杆塔雷击跳闸原因分析及预防

张晓东，朱明伟，张希蔚

(1. 海南电力设计研究院，海南 海口 571100；2. 中南大学，湖南 长沙 410012)

高压架空输电线路多处野外、崇山峻岭之中，运行条件恶劣。220 kV及以上电压等级的输电线路绵延几十万公里，覆盖了广袤国土面积，不可避免经过高土壤电阻率、多雷区以及地形复杂地区。在山区沿山脊、山坡迎风面、山腰走线的线路杆塔容易遭受雷击，如果杆塔较高、防雷保护角较大，处在较陡边坡杆塔外侧迎风面导线在杆塔附近更易遭受雷击。有的杆塔经过降低接地电阻以后，雷击跳闸仍然没有得到改善；甚至有些杆塔加装线路避雷器后，本基杆塔不再跳闸，却导致相邻杆塔跳闸。

1 绕击和反击

在110kV及以上输电线路雷击跳闸不外乎反击和绕击，现在就根据这两大问题具体分析成因找到解决的办法。

1.1 反击

(1)例：220 kV双避雷线线路，正极性U50%=1410 kV，杆塔冲击接地电阻分别Rch=7Ω,，Rch=15Ω，避雷线和导线的弧垂为7 m和12 m，杆塔处在不同的山坡，θ =0°，20°，30°，35°，45°，55°。杆塔头部尺寸见图1。

图1 杆塔头部尺寸

当杆塔处在山坡时，倾角θ =30°，以地线2作垂线与地面 交点作水平线，则：ΔH/S=tgθ则ΔH= tgθ×S=7.7m

各计算结果见表1～图3。

表1 计算过程

续表1

表2 冲击接地电阻7Ω

表3 冲击接地电阻15Ω

依据雷击杆塔时的耐雷水平公式：

(2)在双回路某相导线绝缘被击穿后，可能导致其它回路任意相导线的反击，这种情况只是相当于三根地线对任意导线的耦合系数问题，其他参数不变。

图2 双回路导线耦合系数示意图

这个计算在输电线路采用不平衡绝缘方式防雷设计中有重要的价值，耦合系数的公式：

式中：Z11，Z22，Z12，Z13为自波阻抗和互波阻抗，按式(3)、(4)计算。

线i的自波阻抗Zii(Ω)，计算公式为：

式中：ri为线i的半径(m)；hi为线i的平均高度(m)。线i与线j的互波阻抗Zij(Ω)，计算公式为：

式中：dij为线i与线j间的距离(平均距离，下同)；dij'为线i和j的镜像的距离。

(3)在山坡耦合系数随着坡度的增加而增大，理论计算的耐雷水平却减小。

雷电流流动特性，一般会像水一样沿节点数少、电阻小的地方流动，从大量的雷击现场可以看到以迎风面边导线被绕击后，雷电流会沿外侧两塔腿主材向下流动入地，几乎不会从内侧两腿流入大地,这样就会使雷电流在铁塔的塔身上流过较长的距离，电感加大，尽管在山坡导地线的耦合系数随着坡度的增加而增大，但是理论计算的耐雷水平却降低。

(4) 提高反击耐雷水平的经济技术合理的措施：

①降低接地电阻,理论上讲，提高耐雷水平，最方便最经济的就是降低接地电阻。在高土壤电阻率地区，当接地电阻降低到一定程度，如果想继续往下降尽管花很大成本也难显著降低接地电阻，性价比不合理。

②减小杆塔电感，提高耐雷水平。在雷击铁塔两侧将地线用两导体并联，用特制夹具将铝排与铁塔主材连接，在铁塔内侧用专用的接地铝排接地，在高塔防雷设计中占有很重要的位置。

③架设耦合地线，增大耦合系数，提高耐雷水平，但在台风防止混线、重冰区防止融冰时电线跳跃需要仔细规划。

④在计算反击时。分流系数的取值是很重要的，如果相邻档距杆塔高度相差很大，档距较大应该具体计算，计算方法见文献[2]，不可以采用规程值。

1.2 绕击

1.2.1 绕击成因分析

绕击是针对一定的雷电流幅值而言，针对确定的情况下幅值小的雷电流比幅值大的雷电流更容易绕击导线。

根据作者在湘西地区近三十年防雷设计观察，具有典型案例是湖南沅陵县有宝塔三座，最为奇特是高踞县城东，位沅江左岸陡峭鹿鸣山顶的鹿鸣塔。清前修建，同治沅陵县志记载：鹿鸣塔，七级，半塔残破，屡修屡塌。雷击屡次削其塔顶部弱一半，至今仍呈半塔状，顶尖尚在，应该是世界上遭受雷击最多的宝塔。

(1)从这个个案看：①特定地方的雷电流幅值大致一致，否则剩下的半边应该也遭受到雷击了。②形成的机理一致，因雷击每次都是在相同的方位。

根据H.Armstrong、E.Whitehead的理论提出几何模型见图，导线、地线的击距

地面绕击距离

其中Rsg=1。不同雷电流幅值下，同一种塔型在不同边坡度数下的导地线的屏蔽情况表4。

表4 不同雷电流幅值及边坡度数的导地线屏蔽情况

(2)通过模型图3～图7可以看出：一般认为导线裸露面越大，导线可能遭受到比作图时假设的雷电流更大的雷电流所绕击。当然导线没有裸露面可能雷电流都会击中地线，但在文献[3]中列举了导线水平排列双地线，保护角为－15°，屏蔽弧段－27.7m。每百公里，在40个雷暴日下仍然有0.19%雷电跳闸率。同时，也列出了保护角为+14°，屏蔽弧段－4.6m。每百公里，在40个雷暴日下仍然有0.09%雷电跳闸率。

图3 不同边坡时的雷电流

图4 不同杆塔高度时的雷电流

图5 绕击杆塔头部和档距中央的雷电流

图6 不同导地线间距时的雷电流

图7 不同坡度时的雷电流

(3)从图3～图7中可以得出结论如下：

①防雷保护角越大，绕击的雷电流越大，见图6。

根据模型可以看出减小保护角确实可以减少绕击率。在山地用避雷线的平均高度代替塔高，模拟导地线的在空间的真实情况。当造价增加不多，且导线覆冰厚度不超过10 mm时，应尽量采用小的保护角，不应该片面强调减小保护角，使得避雷线与导线间的水平错位移太小，在脱冰或舞动时导致当中混线短路，重冰区应该遵循其设计规程设计，在容易遭受台风袭击的地方也该引起高度重视。即降低防雷保护角来抑制绕击作用也有限。

②杆塔越高，绕击的雷电流越大，见图4。

同一种塔型杆塔高度越高，对地闪击距离增大，大地接闪能力降低，所以大部分会击中地线和绕击导线。

③杆塔头部比档距中央，更容易受到绕击，绕击的雷电流更大，见图5。

在杆塔头部尺寸一定情况下，在档距中央导地线距离较大，则保护角减小了，保护角减小绕击雷电流变小。

④地形坡度越大、绕击的雷电流越大，见图3。

地形坡度越大相当于增加了杆塔高度裸露了导线部分。

⑤迎风面容易受到雷击。

⑥绕击与雷电流大小和保护角没有必然联系。

在莫斯科附近一座537m电视塔上对闪击观察指出，在四年半内有两次闪电打在塔顶以下约200 m的地方。周围的地面在距塔基200 m以外会受到雷击，保护角20°。

1.2.2 提高绕击耐雷水平的措施

设计时要调查雷雨季节的风向，在山区沿山脊、山腰走线的线路高塔，特别是山的边坡较陡时更容易会被雷绕击中跳闸：

(1)正确配合导地线间距减少绕机可能性；一般的讲防雷保护角越小，则屏蔽性能越好，但是间距太大反而容易发生绕击，间距过小容易击穿，规程规定导地线档距中央在雷击过电压下满足：S=0.012l+1；

(2)杆塔绝缘配置：增加绝缘子片数、可以一定程度提高绕击水平，因为铁塔头部间隙有限，增加的程度有限需要论证性价比的合理性；

(3)在山区容易遭受绕击的杆塔装设迎风侧单相线路避雷器，绕击的电流不会很大不足以引起其他相的反击；平地则要三相加装避雷器；

(4)杆塔加装避雷器以后会不会引起相邻杆塔绝缘击穿的问题；当改造易受雷击杆塔加装避雷器后，邻杆塔需要改造加装绝缘子个数：

(5)由于杆塔头部容易受到绕击，则在横担上垂直线路水平装设避雷针，避雷针长度保护范围在杆塔横担两侧20 m范围内。

2 总结

输电线路防雷是一个系统工程，对于雷区的高压输电线路设计，技术上应按照地形地貌、土壤电阻率、杆塔头部尺寸、绝缘配置、杆塔高度、并结合已有的防雷措施，来制定不同的防雷设计方案，以降低杆塔的跳闸率；经济上应根据所耗工程费用、改造和维护难易程度、运行寿命，反复试算、模拟，仔细推敲设计，最终确定最优的防雷措施。通过以上措施，达到在很大程度上减少雷击跳闸率的目的。

[1]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．

[2]刘继．电气装置的过电压[M]．北京：水利水电出版社，1981．

[3]英]R．H．Golde．雷电．北京：水利电力出版社，1983．

[4]张晓东．架空线路良导体地线的选型和施工弧垂观测档的确定[J]．广东电力，2012，(07)．

[5]赵淳，阮江军，李晓岚，等．输电线路综合防雷措施技术经济性评价[J]．高电压技术，2011，(2)．