黄山山区110kV输电线路防雷分析

张峻林+盛俊英+王震+金鑫

摘 要： 本文对地处黄山山区的110kV 大祁942线路雷击跳闸情况进行了统计，分析了山区地形、避雷线保护角以及杆塔接地电阻对线路遭受雷击概率的影响，提出改变杆塔接地电阻，引入新型防雷设备等策略提高线路耐雷水平降低雷击跳闸率。

关键词： 山区；输电线路；雷击；接地电阻

1 引言

雷电是一种由大量水滴的积雨云并伴随强烈的高空气流形成雷云，造成地面放电的一种自然现象，它作为一种强大的自然力的爆发是难以遏制的。雷电的释放通常伴随着强的电磁场和极大的电流冲击，往往对地面建筑物、高压输电线路造成威胁[1]。雷击对输电线路的破坏主要表现为大的冲击电流形成雷击过电压造成绝缘闪络，更严重的雷击会破坏电力设备绝缘性，造成停电事故。近年来气候的反常引起了雷击数量的增加，特别处于山区的高压输电线路，每年雷击造成的输电线路跳闸事故占线路跳闸总次数的50%～70%[2]，山区高压输电线路的防雷击保护是线路防护重点。

2 110kV大祁输电线路雷击跳闸概况

黄山市位于安徽省最南端，介于东经117゜02-118゜55和北纬29゜24-30゜24之间，南北跨度1゜，东西跨度1゜53。西南与江西省景德镇市、婺源县交界，东南与浙江省开化、淳安、临安县为邻，东北与本省宣城市的绩溪、旌德、泾县接壤，西北与池州市的石台、青阳、东至县毗邻，属中亚热带北缘、常绿阔叶林、红壤黄壤地带，以山地为主，属亚热带季风湿润气候区。黄山地区降水多集中于5-8月，年平均雷暴日数为49天左右，对输电线路的雷击防护工作要求高。

110kV大祁942线路是安徽黄山境内典型处于山区的高压输电线路，2007年开始投入运行，线路总长约40.53公里。地处黄山市西北部山区，线路走廊有95%以上为地形复杂的高山地形；横跨多处高速公路、田地、河流，大跨度档距较多；加之该地区土质以黄壤、红壤、风化石等较为复杂，土壤电阻率较高；自投运以来属雷电跳闸事故多发线路。日益严峻的气候环境加之线路地处山区导致该线路近几年雷击跳闸事故居高不下，2014年-2015年线路跳闸情况如表一所示：

近年来，大祁942线110kV输电线路雷击跳闸率有逐渐上升的趋势，究其原因还是与地区气候环境、线路所处山区地形以及杆塔接地电阻高等因素所造成的，要想降低线路雷击跳闸率就要分析线路雷击特点，进行有针对性的防雷策略。

3 线路雷击特点分析

为了更好的进行线路防雷，我们对杆塔所处地理地形环境、避雷线保护角、线路既有防雷设备以及杆塔接地电阻情况进行了调研，分析导致雷击跳闸率高的各种潜在因素，以便为后续防雷策略提供新的思路。

1）山区地形的影响

110kV大祁942线路走廊地处山区，杆塔所处地形地理位置如图1所示：从卫星图中可以看出线路杆塔大多位于山顶、山坡或接近水库处，山区植被丰富，气候潮湿，强对流天气频繁是雷击地闪形成的良好条件。处于山坡、山顶杆塔易与周围物体形成绝对的高度落差，

周围环境屏蔽效果差，根据雷电地闪形成原理，更易遭受雷击。雷暴形成前，山风会携带着很多雾状水滴，在杆塔附近的坡侧形成较大的回旋暧湿气流，在雷云下行先导的作用下，形成上行先导引起雷击线路，示意图如图2所示，这一微地形在雨季微气候的作用下，处于山顶及山坡处杆塔遭受雷击的概率将大幅度上升。

2）避雷线保护角的影响

避雷线在输电线路中具有分流作用，以减小流经杆塔的雷电流，从而降低塔顶电位；还能通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子的过电压；以及对导线的屏蔽作用还可以降低线路雷电绕击率，在高压线路杆塔架设避雷线是最基本的防雷措施[3]。避雷线一般是架设在铁塔的顶部，与输电线路的导线形成保护角，而减小保护角能有效增加避雷线屏蔽面，减小导线暴露面，降低雷电绕过避雷线击中导线的概率，从而起到雷电防护的作用。对于山区高压线路而言，线路遭受雷电绕击的概率比平原地区高，根据规程试验以及运行经验，绕击率Pα即绕击概率与避雷线对导线外侧的保护角、杆塔高度以及线路所处地形地貌条件有关，可以按公式（1）计算：

式中α为避雷线保护角，从公式关系可以看出，避雷线保护角越大，线路遭受雷电绕机的概率也更高，2014-2015年大祁942跳闸杆塔避雷线保护角如表二所示：在对该条线路避雷线

保护角的调研测算中，避雷的保护角大部分都是大于10°的，部分杆塔可达16°，现在我国对110 kV 线路避雷线的保护角建议采用0°， 特别是雷击发生严重的多雷区线路， 有的甚至要求使用负保护角， 以扩大避雷线的保护范围。避雷线保护角过大會对线路屏蔽效果减弱，线路遭受雷电绕击概率增加，最终导致的结果是雷击跳闸率居高不下。

3）接地电阻的影响

根据标中华人民共和国电力行业标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL/T 620—1997》，雷击杆塔时，杆塔上绝缘承受的过电压最大值为[4]：

如ul.i.m大于绝缘子串的50%冲击放电电压u50%，则将发生闪络。取ul.i.m=u50%，即可求出雷击杆塔顶部时的耐雷水平I1。

如取固定波头长度τt=2.6μs，则 ，此时耐雷水平为：

按照110kV输电线路设计标准，取u50%=800kV，Ri为7-15Ω，可得出110kV杆塔耐雷水平为41-63kA。从耐雷水平公式中我们可以看出，杆塔接地电阻的大小直接影响着线路的耐雷水平，2014-2015雷击跳闸杆塔接地电阻值如表三所示：

雷击跳闸杆塔接地电阻值都是大于10Ω的，导致线路耐雷水平无法达到国标要求，一旦有大电流经过杆塔，必定导致线路跳闸事故。

4 防雷对策

输电线路所处山区地形地理位置，雷电发生概率高，这是线路设计之初自身固有存在的问题是难以避免的。避雷线保护角大，难以抵挡部分雷电的绕击，要想降低保护角需要重新架设整条线路，这对于已建运行输电线路而言是不可取的，因为改变避雷线保护角从施工难度和经济效益方面考虑是不明智的防雷改造方案。110kV大祁942线路大部分杆塔接地电阻大于10Ω，降低了线路的反击耐雷水平，难以抵御大电流的冲击，是线路雷击跳闸率高的关键因素。要想提高线路耐雷水平降低雷击跳闸率，结合线路调研分析，可以考虑以下两点防雷策略：

1）降低杆塔接地电阻

塔顶电位的高低与接地电阻的大小密切相关，降低杆塔接地电阻是所有线路防雷最直接有效的方法。在高电阻率地区降低接地电阻值可采用多支线外延增加接地装置，选择潮湿肥沃的土壤置换，或采用接地网进行灌浇降阻剂的方法降低杆塔接地电阻值。根据经验， 充分利用现场地势， 沿等高线做水平射线， 或在岩性地带利用岩性裂缝铺设水平接地体并施加铜包铁接地棒，可有效地降低杆塔接地电阻[5]。

2）应用新型防雷设备

近几年大量应用在云南、贵州的新型波阻式防雷设备具有很好的防雷效果反馈[6]，波阻式防雷设备的防雷思路是通过分析雷电冲击的特性，把电磁“场”和电磁“波”的概念引入线路防雷电领域，通过设备中的防雷器件滤除危害频率、阻碍尖峰传输、加强向外辐射、增大内部衰减等精确控制雷电波的方法，实现对雷电灾害的“避其害而顺其势”的防护，实现线路防雷从能量对抗到信息对抗。工程设计上通过影响雷电波的时间特性、频率特性，影响雷电波的传输、冲击，用电的方法难以实现时，可以用磁的方法、电磁转换的方法，影响雷电波的危害形成，最终设备实现对雷电和操作过电压等冲击的有效控制。波阻式防雷设备能削减雷电波峰幅度可达30%以上，有效的降低作用于杆塔及其支持构架的冲击过电压幅值，可同时对线路进行反击与绕击保护，提高线路耐雷水平。并且，新型波阻式防雷器件是一个不在线的防雷设备，无需接入输电线路，与杆塔原有防雷不冲突，可与现有防雷设备结合加强杆塔防雷能力。

5 结论

位于山区的高压输电线路，容易遭受雷电的反击与绕击，通过对110kV大祁942线的防雷应结合线路走廊地形特点、地理位置、现有防雷措施、杆塔接地电阻等实际情况进行逐线逐基杆塔的防雷分析，采取了加装55套新型波阻式防雷设备、改造接地电阻的针对性的防雷综合措施实施，2016年雷击跳闸率降低了80%，取得了明显的效果。

参考文献

[1] 陈俊彬. 提高110kV输电线路防雷水平的对策探讨[J]. 科学与财富， 2013（3）：100-100.

[2] 王桂春. 浅谈110KV架空输电线路防雷设计措施[J]. 商品与质量·建筑与发展， 2013.

[3] 張雷. 输电线路设计应注意的问题[J]. 今日科苑， 2015（12）：109-109.

[4] 阮羚，谷山强，赵淳，等. 鄂西三峡地区220kV线路差异化防雷技术与策略[J]. 高电压技术，2012，38（1）.

[5] 李百挡， 李景禄， 朱坤双. 山区110kV线路雷击事故分析及对策[J]. 电瓷避雷器， 2007（1）：43-46.

[6] 李平. 波阻式线路防雷设备在重雷区域的应用研究[J]. 云南电力技术， 2013， 41（5）：22-24.

作者简介：张峻林（1973-），男，本科，现就职于国网黄山供电公司，从事输电线路运维管理工作，联系电话 05592937286，邮箱hs_zjl@sina.com