1 000 kV特高压输电线路防雷工程设计

袁春成

（国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095）

1 引言

近几年，伴随着经济的快速发展，人们的生活水平得到了显著提高，各种家用电器的普及使社会对电能需求持续增长，对电力事业提出了新的要求。输电线路是电能传输的通道，与配电线路共同构成了电网系统，其运行情况将会对电网系统整体的电能输送产生直接影响。1 000 kV特高压输电线路一旦遭受雷击，会对电力系统的稳定可靠运行带来巨大影响，电气技术人员需要做好输电线路防雷工程的设计，以提升线路对于雷击的防范和抵抗能力。

2 1 000 kV特高压输电线路雷击的特点

1 000 kV特高压输电线路本身具有很好的绝缘性，因此，设置的避雷线很少会被雷电直接击中，但是，从防范触电风险角度，输电线路本身杆塔高度较高，使雷电绕击的概率大大增加。一般情况下，在1 000 kV特高压输电线路中，引发线路跳闸是最为常见的原因之一就是在杆塔位置出现了雷电绕击的情况，保护角的大小会对输电线路避雷线的性能产生直接影响[1]。1 000 kV特高压输电线路雷电绕击概率见表1。

表1 1 000 kV特高压输电线路雷电绕击率

3 工程概况

淮南—南京—上海1 000 kV交流特高压输变电工程线路工程全长759.414 km，途经安徽省181.061 km(一般线路178.4 km、淮河大跨越2.661 km）、江苏省519.053 km（一般线路514 km、长江大跨越5.053 km）、上海市59.3 km。其中，一般线路全长751.7 km，淮河大跨越2.661 km，长江大跨越5.053 km（后来改为管廊）。全线除沪苏省界—华新站段21.8 km采用1 000/500 kV同塔四回路、上海青浦油墩港段13.8 km采用1 000/220 kV同塔四回路外，其余均为同塔双回路。在忽视大跨越的情况下[2]，全线路径长度见表2。

表2 全线路径长度

结合沿线的历史气象数据，全线年平均雷暴日数统计值在25～40 d/a，沿线运行线路雷电活动统计在30 d/a的水平，本工程推荐雷暴日数为40 d/a。从保证线路运行安全性角度，需做好防雷工程的设计工作。

4 1 000 kV特高压输电线路防雷工程设计

4.1 耐雷特性计算

本工程采用了I形、V形和Y形3种绝缘子串塔形，其中，I形绝缘子串塔采用皖电东送塔形；V形绝缘子串在塔头布置方案采用，对上方横担的间隙距离7.0 m布置，层间距20.8 m。本工程Y形串空气间隙取值与V形串基本一致。在对线路耐雷特性进行计算时，需要计算的参数有3个：（1）反击跳闸率，线路运行于1 000 kV，杆塔工频接地电阻在10～30Ω时，单回线路的反击耐雷水平为235～228 kA，和我国1 000 kV单回线路的反击耐雷水平计算值相当。双回线路同时发生反击闪络的概率极小。当1 000 kV同塔双回线路采用V形绝缘子串、杆塔呼高65 m、杆塔工频接地电阻在1～5Ω时，一回线路的反击耐雷水平为182～195 kA。双回线路同时发生反击闪络的概率较小。（2）绕击跳闸率。采用电气几何模型法（EGM）计算特高压V形串同塔双回输电线路的雷电绕击性能。对典型杆塔的线路绕击跳闸率进行计算，按线路沿线地形全为平原考虑，即地面倾斜角取0°。计算得到65 m典型杆塔的绕击跳闸率为0.013次/（100 km·a）。（3）雷击跳闸率。线路绕击跳闸率和反击跳闸率之和就是线路雷击跳闸率。我国交流500 kV超高压输电线路雷击跳闸率的运行值是0.14次/(100 km·a)，交流500 kV同塔双回输电线路雷击跳闸率的运行值是0.17次/(100 km·a)，特高压输电线路的雷击跳闸率宜不高于500 kV交流输电线路，暂推荐特高压同塔双回输电线路的雷击跳闸率为0.14～0.17次/(100 km·a)。

4.2 周边区域规划

在对特高压输电线路防雷工程进行设计时，需要做好线路周边区域的合理规划，将线路周边40 m范围内体积相对较大的物体，包括山坡、建筑、树木等进行统一规划，改变容易引发雷电绕击现象的物体，避免出现雷击问题。同时，设计人员应将雷电冲击作用下电流可能沿垂线方向直接击穿特高压导线及避雷线间空气间隙的问题考虑在内，确保避雷线与特高压导线能够与垂线方向保持水平。

4.3 设置避雷装置

对于1 000 kV特高压输电线路，在精细防雷工程设计时，需要合理设置避雷装置，在不大幅度改变杆塔电位的情况下，避免出现绝缘子闪络情况。一般情况下，适用于特高压输电线路的避雷器有很多，结合该工程实际情况，可供选择的避雷器有2种：（1）无间隙型避雷器，可以直接与导线连接，属于电站型避雷器的升级版本，能够对雷击产生的冲击进行有效吸收，也可以避免出现电气设备老化问题；（2）带串间隙型避雷器，主要是利用空气间隙与导线连接，其本身的功能需要在雷电流作用下才能真正发挥出来，避免雷击的可靠性极高，使用寿命长。这种避雷器在高压、超高压以及特高压输电线路中被广泛使用，具备相应的间隙隔离功能，而且在设置时不需要考虑电力系统的运行电压，即便避雷器发生故障，也不会影响输电线路运行的稳定性。

4.4 做好接地工作

接地设计中，应做好以下工作：（1）应结合输电线路实际情况，设置双地线，在条件允许的情况下，OPGW（光纤复合架空地线）外层单丝直径可以选择较大截面；（2）应严格依照相关规程中的接地电阻标准来对接地装置进行设计，如果在山区土壤电阻率较高时，则可以通过使用降阻剂或者设置降阻模块的方式降低接地电阻；（3）可以结合线路实际运行情况，在一些容易发生雷击的地点，设置耦合地线、旁路地线等接地措施，以提升防雷接地效果；（4）依照电科院《淮南—南京—上海1 000 kV特高压交流线路防雷深化研究》确定部分塔位采用塔基自然接地，不装设人工接地装置（推荐在少人区或无人区试用）。

4.5 优化杆塔规划

在输电线路中，杆塔形式多种多样，杆塔本身也是最容易发生雷电绕击的部分。因此，工程中实际使用的塔形都要结合具体工程进行技术经济综合比较后确定，其目的是既能保证线路安全运行又经济合理。根据前期研究成果，本工程杆塔规划需要坚持几个基本原则：（1）根据工程线路的实际断面，进行无约束条件的杆塔排位，合理规划杆塔设计条件和直线塔摇摆角系数；（2）地线对导线的保护角在平地不大于-3°，山地不大于-5°，耐张塔地线对跳线保护角不大于0°。导地线水平位移满足相应规程要求；（3）一般地区杆塔为同塔双回路导线垂直排列，I形串悬挂布置；在走廊拥挤地区，根据实际情况，分别为同塔双回路垂直排列V形绝缘子串或Y形绝缘子串悬挂布置，以及同塔四回路V串悬挂布置，尽量降低走廊宽度，以此分别规划杆塔系列。在工程全线，共规划塔形76种，27 m/s风区、10 mm冰区平地段共规划14种塔形；30 m/s风区、10 mm冰区平地段共规划17种塔形；30 m/s风区、10 mm冰区山地段共规划9种塔形；32 m/s风区、10 mm冰区平地段同塔双回路V串/Y串共规划24种塔形；32 m/s风区、10 mm冰区平地段同塔四回路V串共规划12种塔形；其中，采用皖电东送杆塔成果35个，新设计塔形41个。

4.6 减少地线保护角

要最大限度地提升1 000 kV特高压输电线路的防雷性能，需要减少输电线路绕击引发的跳闸现象，而地线本身的屏蔽性会直接影响输电线路的防雷性能，降低雷电绕击现象发生的概率。通过减少地线保护角的方式，能够有效降低雷电绕击现象引发的1 000 kV特高压输电线路故障。另外，在针对1 000 kV特高压输电线路进行设计的过程中，需要重视塔形的设计工作，结合实际情况，选择最佳塔形，而这需要花费大量时间和成本。从缩减地线保护角的角度，在具体操作中，应该对地线支架的宽度进行优化调整，但在这种情况下，线路杆塔承受的压力会不断增大，引发材料浪费和成本增加问题。这种情况下，设计人员需要对输电线路地线保护角缩减的可行性进行分析，制订出最佳设计施工方案后，再对其进行施工。综合考虑线路走廊及耐雷水平，优化塔形设计，推荐伞形布置，铁塔设计中不考虑导地线水平位移。保护角在平原丘陵地区不宜大于-3°，在山区不宜大于-5°；耐张塔地线对跳线保护角，平原单回路不大于6°，山区不大于0°；变电站2 km进出线段不宜大于-4°。

5 结语

对于1 000 kV特高压输电线路，雷击是一种常见问题，可能会导致整个电网系统出现各种故障，严重时甚至会引发电网局部瘫痪，影响正常电力供应。基于此，电气技术人员需要制定出合理的防雷工程设计方案，最大限度地减少雷击现象发生的概率，同时，也需要结合1 000 kV特高压输电线路实际运行情况，对照电力系统运行方式，制订最佳防雷方案，以提升输电线路对于雷击的防范和应对效果，减少雷击造成的损失，切实保证电力系统稳定可靠运行。