不同电压等级架空输电线路雷电防护特征分析

陈维江，谢施君，刘楠，贺恒鑫，边凯，沈海滨(.国家电网公司，北京市000;.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉市007; .中国电力科学研究院，北京市009;.国网北京市电力公司，北京市000)

不同电压等级架空输电线路雷电防护特征分析

陈维江1，谢施君2，刘楠1，贺恒鑫3，边凯4，沈海滨3
(1.国家电网公司，北京市100031;2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉市430074; 3.中国电力科学研究院，北京市100192;4.国网北京市电力公司，北京市100031)

对不同电压等级架空输电线路的雷电防护特征进行比较分析，可为提出输电线路的雷电防护策略提供参考。以我国110 kV至1 000 kV交流输电线路以及±500 kV至±800 kV直流输电线路为分析对象，对其绕击特征和反击特征进行了分析，并提出了不同电压等级输电线路雷电防护重点。110 kV和220 kV交流输电线路应重点关注反击问题;500 kV和750 kV交流输电线路应重点关注在高接地电阻地区的反击问题和山区的绕击问题;1 000 kV交流输电线路的反击闪络率极低，可考虑采用杆塔自然接地以降低建设成本，同时需关注山区的边相导线绕击问题;±500 kV、±660 kV和±800 kV直流输电线路应主要关注在山区的绕击闪络问题。

架空输电线路;电压等级;雷电防护;反击;绕击;接地电阻;保护角;地形

0 引言

在我国，雷击引发的架空输电线路跳闸次数占线路总跳闸次数的40%～60%，其雷电防护仍然是电力系统十分关注的问题。

架空输电线路的耐雷性能与其结构参数、绝缘配置及所处地理环境密切相关，且雷击线路属于小概率事件，因此，其雷电防护应基于电压等级、地形地貌、雷电活动等情况差异，综合考虑技术经济因素，辩证施治。但是，在现行的雷电防护设计中［1-2］，仍存在措施实施一刀切、片面追求单一效果等做法，致使有些线路防雷改造费用投入过高，收效不大。本文针对不同电压等级架空输电线路的结构特点，分析其雷电耐受特性，重点提炼出差异化特征，不仅为制定不同电压等级架空输电线路的雷电防护策略提供参考，亦有助于电力工作者建立科学合理的雷电防护理念。

本文以我国110 kV至1 000 kV交流输电线路及±500 kV至±800 kV直流输电线路为分析对象，采用电磁暂态分析程序对考虑杆塔接地电阻变化的输电线路反击特征进行分析，采用电气几何模型和先导发展模型对考虑避雷线保护角和地形变化的输电线路绕击特征进行分析。基于不同电压等级输电线路的雷电防护特征，提出差异化防护方法。

1 分析对象及计算方法

1.1 分析对象

本文分别取110 kV、220 kV、500 kV、750 kV、1 000 kV这5个电压等级的交流架空输电线路，以及±500 kV、±660 kV、±800 kV这3个电压等级的直流架空输电线路作为分析对象。交直流架空输电线路的典型杆塔结构如图1所示。其中Ht为避雷线悬挂点距地高度;Hc为边相导线距地高度;Lg为避雷线悬挂点与杆塔中轴线的距离;Lc为边相导线与杆塔中轴线的距离;Li为线路绝缘子串的干弧距离。架空输电线路结构参数的具体取值如表1所示。

架空输电线路的雷电防护特征包括反击特征和绕击特征。本文分析的架空输电线路反击特征包括反击耐雷水平和反击闪络率/跳闸率;绕击特征包括绕击耐雷水平、最大绕击电流和绕击闪络率/跳闸率。在分析反击特征时，考虑了不同杆塔接地电阻的影响;在分析绕击特征时，考虑了不同保护角及地形的影响。

1.2 计算方法

本文采用电磁暂态计算程序(electro-magnetic transient program，EMTP)对架空输电线路的反击特征进行计算分析。计算中，杆塔采用分段多波阻抗模型［3］，并考虑冲击接地电阻的非线性特性，采用先导法作为绝缘子闪络判据。

架空输电线路的绕击特征分析模型主要有电气几何模型(electrical geometricmodel，EGM)［4-6］和先导发展模型(leader progression model，LPM)［7-9］这2种。其中，EGM模型未考虑下行先导趋近过程中地面目的物产生的迎面先导的影响，仅适用于小尺度架空输电线路绕击特征的计算，其计算结果能够与500 kV及以下电压等级的架空输电线路运行经验吻合。LPM模型可以考虑输电线路起始的迎面先导以及导线工作电压的影响，适用于大尺度架空输电线路以及直流架空输电线路的绕击特征分析。因此，本文采用EGM模型分析110 kV至500 kV电压等级的交流架空输电线路绕击特征;采用文献［10］中建立的LPM模型分析750 kV和1 000 kV电压等级的交流架空输电线路以及±500 kV、±660 kV、±800 kV直流架空输电线路的绕击特征。

由于本文重点在于不同电压等级输电线路的雷电防护特征的比较分析，雷电活动的差异不作考虑，计算中雷电参数采用DL/T 620—1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》规程的推荐值:雷电日Td=40，雷电流采用三角波，波形为2.6/50μs，雷电流幅值累积概率分布满足:

式中:I为雷电流幅值，kA;P为雷电流幅值超过I的概率。

2 输电线路反击特征分析

反击耐雷水平和反击闪络率是表征架空输电线路反击特征的主要参数，受杆塔结构、绝缘水平、杆塔接地电阻、导线工作电压等因素影响。

2.1 交流输电线路反击特征分析

对于交流输电线路，导线电压是周期变化的。由于其反击耐雷水平与导线电压有关，故本文所述的交流输电线路反击耐雷水平与反击闪络率均为其在一个周期内的平均值。对杆塔接地电阻取值分别为7，10，15，20，30Ω时，不同电压等级交流架空输电线路的反击耐雷水平和反击闪络率进行了计算，计算结果如图2和表2所示。

计算结果表明，对于同一电压等级的架空输电线路，随着杆塔接地电阻阻值的增加，反击耐雷水平显著降低，反击闪络率显著增加;在杆塔接地电阻阻值相同的情况下，随着电压等级的增加，由于架空输电线路绝缘水平不断提高，其反击耐雷水平也逐渐增加，反击闪络率逐渐降低;当1 000 kV架空输电线路接地电阻小于30Ω、750 kV架空输电线路接地电阻小于20Ω、500 kV架空输电线路接地电阻小于10Ω时，线路的反击闪络率较低，因此在土壤电阻率不大的平原地区，超特高压交流线路无需特别关注其反击跳闸防护问题。2.2直流输电线路反击特征分析

雷击避雷线或杆塔后，一般以绝缘子串两端的电压判断输电线路是否发生反击闪络。直流输电线路在运行时，导线带有直流工作电压，该工作电压直接影响反击计算时的绝缘子串两端电压。由于90%以上的地闪均为负极性，雷击避雷线或杆塔时，在绝缘子杆塔横担挂点处产生负极性电压，悬挂正极性导线绝缘子两端的电压值大于悬挂负极性导线绝缘子两端的电压值，故直流输电线路的反击闪络通常发生在正极性导线侧。本文对杆塔接地电阻分别为7，10，15，20和30Ω时，不同电压等级直流架空输电线路正极性导线侧的反击耐雷水平和反击闪络率进行了计算，计算结果如图3和表3所示。

计算结果表明，当杆塔接地电阻阻值低于30Ω时，±500 kV、±660 kV和±800 kV直流输电线路正极性导线侧的反击耐雷水平均高于150 kA。由式(1)计算得到雷电流幅值大于150 kA的雷电流幅值累积概率PI＞150kA=1.97%，可见直流输电线路遭受雷击发生反击闪络的概率较小。具体到反击闪络率，当杆塔接地电阻阻值小于30Ω时，±500 kV直流输电线路的反击闪络率小于0.141次/(100 km·a); ±660 kV直流输电线路的反击闪络率小于0.049次/(100 km·a);±800 kV直流输电线路的反击闪络率小于0.042次/(100 km·a)，均处于较低水平。直流输电线路的绝缘水平较高，不易发生反击闪络。

3 输电线路绕击特征分析

输电线路绕击耐雷水平和最大绕击电流是描述其绕击特征的重要参数，输电线路绕击闪络率是表征其绕击特征的综合指标。其中，绕击耐雷水平与绝缘子长度及导线电压有关;最大绕击电流主要受线路结构、地形地貌特征及导线电压的影响。

3.1 交流输电线路绕击特征分析

由于绕击耐雷水平与导线电压有关，本文所述的交流输电线路绕击耐雷水平和绕击闪络率均为其在一个周期内的平均值。绕击耐雷水平计算结果如图4所示，随着交流输电线路电压等级从110 kV升至1 000 kV，其绕击耐雷水平从2.65 kA增大至31.31 kA。

交流输电线路的最大绕击电流和绕击闪络率与其线路结构、导线电压及其所处地区的地形地貌特征有关。本文对线路保护角在-10°至25°范围内变化，地面倾斜角分别为0°(平原)和20°(山坡)条件下的交流输电线路最大绕击电流和绕击闪络率进行了计算。

3.1.1 地面倾斜角为0°

在地面倾斜角为0°的情况下，不同电压等级交流输电线路的最大绕击电流如图5所示，绕击闪络率如表4所示。在线路保护角相同的情况下，随着输电线路电压等级的增加，杆塔高度增加，最大绕击电流幅值也随之增加;对于相同电压等级的交流输电线路，减小保护角可以显著降低最大绕击电流幅值及绕击闪络率。

根据表4的计算结果，在平原地区(地面倾斜角为0°)，对于110 kV和220 kV交流输电线路，当线路保护角在5°至25°范围内变化时，最大绕击闪络率分别为0.038和0.078次/(100 km·a);对于500，750及1 000 kV交流输电线路，当线路保护角在-10°至15°范围内变化时，最大绕击闪络率分别为0.000 4、0.007和0.010 6次/(100 km·a)，均处于较低水平。

3.1.2 地面倾斜角为20°

在地面倾斜角为20°的情况下，不同电压等级交流输电线路的最大绕击电流如图6所示，绕击闪络率如表5所示。最大绕击电流和绕击闪络率随保护角的变化趋势与平原条件下的类似。对于110 kV和220 kV交流输电线路，当线路保护角为25°时，其最大绕击电流分别为21.97 kA和81.97 kA;对于500，750和1000 kV交流输电线路，当线路保护角为15°时，其最大绕击电流分别为44.69，76.44和122 kA，上述最大绕击电流值均显著高于平原地区的相应值。由于地形的影响，大地对输电线路下边坡边相导线的屏蔽作用减弱，边相导线的暴露空间扩大，使得最大绕击电流增加，并导致处于山区的交流输电线路的绕击闪络率显著高于平原地区。

对于110 kV交流输电线路，当线路保护角在5°至25°范围内变化时，其最大绕击闪络率为0.239次/ (100 km·a)，仍处于较低水平。对于地处山区的500 kV和1 000 kV交流输电线路，当其线路保护角分别大于10°和0°时，仅其绕击闪络率就已高于表6中的允许值，需关注其山区的绕击防护水平。

3.2 直流输电线路绕击特征分析

在计算直流输电线路绕击耐雷水平、最大绕击电流及绕击闪络率时，均考虑了导线电压极性和导线工作电压的影响。本文对不同电压等级直流输电线路的正极性导线侧和负极性导线侧的绕击耐雷水平进行了计算，计算结果如图7所示。对直流输电线路的某一极性导线，随着电压等级的升高，其绕击耐雷水平也逐渐增加;由于计算中仅考虑负极性雷电，故同一电压等级下，正极性导线侧的绕击耐雷水平高于负极性导线侧。

直流输电线路的最大绕击电流和绕击闪络率与其结构参数、导线电压及其所处地区的地形地貌特征有关。本文对线路保护角在-10°至15°范围内变化，地面倾斜角分别为0°(平原)和20°(山坡)条件下的直流输电线路正极性导线侧和负极性导线侧的最大绕击电流和绕击闪络率进行了计算。

3.2.1 地面倾斜角为0°

在地面倾斜角为0°的条件下，直流输电线路正极性导线侧和负极性导线侧的最大绕击电流计算结果如图8所示。直流输电线路的最大绕击电流随着保护角及输电线路电压等级的增加而增大，且正极性导线侧的最大绕击电流显著高于负极性导线侧的最大绕击电流。当直流输电线路保护角小于15°时，其最大绕击电流均低于直流输电线路的绕击耐雷水平，因此，平原地区的直流输电线路不易由绕击导致闪络。

3.2.2 地面倾斜角为20°

在地面倾斜角为20°时，直流输电线路正极性导线侧和负极性导线侧的最大绕击电流计算结果如图9所示。最大绕击电流显著大于地面倾斜角为0°时的情况。当线路保护角为15°时，直流输电线路的最大绕击电流均大于其绕击耐雷水平。

当保护角在-15°至15°范围内变化时的直流输电线路绕击闪络率计算结果如表7所示。正极性导线侧的绕击闪络率显著高于负极性导线侧的绕击闪络率。

4 输电线路雷电防护措施

根据前2节的分析结果，不同电压等级架空输电线路的雷电反击特征和雷电绕击特征存在较大差异。因此，建立差异化的防雷思想［11-12］，结合输电线路的雷电防护特征，提出合理的雷电防护措施，在技术上和经济上都是有意义的。

110 kV和220 kV交流输电线路的反击耐雷水平低、反击闪络率高，而平原和山区的绕击闪络率均较低，故针对110 kV和220 kV交流输电线路，应主要关注其反击特征。根据表2的计算结果，通过降低接地电阻可以较好地抑制反击闪络率。若仅考虑反击闪络，为保证110 kV和220 kV输电线路跳闸率低于表6所示的允许值，需要将杆塔的接地做好，工频电阻值低于10～15Ω。然而，对于部分途经高土壤电阻率地区的110 kV和220 kV输电线路，改造降低杆塔接地电阻花费较大，且效果并不理想，可考虑结合雷电活动强烈程度适当加装线路避雷器;为了减少雷击引发绝缘子损坏，可考虑适当加强绝缘，并装设绝缘子串并联间隙。

500 kV和750 kV交流输电线路的反击耐雷水平较高、反击闪络率较低，一般情况下，杆塔的接地可采用基础的自然接地，在高土壤电阻率地区，采用辅助接地体，适当降低阻值。500 kV和750 kV交流输电线路的雷电防护应主要关注山区线路的绕击问题，特别是山区的下边坡侧，由于边相导线暴露区域较大，较易遭受绕击。根据表5的计算结果，对于地处山区的输电线路，通过减小保护角的方式，可以显著降低其绕击闪络率，故对于500 kV和750 kV交流输电线路应适当减小其下边坡侧的边相导线保护角，从而提高其雷电防护水平。

1 000 kV交流输电线路的绝缘水平较高，即便杆塔接地电阻数值较大，其反击耐雷水平仍显著高于其他电压等级。同时，其杆塔基础根开大于15 m、地下深桩钢筋结构庞大，杆塔基础接地阻值已能够满足其限制反击闪络率的要求，故1 000 kV线路杆塔接地采用自然接地即可。1 000 kV交流输电线路仍然面临途经山区时的绕击问题，对于绕击防护的薄弱区域和绕击防护的重点区域(如变电站进线段)，可采用架设多根避雷线并减小保护角的方法。

±500 kV、±660 kV和±800 kV直流输电线路反击耐雷水平高，反击闪络率较低，线路杆塔接地可采用自然接地。同时，平原地区的直流输电线路也不易发生绕击闪络，仅需关注山区下边坡侧导线、尤其是正极性导线侧的绕击闪络问题，建议在山区采用减小避雷线保护角以降低绕击闪络率。

5 结论

(1)受电压等级、避雷线保护角和地形地貌等因素影响，架空输电线路的反、绕击特征呈现明显的差异性。在开展输电线路的防雷工作时，应树立因地制宜的差异化防雷思想，针对架空输电线路的雷电防护特征，制定合理的雷电防护措施，以达到技术性和经济性的最优化。

(2)110 kV和220 kV交流输电线路应重点关注反击问题。通过降低杆塔接地电阻可以较好地抑制反击闪络率，但对于高土壤电阻率地区接地改造成本较高，可采用合理安装线路避雷器、加强绝缘并安装并联间隙的综合防护措施。

(3)500 kV和750 kV交流输电线路应重点关注在高接地电阻地区的反击问题以及山区特别是山区下边坡侧导线的绕击问题。一般情况下杆塔可采用自然接地，在高土壤电阻率地区可设置辅助接地体适当降低阻值。减小避雷线保护角可以显著降低其绕击闪络率。

(4)1 000 kV交流输电线路的反击闪络率极低，可考虑采用杆塔自然接地以降低建设成本，同样需关注山区的边相导线绕击问题，对于防护的薄弱区域和重点区域(如变电站进线段)，可采用架设多根避雷线并减小保护角的防护措施。

(5)±500 kV、±660 kV和±800 kV直流输电线路反击闪络率较低，杆塔可采用自然接地，应主要关注山区下边坡侧导线、特别是正极性导线的绕击闪络问题，可采用减小避雷线保护角的防护措施。

［1］DL/T 5092—1999 110 kV～500 kV架空送电线路设计规范［S］.北京:中国电力出版社，1999.

［2］1 000 kV交流架空输电线路设计暂行技术规定［S］.北京:国家电网公司，2008.

［3］Ishii M，Kawamura T.Multistory transmission tower model for lightning surge analysis［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1991，6(3):1327-1336.

［4］Armstrong H R，Whitehead E R.Field and analytical studies of transm ission line shielding［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1968，Pas-87(1):270-279.

［5］Eriksson A J.An improved electrogeometric model for transm ission line shielding analysis［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1987，2(2):871-886.

［6］Eriksson A J.The incidence of lightning strikes to power lines［J］. IEEE Transactions on Power Delivery，1987，PWRD-2(3): 859-870.

［7］Rizk F A M.Modeling of transm ission line exposure to direct lighting strokes［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1990，5 (4):1983-1997.

［8］Dellera L，Garbagnati E.Lightning strike simulation by means of the leader progression model.Part I:Description of the model and evaluation of free-standing structures［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1990，5(4):2009-2022.

［9］Dellera L，Garbagnati E.Lightning strike simulation by means of the leader progression model.Part II:Exposure and shielding failure evaluation of overhead lines With assessment of application graphs［J］.IEEE Transactions on Delivery，1990，5(4):2023-2029.

［10］贺恒鑫，何俊佳，钱冠军，等.特高压交流输电线路的雷电屏蔽分析模型［J］.高电压技术，2010，36(1):196-204.

［11］陈家宏，吕军，钱之银，等.输电线路差异化防雷技术与策略［J］.高电压技术，2009，35(12):2891-2902.

［12］谷山强，陈家宏，陈维江，等.输电线路防雷性能时空差异化评估方法［J］.高电压技术，2009，35(2):294-298.

(编辑:张媛媛)

Lightning Protection Characteristics of Overhead Transm ission Lines With Different Voltage Grades

CHEN Weijiang1，XIE Shijun2，LIU Nan1，HE Hengxin3，BIAN Kai4，SHEN Haibin3
(1.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China;2.College of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei Province，China; 3.China Electric Power Research Institution，Beijing 100192，China; 4.State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 100031，China)

Contrastive analysis on lightning protection characteristics of overhead transm ission line can be the reference for the lightning protection strategy of transm ission line.Taking 110 kV to 1 000 kV AC transm ission lines and±500 kV to ±800 kV DC transm ission lines in China as analysis object，the characteristics of back striking and shielding failure were analyzed，and the lightning protection keys for overhead transm ission linesw ith different voltage gradeswere proposed.For the 110 kV and 220 kV AC transm ission lines，back striking should be focused on.For the 500 kV and 750 kV AC transm ission lines，back striking should be focused on in the areaw ith high grounding resistance and shielding failure should be noticed in mountain area.For the 1 000 kV AC transm ission lines，due to the low flashover rate of back striking，the construction cost could be reduced by applying the natural grounding body of the tower，and it also should focus on the shielding failure of side conductors in mountain area.For±500 kV，±660 kV and±800 kV DC transm ission lines，the shielding failure flashover in mountain area should be focused on.

overhead transm ission line;voltage grade;lightning protection;back striking;shielding failure;grounding resistance;protection angle;terrain

TM 86

A

1000－7229(2014)11－0085－07

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.014

2014-08-11

2014-09-21

陈维江(1958)，男，教授级高工，博士生导师，主要从事电力系统防雷、过电压与绝缘配合、电磁环境和特高压建设等方面的研究工作;

谢施君(1984)，男，博士，主要从事电力系统防雷、过电压与绝缘配合等方面的研究工作;

刘楠(1984)，男，硕士，主要从事特高压系统分析、工程建设管理方面的研究工作;

贺恒鑫(1982)，男，博士，主要从事电力系统防雷、过电压与绝缘配合、长空气间隙放电等方面的研究工作;

边凯(1983)，男，博士，主要从事配电网和电气化铁路牵引供电系统防雷等方面的研究工作;

沈海滨(1976)，男，硕士，主要从事电力系统防雷、过电压绝缘配合等方面的研究工作。