海岛地区输电线路防雷工作的分析探讨

李懿，韦立富，赵勇，李明俊，李妍

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江舟山316021）

海岛地区输电线路防雷工作的分析探讨

李懿，韦立富，赵勇，李明俊，李妍

（国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江舟山316021）

输电线路防雷保护一直是电网运行维护工作的难点。开展有针对性的输电线路防雷技术研究对维护电网安全具有非常重要的意义。以浙江舟山群岛为典型研究对象，对海岛地区输电线路防雷工作进行探讨分析，提出对策和建议，为实现跨海电网的高效运维检修提供有益的启发和参考。

海岛地区；雷击跳闸；输电线路；防雷措施

0 引言

输电线路是电网的重要组成部分，一直以来由雷击引发的线路跳闸严重威胁电网的安全稳定。当雷击过电压超过线路耐雷水平，导线与杆塔及避雷线之间的绝缘被破坏，发生闪络，引起单相或相间短路，而后工频电压沿闪络通道持续放电，形成工频电弧，继保装置随之动作，线路跳闸，系统正常送电受到影响，甚至引发事故。

按照架设方式不同，输电线路分为架空线路和电缆线路两大类。架空线路常年暴露于野外露天，充分利用空气绝缘，造价低，维修方便，但受到气候环境影响大，比如风吹、冰冻、雷击和盐污等。电缆线路占地小，一般敷设于地下或海底，不受气候和环境干扰，但造价高昂，发生故障后排除时间长，输电线路防雷工作一般针对架空输电线路。

舟山电网地处海岛，地形地貌特殊，输电线路多在岛屿间跨海架设。跨海架空线路不仅线路档距宽，而且杆塔呼称高度大，相对内陆电网而言，更容易遭受雷击侵害，做好架空输电线路的防雷工作是保障海岛地区供电安全的首要内容。

1 雷电特性参数与防雷性能指标

1.1 地闪密度

地闪密度和雷暴天数反映雷击的频率和强烈程度。地闪密度是在每平方千米区域内每年的地面落雷次数，可依据雷暴天数通过经验公式进行计算推出。雷暴天数指一年中某区域内发生过闪电雷响的天数。地闪密度的计算公式为：

式中：Ng为地闪密度；Td为雷暴天数。

地闪密度分级如下：Ng＜3次/（km2·a）为Ⅰ级区域；Ng=3～5次/（km2·a）为Ⅱ级区域；Ng=5～8次/（km2·a）为Ⅲ级区域；Ng=8～11次/（km2·a）为Ⅳ级区域；Ng＞11次/（km2·a）为Ⅴ级区域。

1.2 雷电流幅值概率分布

雷电流幅值概率是指某一范围内雷电地闪在纳入统计的地闪数据中累积出现的概率，即统计样本中雷电流幅值在对应范围内的地闪次数占地闪总数的百分比。不同地区的雷电流幅值概率分布不同，对其进行研究分析，有利于掌握该地区雷电的活动情况。其计算公式为：

式中：I是雷电流幅值；P是幅值等于大于I的雷电流概率。

1.3 耐雷水平

当输电线路遭受雷击时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值，称为线路耐雷水平，单位为kA。各电压等级的输电线路耐雷水平如表1所示。

表1 各电压等级输电线路的耐雷水平

1.4 跳闸率

雷击跳闸率是指统一折算到每年雷暴日Td= 40天的条件下，每百千米的输电线路每年因雷击而引起的跳闸次数。跳闸率是衡量线路防雷性能好坏的综合指标。国家电网公司对各电压等级输电线路雷击跳闸率的考核目标如表2所示。

表2 各电压等级线路雷击跳闸率的考核目标

2 输电线路雷击特点

2.1 雷击过电压

输电线路防雷关键在于对雷击过电压的防护。雷击过电压分成直击雷过电压和感应雷过电压2种。直击雷过电压是雷电直接击中杆塔、导线或避雷线时产生的过电压。感应雷过电压是雷击线路周围大地或其它物体通过电磁感应在导线上形成的过电压。感应雷过电压在三相导线上同时存在，且数值基本相等，不会形成相间电位差导致相间闪络。由于感应雷过电压雷电流幅值不高，难以对110 kV及以上线路绝缘构成威胁，而直击雷过电压对各电压等级的线路和设备均可能产生危害。故而输电线路防雷重点是预防直击雷过电压。

2.2 雷击形式

直击雷过电压在雷电直击输电线路时产生。按照形式不同，雷电直击线路可分成绕击和反击2种状态。

2.2.1 绕击

绕击是绕过避雷线和杆塔拦截直接击中导线的放电现象。雷电绕击导线后，雷电流波沿导线两侧传播，导线对杆塔放电，在绝缘子串两端形成过电压，导致闪络。在绕击时，线路耐雷水平受到电压等级、杆塔高度和沿途地形地貌等因素影响。雷电绕击导线示意如图1所示。

图1 雷电绕击导线示意

2.2.2 反击

雷击避雷线或杆塔后，雷电流由避雷线和杆塔分流，经接地装置注入大地。塔顶和塔身电位升高，杆塔对导线放电，在绝缘子两端出现过电压，形成反击。在反击时，线路耐雷水平受到设备绝缘水平、线路电压等级、杆塔高度和接地电阻等因素影响。雷电反击导线示意如图2所示。

图2 雷电反击导线示意

3 海岛环境气象与电网运行特点

3.1 地理环境与气象条件

舟山境内多山，丘陵广布，为海岛丘陵区，是天台山脉的余脉及其东北延伸入海的露出部分。海岛地形起伏，地势由西南向东北倾斜，中央绵亘山脊或分水岭，海拔一般在200～300 m，山间和海滨分布有小块平原。海岸线蜿蜒曲折，以基岩和泥质海岸为主，少量砂质海岸。地貌类型为海积、冲海积平原区（包括堆积海岸地貌）、山麓沟谷平原区、侵蚀剥蚀低丘区（包括侵蚀海岸地貌）、侵蚀剥蚀高丘区。

由于典型的沿海丘陵地形，加之纬度位置、地形地势、季风以及洋流等的多重影响，舟山呈现北亚热带南缘季风海洋型气候特征，温暖湿润，冬暖夏凉，光照充足，但在夏季较易受台风、雷电等灾害性天气侵袭,并时常伴有伏旱。查阅相关资料可知，舟山的地闪密度在4次/（km2·a）左右，处在Ⅱ级及Ⅲ级区域之间，属于多雷区。

3.2 海岛电网运行特点

截至目前，舟山电网通过2回220 kV线路、3回110 kV线路与浙江大陆主网相联，共有220 kV变电站5座，变电容量为2 040 MVA；110 kV变电站26座，变电容量2 495 MVA。舟山的负荷分布较为松散，电源结构也相对简单，为单一性质的火电机组，电网缺少水电、抽水蓄能、燃气发电等调峰机组配合，统调负荷基数较低，受气候变化影响明显，日负荷曲线波动较大，对系统运行控制要求较高。

为不妨碍过往船舶正常通行以及满足抗风、防污等现实需要，舟山的输电线路建设往往要比规程要求的提高一个电压等级，即35 kV线路挂在110 kV杆塔上，110 kV线路挂在220 kV杆塔上，杆塔高度增加，线路档距变宽。杆塔高度增加，引雷面积增大，屏蔽作用降低，遭到绕击和形成反击的几率上升。线路档距变宽，分流作用减弱，雷击闪络率提高。舟山地区山多地少，输电线路多依山临海架设。由于存在建塔材料运输困难和土地征用赔偿纠纷，输电杆塔放弃使用山顶和山脚，选择建设在山腰位置。而山腰位于整座山体中段，位置特殊，气流风向变化频繁，从海上飘来的带电雷雨云易在此形成堆积，客观上增大落雷风险。

4 海岛线路防雷措施分析与比较

4.1 减小避雷线保护角

架设避雷线是当前国内输电线路设计建设中使用的最基本防雷措施。保护角是通过避雷线的垂直平面与通过避雷线和导线平面之间的夹角。通过减小避雷线的保护角，可以提高避雷线对导线的屏蔽性能，降低导线遭受绕击的概率。

减小避雷线保护角可通过调整避雷线与导线的相对位置实现。调整过程中需考虑以下问题：

（1）在采用避雷线水平外移方案时，应保证2根架空地线之间的距离控制在避雷线与导线间垂直距离的5倍之内。由于避雷线外移，塔材受到应力将增大，杆塔整体重量随之增加，线路的投资成本有所增大。

（2）若采用导线水平内移方案，可避免杆塔重量增加和基础应力增大的问题，形成紧凑型送电线路，缩小输电廊道面积，需要考虑导线与塔身的间隙距离必须满足绝缘配合要求。

（3）若通过增加绝缘子片数，扩大避雷线与导线之间的垂直距离来减小保护角，杆塔的重量和应力也会增加，同样提高工程建设造价。

实践证明，减小避雷线保护角的防雷方案无论内陆还是海岛均可行。在选择改造保护角的方案时，要综合考虑减小保护角的防雷效果、运行规范要求和改造费用等因素，并进行机械负荷计算，最终确定最优的改造方案。

4.2 安装悬挂式避雷器

安装悬挂式避雷器是输电线路防雷常用的方法。避雷器类似非线性极好的电阻，当雷电流冲击时，能够迅速动作，呈现低电阻特性，将残压限制到足够低，进而让被保护对象免受过电压破坏；当冲击电流过后，在正常工频电压下，阀片呈现高电阻特性，使工频续流趋向于零，其作用相当于电路中的稳压二极管。

避雷器可分为保护间隙、排气式避雷器、阀性避雷器以及氧化锌避雷器等类型。近年来，前3类避雷器已基本淘汰，舟山地区当前多使用复合外套金属氧化锌避雷器。

复合外套金属氧化锌避雷器由单个或并联的2个非线性电阻片叠合圆柱构成。避雷器在防止绕击与反击方面均能产生作用，可以提高线路耐雷水平，降低跳闸率，其局限在于仅能做到“单点防护”，无法实现“区域联防”，即其保护区域只覆盖到安装避雷器的杆塔本身，无法保护相邻杆塔发生闪络，存在有效距离，随着档距增加而明显减弱。

4.3 调整线路爬电比距

爬电比距是绝缘子表面爬距与设备标称电压之比，即绝缘子串单位电压的泄漏距离。查阅相关资料可知，舟山全境均处于沿海型重度污秽区，污秽等级为D2，爬电比距离为30 mm/kV，参考饱和盐密度为0.25 mg/cm2，绝缘子表面污秽层由高可溶性的速溶盐组成，灰密很低，通常在高电导率雾作用下迅速形成污秽层。在跨海线路建设中，可通过增加绝缘子片数或改用大爬距绝缘子的方法调整爬电比距，进而加强防雷能力。目前，舟山输电线路所挂绝缘子串往往是在标准设计基础上多增加1～2片，型号多为FC146/70玻璃绝缘子和FXBW-110/70复合绝缘子，爬距分别为32 mm/kV和35.2 mm/kV，可基本达到防雷与防污的双重需要。

4.4 降低杆塔接地电阻

通过降低杆塔接地电阻可提高输电线路反击耐雷水平，减少线路跳闸次数。降低杆塔接地电阻方案的优点是在杆塔下方施工，不影响上方线路的正常运行和停复役。降阻方式分为物理降阻和化学降阻：物理降阻包括更换接地极附近土壤、延长接地极等；化学降阻是指在接地体周围敷设降阻剂，通过增加接地体散流面和降低土壤电阻率来达到降低接地电阻的效果。

海岛电网输电杆塔数量庞大，并且各自分散在不同岛屿上，组织大规模的集中更换接地极附近土壤和延长接地极的技术改造，工程上实施难度较大。舟山地区土壤含盐量高，物理性差，紧实板结，容重高，孔隙度低，pH值大于8.0，土壤次生盐渍化程度严重。化学降阻剂多由细石墨、膨润土、固化剂以及导电水泥等材料构成（主要成分为聚丙烯酰胺）。在降低接地电阻同时，化学降阻剂的使用会对环境造成较大危害，不但会加快接地体腐蚀，大大缩短其使用寿命，而且会造成土壤板结，引起附近植物枯死和作物绝收，破坏海岛上原本脆弱的生态平衡。在海岛输电线路防雷接地改造中，可考虑在重要线路和雷击频发区域采取小规模的物理降阻，不建议使用化学降阻方案。

4.5 架设耦合地线

架设耦合地线即在导线下方再加装1条避雷线。耦合地线通过加强原避雷线的分流作用和导地线之间的耦合系数，提高线路耐雷水平，主要使用在某些已投运且雷击事故较为频繁的线路段。虽然架设耦合地线可以改善线路整体耐雷水平，但是会增加影响杆塔承重，影响输电线路整体的力学平衡。考虑线路弧垂和档距的技术制约，加之安装施工阶段禁航封港的要求，架设耦合地线在输电线路陆地段实施尚且可行，而在跨海段上操作困难较大。

5 对策与建议

做好海岛地区输电线路的防雷始保护需要从2个方面展开工作。

5.1 做好设计施工，打好基础

在对线路沿途的地貌地形、土壤构成、风力大小、潮汐时间、盐密度分布等因素做到周密调查的同时，做好选址，多选择带有负保护角塔头的杆塔。海岛地区风大浪高，输电线路途经跨海段和盐污区较多，选择导线除考虑良好的导电率和防振性能以外，还应关注其是否拥有足够的机械强度和抗腐蚀能力。钢芯铝绞线和铝包钢线是国内输电网建设较常用的导线类型，其机械强度均已达到要求，但是在海边恶劣环境条件下抗腐蚀能力还需加强。建议参考北欧挪威电网的做法，对其进行技术改造，加涂凡士林等材料，提前进行防腐保护，延长使用寿命。在工程建设完毕后，加强新投产线路的竣工验收管理，结合设计图要求和技术联系单变更，逐条比对检查，发现问题后，第一时间告知施工方和监理方，责令按时整改。整改完成后，重新组织复验，直至合格为止，方可允许投运。

5.2 规范运维检修，形成闭环

加大对巡检队伍管理，提高人员到点到位率，做好输电线路运行数据与隐患缺陷台账记录。借助线路运行记录和雷电故障定位系统，编制雷害风险分布图，划分雷电频发位置和雷击类型，展开专门的防雷补强措施。

调整线路爬电距离和安装悬挂式避雷器是当前海岛电网较为实用的防雷方法。在增加绝缘子片数的同时，通过使用均压环平衡绝缘子串上的电压分布，实现爬电距离增大。在加装避雷器时，需要注意以下几点：

（1）避雷器投入使用前，应做好预防性试验，即绝缘电阻试验、工频放电电压试验和泄露电流试验。

（2）避雷器在投入使用后，虽然大多数运行良好，但是也有个别发生损坏或爆炸。究其原因可能是内部受潮、阀片本身老化以及环境污秽等因素所致。由于故障多发生在夏季湿热时节和重度污秽区，因此要加强在此时间段和地点的运维检修，尤其是跨海段两侧的特巡，发现问题，及早更换。

当然，在线路条件较好、施工较为便利的岛屿上，也可通过加装耦合地线，完成相应的防雷加固。

6 结语

构建全球能源互联网是未来一段时间我国电网发展和建设的重点目标，实现各大洲之间的能源互联需要跨越海洋，保障跨海电网的安全稳定是实现这一目标的关键所在。海岛输电线路防雷保护不但对于电网系统本身，而且对于整个国家能源战略的落地实施都具有重要意义。

在学习借鉴内陆成熟经验的同时，海岛输电线路防雷工作既要考虑负荷性质和系统运行方式，又要充分考虑海洋的影响，熟悉线路所经海区雷电活动特点、季风分布情况以及潮汐洋流变化规律，因地制宜，采取差异化的防雷措施，进而实现输电线路的安全运行。

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（本文编辑：陆莹）

Analysis and Discussion on Lightning Protection of Transmission Line in Marine Area

LI Yi，WEI Lifu，ZHAO Yong，LI Mingjun，LI Yan
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316021，China）

Lightning protection of transmission line has been a difficult point in the operation and maintenance of power grid.It is very important to conduct research on lightning protection technology of transmission lines to protect power grid safety.Based on the typical research of Zhoushan archipelago，this paper analyzes and discusses the technology of lightning protection of coastal transmission lines；besides，it puts forward some suggestions and countermeasures，providing some beneficial enlightenment and reference for the efficient operation and maintenance of cross-sea power grid.

marine area；lightening trip；transmission line；lightening protection measures

TM863

B

1007-1881（2017）01-0014-05

2016-05-24

李懿（1983），男，工程师，从事海洋输电技术研究与智能电网建设工作。