路的雷害事故，提高电力系统运行的可靠性。

二、雷电形成及对输电线路的危害

1.雷电形成

地面的水在地表温度下蒸发为蒸汽，向上空升起，遇到高空冷气流时凝成水滴，一旦受到强烈气流吹袭便形成带有大量电荷的雷云，带电荷的雷云对大地感应出异号电荷，于是雷云和大地之间相当于形成了一个巨大的充电电容器，而电荷在雷云中的分布并不均匀，密集电荷中心附近的空气在高电场强度作用下先被电离，成为先导放电首段通道，电荷沿通道不断延伸，当最后一段空气也被电离时，先导放电通道便成了主放电通道，地面电荷随即沿放电通道进入云层，并和雷云中的电荷迅速中和，出现雷鸣和闪光。

2.雷击线路成因、分类及危害

(1)成因

由于输电线路杆塔处在高出地面的尖端，据雷电形成的过程，我们知道输电杆塔先于雷云形成主放电通道，大量的异号电荷在极短时间内中和，产生数百千安的电流(等效阻抗如图示)，雷电流流过杆塔入地，引起塔顶电位Utp升高，而Utp＝雷电流对杆塔电感产生的电位升高值＋雷电流对杆塔冲击接地电阻产生的电位升高值，如果塔顶电位与导线上的感应电位的差值，再考虑线路工频电压幅值的影响后，其值超过绝缘子的50%冲击闪络电压时，就会造成绝缘子串闪络放电，从而造成雷击跳闸事故。

(2)分类

雷击输电线路分反击和绕击两种。

反击：当避雷线遭受雷击时，若杆塔接地电阻过大将会在避雷线上引起很高电位，从而导致导线绝缘闪络，包括雷击塔顶和雷击避雷线两种情况。

绕击：雷云放电绕过避雷线而直接击中导线引起直击雷，此现象称之为绕击。

(3)危害

雷击线路多表现为整个绝缘子串闪络，轻者在绝缘子上留下闪络痕迹，降低绝缘子的运行电阻及电气性能，形成设备缺陷，重者造成绝缘子破碎，导致线路送电中断，严重者甚至引起吊串断线事故，大大影响线路安全运行。

三、防雷保护中的几个术语和概念

1.雷暴日

雷暴日是指一年中有雷电的天数。它能反映雷电活动的频率，是线路防雷设计主要依据，与地域差异有很大关系。如长江以北地区约20-40个雷暴日，而西北地区则多在20个雷暴日以下。

2.雷电流波形、幅值

雷电流波长大致在40us左右，波头长度大致在1-4us之间，平均在2.6us左右。因此，我国规程DL/T620-1997(以下简称规程)建议计算用波头取为2.6us，即认为雷电流的平均上升陡度为：=(KA/us)式中：IL-雷电流幅值，单位KA。

规程建议雷电流波头形状为：一般线路防雷设计中可取为斜角波，而在高塔设计时可取为余弦波，在波头范围内雷电流可表示为：iL=(1-coswt)。

雷电流幅值与气象及自然条件有关，是一个随机变量，只有通过大量实测才能正确估算其概率分布规律。规程建议采用：logP=式中：P-雷电流幅值超过IL的概率，IL-雷电流幅值。

3.地面落雷密度和输电线路落雷次数

地面落雷密度γ：表示每一雷暴日，每平方公里地面落雷次数，单位为次/Km.雷暴日，规程建议γ取0.07。

输电线路落雷次数：对于线路来说，高出地面有引雷作用，一般高度线路的等值受雷面宽度为（4h+b），也即等值于受雷面积为线路两侧的地带，线路愈高，则等值受雷面积愈大。若地面落雷密度γ取0.07，雷暴日T取40时，输电线路落雷次数：

N＝0.28(4h+b)式中：N-输电线路落雷次数，h-线路平均高度，b-两避雷线间距离。

4.击杆率（g）

击杆率是指雷击线路杆塔的次数与线路雷击总次数之比值，其大小与避雷线根数和地形有关。规程推荐击杆率如下表：

避雷线根数

地质 1 2平原 1/4 1/6山丘 1/3 1/4

5.绕击率（Pθ）

绕击率指雷电绕过避雷线击于导线的概率，与避雷线对导线的保护角、杆塔高度以及线路经过地区的地形、地貌、地质条件有关。规程给出经验公式：

平原线路 lg Pθ=-3.9

山区线路 lg Pθ′=-3.35

式中：Pθ、Pθ′-绕击率θ-避雷线对外侧导线的保护角

h-避雷线平均高度

由上二式可以看出，山区线路的绕击率约为平原线路的3倍。

6.耐雷水平

雷击线路时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值，叫做耐雷水平。它是判断输电线路耐雷性能的一个重要依据。耐雷水平愈高，意味着线路防雷措施愈完善，绝缘子串遭受雷电过电压发生闪络的概率愈小。规程规定，对于500kV线路一般段应取125-175kA，而大跨越档及发电厂、变电站进出线段应不低于175kA。

7.建弧率(η)

绝缘子串和空气间隙在雷电冲击闪络之后，转变为稳定的工频电弧的概率，与沿绝缘子串和空气间隙的平均运行电压梯度有关，也和游离条件有关。规程建议按下式计算：

η＝(4.5E0.75－14)×10-2

式中：η-建弧率

E-绝缘子串的平均运行电压梯度有效值(kV/m)

在雷电过电压冲击下，绝缘子串发生冲击闪络，但持续时间很短(100us左右)，继电保护来不及动作，所以不会引起跳闸，只有当冲击闪络火花转变为稳定工频电弧，才会引起线路开关跳闸，因此，输电线路的雷击跳闸次数不仅与耐雷水平有关，还与建弧率有关。

8.雷击跳闸率

前面提到只有当雷电流幅值超过线路耐雷水平引起绝缘冲击闪络且建立起稳定工频电弧时，线路才会跳闸停电。雷击线路分反击和绕击。

反击跳闸率计算公式：

n1＝0.28(4h＋b)gηP1

式中：n1-反击跳闸率，h-避雷线平均高度，b-两避雷线间距离，g-击杆率，η-建弧率，P1-雷电流大于反击耐雷水平I1的概率

绕击雷击跳闸率计算公式：

n2=0.28(4h+b)PθηP2

式中：n2-绕击跳闸率，Pθ-绕击率

P2-雷电流大于绕击电流I2的概率

h、b、η意义同上。

线路雷击跳闸率计算公式：

n＝n1+n2＝0.28η(4h+b)(g P1+PθP2)

四、线路防雷的主要工作

线路防雷的主要工作是采用技术经济性能优化措施，将雷害事故减小到可以接受的程度，以保证供电的可靠性与经济性。根据前面的分析，我们已经知道雷电活动规律及线路最终发生雷击跳闸的几个条件，因此，我们可以着手从以下四个方面做好输电线路的防雷工作。

第一，保护导线不受或少受雷直击，一般根据输电线路电压等级的不同沿全线架设避雷线。

第二，雷击塔顶或避雷线时不使或少使绝缘发生闪络，为此，需改善杆塔的接地电阻以及适当提高绝缘水平等。

第三，当绝缘子发生冲击闪络时，尽量降低建弧率，从而减少雷击跳闸次数，为此，应减少绝缘上的工频电场强度或电网中性点采用不直接接地的方式以及加装消弧器等。

第四，即使跳闸也不中断电力供应，可采用双回路供电或采用自动重合闸装置。

五、防雷措施

在确定输电线路的防雷方式时，必须全面考虑线路的重要程度、系统运行方式、线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌特征、土壤电阻率的高低等条件，并应结合已有线路的运行经验，进行全面的技术经济比较，从而确定出合理的保护措施。

输电线路的防雷工作是一个系统工程，首先勘测设计单位在线路走向选取时尽量避开雷暴走廊、土壤电阻率突变区等雷电易击区，经分析计算结合现场实际采取有效防雷设计是一项根本措施。施工单位严格操作工艺，则是贯彻设计意图的重要一环。线路投运后，维护单位应根据现场实际，通过分析比较雷电活动规律、线路雷击跳闸特性等，寻找有效可行的防雷改进措施。下面从运行维护角度着重阐述输电线路综合防雷措施。

1.降低杆塔接地电阻值

杆塔的接地电阻值是影响线路反击耐雷水平的一个重要参数。从前面的分析我们知道，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平防止反击的有效措施。不同的接地电阻值对线路杆塔的耐雷水平影响是较大的。按照规程标准，不同的接地电阻对耐雷水平的影响详见下表。

DL/T620规程标准塔的耐雷水平（kKA)

相对DL/T620规程标准冲击接地电阻7Ω耐雷水平下降的百分数

由上表可见，降低接地电阻对提高线路耐雷水平的重要性，是降低反击跳闸率的一项基础工作。运行维护单位通常采用以下几个方面的措施来降低杆塔接地电阻。

(1)更换锈蚀严重的接地网

根据前面对输电线路的危害一节我们易知：对于一般高度的杆塔，杆塔冲击接地电阻往往对塔顶电位升高起很大作用，而在山区或不良土壤地区，冲击接地电阻可达20～30Ω，此时起决定性作用。只有在高塔尤其过江特高塔时，杆塔电感才对塔顶电位升高起决定性作用。所以要减少线路反击跳闸率。必须定期挖开地网进行锈蚀情况检查，土壤腐蚀变化情况检查。对以下几种情况需考虑改造更换：

a)接地电阻测量值大于设计规定值；

b)接地网锈蚀严重，被腐蚀后其导体截面低于原值的80%；

c)接地网周围地形地貌等发生不良变化，原设计接地型式无法满足接地电阻值运行要求；

这里必须强调，更换接地网或新线路设计时应适当提高接地网截面尺寸，预留一定余度，未雨绸缪，达到提高耐雷水平，降低雷击跳闸率的目的。如500kV凤磁I、II回π进π出磁湖变段，接地引线采用φ10的圆钢，其截面尺寸低于φ12的规定要求，且接地引线未镀锌，不符合相关要求，采取了将φ10未镀锌的圆钢更换为φ12镀锌圆钢的措施后，满足了运行要求。

(2)使用降阻剂，有效降低高土壤电阻率地段杆塔接地电阻

线路经过山区地段时，地质多以岩石为主，土壤电阻率很高，大都在2000Ω.m以上，甚至高达8000Ω.m～10000Ω.m，接地网埋设后无法满足设计运行要求，为改善土壤电阻率高的杆塔接地电阻，需要敷设降阻剂，有效降低杆塔电阻。降阻剂应选择电阻率低、性能稳定、无腐蚀性、降阻性能好、防腐能力强的降阻剂。500kV凤梦线沿线山地及高山大龄较多，土壤电阻率很高，设计对土壤电阻率超过2000Ω.m的塔基接地电阻敷设了CFJ－1长效防腐接地降阻剂，施工单位按设计要求施工完毕后经检测接地电阻均满足了运行要求，达到了降低接地电阻提高耐雷水平的目的。

注：降阻剂的敷设要求

a)降阻剂必须包裹住降阻剂，使接地线被包裹在中间，按100×300的截面要求灌注并捣实，初凝后取下模具，回填细土或细沙土后夯实；

b)包裹用量一般每米不少于10～25公斤；

c)施工顺序一般由射线末尾向杆塔方向埋设；

2.确保接地装置的接地效果

防雷接地的主要目的，是为了让强大的雷电流安全导入地中（地线）以减少雷电流流过时引起的电位升高。而雷击杆塔时，一部分雷电流通过架空避雷线流到相邻杆塔，另一部分雷电流经杆塔流入大地。所以确保接地装置的接地效果，是一项防护线路设备安全，提高线路雷击跳闸重合成功率，提高线路安全供电可靠性的防雷工作。

(1)接地装置必须连接牢靠，保障雷电流的正常畅通。

接地装置的连接包括架空避雷线与杆塔(地线间隙件)的连接、杆塔(引下线)与地网的连接、接地引线与接地网的连接（焊接）、接地射线与接地网架的连接。

对于500kV线路，架空避雷线通过地线间隙件(间隙一般为25±2mm)与杆塔连接，正常运行状态下间隙件保持绝缘，降低电能损失，当雷电流作用其上达到一定程度时，间隙被击穿，起到泄漏电流的作用。接地引线一头用φ16的可拆卸式螺栓与杆塔主材相连（两根或四根），另一头与接地网焊接（焊接长度不少于65mm且两面焊平），接地网其余连接部分均采用焊接。

为了保证接地装置的连接可靠，必须按《运规》规定定期测量接地电阻值并开挖检查地网连接情况，抽查地线间隙件是否有松动、间隙不符合要求等情况。我公司规定每年雷雨季节前，用测量每基杆塔接地，凡有疑问的挖开接地网检查。另外，我公司每两年针对线路具体情况开挖抽查部分接地网连接、锈蚀等情况。对于检查中发现的问题，及时采取措施处理。如500kV磁南线38＃接地引线被当地人锯断，我公司发现此缺陷后及时进行了处理，消除了隐患。

(2)接地装置力求好的接地效果

地网的接地效果，主要要达到接地体的冲击系数小于1的程度。接地体的冲击系数，即系接地体的工频接地电阻与接地体的冲击接地电阻之比值。在高频雷电流的作用下，杆塔的接地电阻实际上是呈现为冲击接地电阻值。而高频的雷电流使到接地体本身的电感呈现较大的阻碍雷电流流通的作用，这一效应将使伸长接地体（其电感较大）在雷电流作用下呈现较大的冲击电阻值。而另一方面，雷电流的幅值很大（数十千安），接地体的电位很高，其周围土壤中的电场强度将大大超过土壤（不均匀介质）的耐压强度（一般在8.5×103V/cm左右），所以会产生强烈的火花放电。这一效应将使接地体的冲击接地电阻比工频接地电阻大大减少。由于雷电流对接地体有上述作用，要使接地装置得到较好的接地效果，就必须保障接地体的冲击系数小于1。不管对新建的杆塔的地网敷设，还是运行中更换的杆塔地网的敷设，其敷设深度一定要达到规程的规定值。对放射形接地极每根的最大长度，不得超过规程标准的规定。详见下表。放射形接地极每根的最大长度

土壤电阻率(Ω.m) ≤500 ≤1000 ≤2000 ≤5000最大长度(m) 40 60 80 100

3.根据线路实际适当增加接地点

在线路设计阶段，设计单位根据线路经过地区的地质、地形、雷电活动规律等情况，沿线选择了接地点。但线路投运后，正常状态运行时会出现地线保护间隙火花放电现象及易出现雷击跳闸等现象，这很有可能是因为接地点设计欠缺合理性造成的。因此需要考虑现场实际后适当增加接地点（接地点增加不可过多，以免造成多的电能损失），一般以实现电流正常泄漏、达到保护线路正常运行的目的。如500kV龙斗I回线路53＃～64＃耐张段，在线路投运后频繁出现火花间隙放电现象，后于2003年12月进行了更换并重新调整了间隙距离（原间隙20±2mm调整为25±2mm），在58＃增加了接地点，改造后消除了火花间隙放电缺陷，确保了线路正常运行。再如500kV斗孝II回线路大跨越段，设计增加接地点后收到了预期效果。