山区集电线路雷电绕击分析及应用

文 | 刘承祥

山区集电线路雷电绕击分析及应用

文 | 刘承祥

雷电在山区活动的特点

雷电活动是一种正常的大气放电现象，从大气放电的原理方面分析，山区的雷暴活动较平原地区一般会相差几倍；在山区，由于下垫面较为复杂，之间的热力状况差异也较大，容易产生空气对流，因而积雨云出现的几率较大。而起伏的山峦又使得空气运动呈现一种非常不规则的紊流状态，并能影响到相当高的高度，容易生成雷电天气。此外，不稳定的暖湿气流进入山区，受地形作用的抬升，也极易成为积雨云。由于风电场自身系统的特点也导致在山区的风电场包括机组、集电线路都成为雷击放电的主要对象。

影响山区风电场放电的因素主要包括：雷击密度、风电机组装机密度、架空线路的等效截收面积，其中雷击密度的单位是：次/（km2·年），机组的装机密度是：台/km2，架空线路的等效截收面积采用作图法根据线路总长进行计算。在我国电力系统中往往还采用一个年落雷密度的参数，年落雷密度=雷暴日×地面落雷密度，以往在没有更科学的观测手段时，人们用耳朵听来记录雷电活动强度，即雷暴日。而计算跳闸率最终需要的是每年单位面积的落雷数，而不是雷暴日或落雷密度，这两个参数不能完全反映雷电活动强度，为了得到年落雷密度，人们根据观测，对两者的关系进行研究，得出了一些经验公式，如国际大电网会议1980年提出的（我电力行业标准采用了该公式）：

在利用雷电定位系统进行观测后，完全只用年落雷密度即可。目前风电场沿用线路的跳闸率作为评价生产指标，但35kV系统标准中没有关于风电场集电线路或山区集电线路的跳闸率标准，目前属于空白区间。

雷击塔杆的物理过程

一、放电形式

根据过电压形成的物理过程，雷电过电压可以分为三种：

首先是直击雷过电压，是雷电直接击中杆塔、避雷线或导线引起的线路过电压；感应雷过电压（雷电脉冲侵入），是雷击线路附近大地，由于电磁感应在导线上产生的过电压。按照雷击线路部位的不同，直击雷过电压又分为两种情况：第一是雷击线路杆塔或避雷线时，雷电流通过雷击点阻抗使该点对地电位升高，当雷击点与导线之间的电位差超过绝缘的冲击放电电压时，会对导线发生闪络，使导线出现过电压。因为杆塔或避雷线的电位（绝缘值）高于导线，故通常称为反击。第二是雷电直接击中导线（无避雷线时）或绕过避雷线（保护失效）击中导线，直接在导线上引起过电压，后者通常称之为绕击（如图1）。

其次是反击过电压，在雷击塔顶的先导放电阶段，导线、避雷线和杆塔上都会感应出异号束缚电荷。在主放电阶段，先导通道中的负电荷与杆塔、避雷线及大地中的正电荷迅速中和，形成雷电冲击电流。此时，一方面负极性的雷电冲击波沿着杆塔向下和沿避雷线向两侧传播，使塔顶电位不断升高，并通过电磁耦合使导线电位发生变化；另一方面由塔顶向雷云迅速发展的正极性雷电波，引起空间电磁场的迅速变化，又使导线上出现正极性的感应雷电波。作用在线路绝缘子串上的电压为横担高度处杆塔电位与导线电位之差。这一电压一旦超过绝缘子串的冲击放电电压，反击随即发生，如图1所示。

第三是绕击过电压，雷电绕过避雷线直击导线的示意图2所示。

忽略避雷线和导线的耦合作用，以及杆塔接地的影响，如图3所示，从A点看，雷击放电可以等值为幅值等于I/2的雷电流波，或幅值等于U0＝IZ0/2的雷电压波，沿波阻抗为Z0的雷电通道传播到达A点。设导线为无限长，即不考虑导线远端返回A点的反射波，则根据彼德逊法则，可以得到电流源等值电路。其中Zc/2为导线的等值波阻抗，即A点两侧导线波阻抗Zc的并联值（如图3所示）。

二、雷电击中铁塔或线路的分流计算

对于一般高度（约40m以下）的杆塔，在工程近似计算中常采用集中参数等值电路。图4中Lt为被击杆塔的等值电感，Ri为被击杆塔的冲击接地电阻，it为流经杆塔入地的电流，未考虑相邻杆塔及其接地电阻的影响；Ls为杆塔两侧一档避雷线并联的等值电感，is为流过Ls的电流。当绝缘子串闪络后，还应考虑两侧导线的分流作用，如图虚线部分所示，其中Zc为每侧导线的等值波阻抗。

考虑到雷击点的对地阻抗比雷电流通道波阻抗低得多，计算中略去了雷道波阻抗的影响，认为雷电流i直接由A点注入。设雷电流具有三角波形，其幅值为I，波头为τf，波头陡度为α。在波头部分，雷电流可表示为i＝αt。大部分雷电流通过被击杆塔入地，小部分流经避雷线等支路入地。近似认为各支路电流也具有斜角波头。由杆塔电流如下式所示，其中β称为杆塔分流系数，即杆塔电流与雷电流之比值。

表1 击杆率对比表

三、线路跳闸率的计算

为了掌握山区集电线路的因雷跳闸率，可以先期对线路进行预算，主要通过线路对线路耐雷水平和建弧率的公式推导进行计算，其中：

耐雷水平：能引起绝缘闪络的最小临界雷电流称为耐雷水平，单位为kA。反击和绕击的耐雷水平是不同的，根据以上分析可计算出。

建弧率：建弧率即由冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率，可表示为：

Eu为绝缘子串的平均电位梯度，单位为kV/m。

击杆率：雷击杆塔次数与雷击线路总次数的比值（如表1所示）。

而对于输电线路的雷击率可以通过对架空线路进行雷电等效截收面积计算，由于架空输电线路高出地面具有引雷的作用，根据模拟试验和运行经验，一般高度的线路的等值截收面的宽度为：

h：线路的平均高度，

b：两根避雷线间的距离，

即线路愈高，则等值受雷面积愈大。

当线路长度为100km时，平均每年雷击次数为：

输电线路落雷次数＝当地年落雷密度×（4h+b）×100/1000

当然，同样可以参照公式对线路的雷击跳闸率进行计算，其中绕击与反击跳闸率的计算有些区别：

反击跳闸率=线路落雷次数×击杆率×超过反击耐雷水平的概率×建弧率

绕击跳闸率=线路落雷次数×绕击率×超过绕击耐雷水平的概率×建弧率

针对山区的绕击率计算，可参考电力标准推荐的公式：

式中：

α为避雷线对边导线的保护角，单位为°；

h为地线在杆塔上的悬挂点高度，单位为m。

改变地线保护半径及其工程应用

地线作为送电线路最基本的防雷措施之一，在防雷方面具有以下功能：

（1）防止雷直击导线。

（2）雷击塔顶时对雷电流有分流作用，减少流入杆塔的雷电流，使塔顶电位降低。

（3）对导线有耦合作用，降低雷击杆塔时塔头绝缘上的电压。

（4）对导线有屏蔽作用，降低导线上的感应过电压。

那么，如何提高地线的防雷保护效率就是最重要的前提条件。目前国际上对于地线的保护方法在电力系统中一直采用折线法（保护角法），与建筑物行业采用的滚球法有一定的区别，但美国高压输电线路系统一般采用电气几何模型法，目前这种方式并没有在国内得到大规模推广和应用。

一、利用电气几何模型法

目前，用地线防止雷绕击于导线的计算方法基本上可分为两类：一类是像我国规程及苏联规程所用的方法，可以叫做经验法；其次是20世纪60年代才发展起来的电气几何模型法（也称击距法或华特海德法）。由于经验法无法通过公式的形式表述，本文主要介绍电气几何模型法。美国20世纪50年代兴建了塔高45m的345kV线路。按传统的设计方法，其雷击跳闸率小于0.3次/百千米·年，但投入运行以后实际出现的跳闸率在4次/百千米·年－6次/百千米·年的范围内。差别如此惊人，引起了世界范围内的讨论，这促使人们进一步研究线路防雷的原理。在20世纪60年代出现了一种以雷击机理的现代知识为基础的、分析避雷线（针）保护效果的电气几何分析模型（Electrogeometric Model，简称EGM）法，这是用几何模型来分析地线对直击雷的屏蔽作用的一种方法。它是以击距（rs）的概念为基础所建立的一种新的屏蔽理论。击距是梯级先导最终一段的长度（由于其电势超过了最后一段空气的击穿电阻）。发现其与第一次回击的幅值有关。击距大小与先导头部电位有关，而后者又和主放电电流有关，因此认为击距是雷电流幅值的，IEEE的工作小组在1985年给出的击距公式是：

几何法绘制步骤如下：分别以避雷线和导线为圆心，以击距为半径作两个圆弧（见图5），这两个圆弧交于F点；再在离地面高度为brs处作一水平线与以D为圆心的弧交于G点。由圆弧C1、C2和直线C3在沿线路方向形成一个曲面，此曲面叫做定位曲面。在雷电流为I的先导未到定位曲面之前，其发展不受地面物体的影响。若I的先导落在C1弧面上，则雷击避雷线；若落在C2弧面上，则雷绕击于导线上；若落在C3面上，则雷击大地。因此C2称为绕击暴露面。为考虑避雷针、避雷线或大地的系数，Mousa给出避雷线或大地的b为1，对避雷针的b为1.2。

二、防绕击针的工程应用

（一）35kV系统安装防绕击针的争议

针对35kV集电线路是否有必要安装防绕击避雷针的问题，在电力系统中是存在一定的争议的；绝大部分专家认为35kV系统不需要安装防绕击避雷针，主要原因在于传统的35kV线路主要用于中短途的平原线路输电。随着风电行业的高速发展，山区风电场从经济性角度普遍采用35kV系统。由于标准层面的缺失，目前的35kV输电线路设计主要以《国家电网公司66kV和35kV输电线路典型设计技术导则》作为设计参考，其防雷部分没有详细的技术要求，导致风电场在实践运行过程中出现了较为显著的雷电问题，这些问题是前期在平原环境中从未出现的问题。

赤沽项目处于内蒙高原末端，坝上地区边缘，雷电活动较为频繁，每年均有因雷导致的线路跳闸问题。为了减少因雷导致的跳闸问题，解决赤沽风电场集电线路雷电绕击的问题，2014年在赤沽风电场防雷改造项目中，对于档距大、塔间高差大、地线斜率超过15°的区段采用分段试验的方式在部分线路上安装线路防绕击避雷针。通过同步对比的方式，可直观地判断防绕击避雷针的有效率。

（二）防绕击避雷针工作原理

重力型线路防绕击避雷针是高电压远程输电线路中常见的辅助防雷产品。防绕击避雷针的工作原理是改变地线狭长结构的保护区域，通过双向测针在地线的保护范围内增加新的电场畸变，利用尖端放电原理增加侧针形成上行先导的概率，提高地线上放绕击针的有效接闪率，进而达到防绕击的目的。为了更好地提高其引雷性能，结合35kV系统的特点，防绕击针的侧针长度需要根据地线弧垂与B相间距的击穿电压进行设计，一般在低压情况放绕击针侧针的长度为20cm；通过对平原110kV系统放绕击针及国内相关试验院所对不同种类防绕击避雷针的相关试验得出测针长度在20cm时其有效接闪率可提高35%左右。

（三）防绕击避雷针在山区架空线路的安装

传统平原电力传输线路的防绕击避雷针主要安装在铁塔的两侧，主要考虑在平原线路中档距间铁塔的高度最高，地线自铁塔两侧自然下垂，重点在铁塔两侧30m－50m位置安装防绕击避雷针；但在山区线路中，大跨距档段主要是线路穿越山沟，而山沟实际处于封口，锋面气流的主通道；一次在山区及高斜率档距间的地线防绕击不仅需要在铁塔两侧安装防绕击针，在档距中间的底线上也需要安装防绕击避雷针。而这种安装方式在平原线路上是极为少见的，也是风电行业特有的。

（四）防绕击避雷针安装需要注意的问题

应用防绕击避雷针进行线路改造项目时，需要对既有地线的承重载荷进行计算，同时需要考虑风偏舞动因素，尤其在线路上设置安装多支防绕击避雷针时，由于风偏舞动及防绕击避雷针自身重量产生的载荷，会出现超出既有地线的承载载荷情况。因此避免地线上安装过多的防绕击避雷针造成地线载荷过大导致断裂。由于自承载式防绕击避雷针有防舞动设计，因此不会造成侧针发生旋转导致与B相线发生闪络放电的事故。但应该注意的是在安装过程中，侧针的长度不应大于地线与相线间距的一般长度，防止雷雨时发生相地闪络。

结束语

高山风电场的集电线路绕击问题，是近年来较为多发的因雷事件。其实，造成线路因雷事件的原因不局限于地线的设计，也存在风偏舞动、接地电阻不良等诸多因素。但由于风电行业的快速发展，设计部门还没有积累相关的经验就直接投入到具体的设计工作中去，难免遇到一些新的问题。因此，针对高山风电场集电线路的绕击问题，还需要通过大量的经验去进行分析，才能够得出较为准确且有效的解决方案。

对于低压架空输电线在山区出现的问题是伴随着风电行业发展出现的新问题、新课题，原来对35kV中低压输电线路防雷系统在新的工程应用环境中，自然会出现新的问题。作为企业的安生服务部门，不能被动的处理问题，需要在不断地探索中发现新问题、解决新问题，为企业生产提供有益的尝试，在生产实践中取得的工程效果，是促进企业安全生产、提高生产效率的保障；通过对老技术的新应用、新尝试不仅激发了基层员工的技术创新能力，更从主动的层面促进企业员工提高技术水平，增强安全生产意识。

本文仅对山区风电场架空集电线路的雷击放电形式、防护改进措施进行了初步的探讨和尝试，希望对同行业的高山风电场架空集电线路雨季因雷跳闸事件的分析判断和工程改造有所帮助和贡献。

（作者单位：刘承祥：国华投资（河北）有限公司）