1000kV特高压交流输电线路雷击危害及防雷接地对策

吴楠

（旻投电力发展有限公司 江苏省南京市 211100）

目前，特高压输电建设在我国逐渐开展起来，为了确保该项目的顺利进行需要系统的研究与特高压输电建设有关的问题。通过实践经验分析可以看出，在众多影响特高压输电系统的因素中，最重要的一个因素是雷击。原因在于特高压输电技术的电压等级水平比较高，因此需要较高的输电塔，输电线路也相对较长，这样就很容易遭受雷击的侵袭。本文主要结合案例工程实际应用情况分析了1000kV 单回输电线路绕击跳闸率；最后，对特高压输电线路的抗雷击性能进行了详细的分析，并结合实践经验提出了一些可靠地解决问题的策略，旨在使特高压输电系统更加完善。

1 交流特高压防雷保护技术及雷电活动等级

1.1 反击

杆塔在经过雷击之后会在悬挂绝缘子串的杆塔横担处形成一定的电压，我们将其称之为杆塔感应电压，杆塔感应电压与线路杆塔高度之间存在正相关的关系，也就是说线路杆塔的高度越大，相应的杆塔感应电压也越大，除此之外，线路杆塔的高度也会影响导线悬挂点高度，两者之间依然是正相关的关系，特高压输电线路对所选电线的要求较高，需要选取避雷线，因此不需要另行采取措施进行反击雷电流处理。有关研究表明虽然自立塔线路在雷电反击跳闸率方面的优势比较突出但依然不是最高的。特高压输电线路对雷电反击的承受能力在很大程度上取决于杆塔接地。土壤电阻率的大小对特高压杆塔的自然电阻产生一定的影响，比如当土壤电阻率的值是400.m 时，这时特高压杆塔的自然电阻小于15 时，如果土壤电阻率的值已经超过2000.m，这时就需要借助人工接地的方式来使杆塔接地电阻值减小。具体的操作标准要以《交流电气装置的接地》推荐值为准。

1.2 绕击

特高压输电线路的特点在于杆塔高、导线所承受的电压水平较高、避雷线的屏蔽功能相对较低。特高压输电线路的这些特点都是经过大量的实践得出来的。

我国与前苏联相比，雷击跳闸率相对较低，研究发现发生跳闸现象的主要原因在于雷电绕击导线，而且该现象往往出现在转角塔的位置，因此应该将避雷线保护角的数量减少，这样可以促进特高压输电线防雷水平的提高。实践表明，特高压导线电压对雷电规避的影响是非常重要的，分析结果显示，大部分的雷电压均为负，尽管在发生雷击的时候导线工作出现正负的概率是相同的，但实际上出现负的情况要远远多于出现正的情况，因此在研究雷击对特高压输电线路的影响时考虑电压的正负性是必不可少的。

表1：2008 ～2017年山西长治电网220kV 及以上线路综合雷击跳闸率

表2：1000kV 长治——南阳——荆门输电线路雷击跳闸率

表3：南阳——荆门1000kV 特高压交流线路综合雷击跳闸率/(l00km.a)

从最近几年的线路运行实践结果来分析的话，通常情况下线路耐张水平都高于线路跳闸时的雷电流水平。所以可以得出线路跳闸通常都是由于雷电绕击导致的，因此在设置特高压输电线路的时候应该着重考虑绕击因素的影响。

1.3 雷击档中跳闸

线路跳闸的另一种可能因素就是雷击档中跳闸，雷击档中跳闸指的是当发生雷击现象的时候线路中会出现过电压，这时过电压就会以击中点为中心逐渐向两侧移动，然后在杆塔接地作用的影响下把负反射波返回到发生雷击的部位。我国规定，如果线路故障电压值达到220~500kV 这时就需要依照国家规章制度的要求对线路进行巡查，并且以报告的形式记录相关数据。

1.4 输电线路雷电活动等级划分

雷电活动频度与地闪密度之间的关系十分密切，雷电活动频度的划分是以地闪密度值为依据的，根据地闪密度值(Ng)的不同把雷电活动主要划分成4 个等级，7 个层级。4 个等级主要包括A 级、B 级、C 级、和D 级，A 级代表的是雷电发生频率最低。

2 特高压输电线路沿线雷电活动情况

表1 所表示的是山西长治电网雷电活动情况，从所显示的信息中可以看出从2008年到2017年10年期间里长治电网雷电的地闪次数是84，密度值是2.1 次/（平方公里•年），从该结果中可以判断长治地区的雷电等级属于中雷区。

（1）从整体情况来看山西省电网雷电活动变化较大，其中长治市长子县地区的雷电频率最高，黎城县地区的落雷密度最大。从2008年到2017年，该地区的雷击跳闸率在0.18~0.38 次/百公里•年范围内波动，具体变化情况可以参照表1 所显示的数据。山西省长治市采取了很多措施进行电网防雷：主要包括雷电定位系统、架设耦合地线、加装杆塔拉线以及加强线路绝缘等。

（2）河南省雷电线路主要经过十二个市县，河难电网地闪密度等级是B2 级、C1 级。

（3）湖北省输电线路段经过9 个区县市，其中荆门市线路工程的地闪密度等级为B2 级。

由于特高压输电线路所经过的区域比较多，因此在收集雷电数据信息的时候通常结合线路的跳闸次数、雷电观测记录等信息进行，重点在于检验各地区的雷电地闪密度分布是否符合雷电活动情况。从以上各地的雷电分布情况来看，大体而言各个地区的地闪密度分布和雷电活动分布是一致的。

2.1 特高压长治-南阳线路的雷电性能

对特高压输电线路雷电日与落雷密度的分析需要通过划分网格的形式进行，网格划分要按照径向0.1°，线路走廊半宽度0.05°的标准进行，这样就可以把整个特高压线路走廊分成若干个大小是0.1°xo.r 的网格。

统计结果显示1000kV 长治-南阳输电线路的雷电日通常维持在40 天到60 天，雷电日的平均值是50 雷日。但是地闪密度的变化情况则与雷电日的变化情况相反，地闪密度变化较明显，一般来说维持在3.73~12.41 次/(km2*a)范围，地闪密度的平均值是7.48 次/(km2*a)。雷电日和地闪密度之间的关系可以表示成Ng=0.023Tdl.3。

该线路周围不同的雷电日，并依据相应计算公式对地闪密度进行计算，然后计算出雷电绕击跳闸率；除此之外，还对折合为40雷暴日时线路的绕击跳闸率进行了详细的描述。

由于计算方式不同因此所得出的雷电绕击跳闸率也存在一定的差异。从雷电定位系统的角度对地闪密度进行计算可以借助iVg=0.023r/3 公式完成，见表2。通过计算可以得出长治-南阳的加权单回绕击跳闸是0.071；南阳-荆门的加权单回绕击跳闸是0.098~0.103；长治-南阳-荆门线路的加权单回绕击跳闸是0.077~0.078。如果从雷电定位系统的角度对线路沿线地区的地闪密度进行计算可以得出长治-南阳的加权单回绕击跳闸是0.125~0.126;南阳-荆门的加权单回绕击跳闸是0.231~0.243；长治-南阳-荆门的加权单回绕击跳闸是0.17~0.177 次/(l00km 统计Ng)。

2.2 特高压南阳——荆门线路的雷电性能

通过表3 所显示的数据可以看出当该地区的平均雷暴日值是70d、塔的高度值是60 米、双回路保护角是负5 度，单回路保护角是负4 度的情况下，综合特高压输电线路的雷击跳闸率是0.443 次/(100km«a；当双回路保护角是负6 度、单回路保护角是负6 度的情况下，综合特高压输电线路的雷击跳闸率是0.240 次/(100km*a)。

当该地区的平均雷暴日值是90、塔的平均高度值是60 米、双回路保护角是负5 度，单回路保护角是负4 度的情况下，全线综合特高压输电线路的雷击跳闸率是0.334 次/(100km*a)；当双回路保护角是负7 度、单回路保护角是负6 度的情况下，全线综合特高压输电线路的雷击跳闸率是0.264 次/(100km*a)。

由于特高压输电线路工程具有十分重要的意义，因此在1000kV 特高压交流线路工程的保护角取值时需要充分考虑多种因素的影响。不同地区选取不同的地线保护角，平地的地线保护角可以设置为-4°丘陵和山地的地线保护角设置成-6°。

3 输电架空线路及防雷接地对策

接地系统在整个电网中所扮演的角色是十分重要的，对人身安全和设备安全都具有直接作用，是输电线路中必不可缺的一个重要组成部分。

3.1 输电线路接地要求

1000kV 特高压交流输电下路杆塔不连地线的最大工频接地电阻，这些数据都应符合《交流电气装置的接地设计规范》(GB50665-2011)要求的。

3.2 本工程防雷接地型式

由于特高压铁塔占地面积比较广，因此在设立接地装置的时候会消耗更多的接地材料、成本较高、工程较复杂、对植被的破坏性比较严重，基于这种情况提出了相应的内置接地装置方案，主要有四种，具体参照图1~图2。分别指出了不同类型铁塔的内置接地装置方案，图1 适合用于常规铁塔；图2 适合用于较大的铁塔;通过选取以上接地方式可以在很大程度上降低工程成本，简化施工过程。

图1：内置式矩形接地装置(钢管塔）

图2：内置式方形接地装置(钢管塔）

当接地线设立在山坡上时，这时要充分考虑雨水冲刷的影响，可以沿等高线挖填埋渠，在填埋的时候要注意选取干净的土壤。由于接地系统会对人身以及设备安全产生直接的影响，因此需要格外注重对接地系统的维护工作。在设置接地系统的时候也要充分考虑系统的安全性。此外，地形因素对接地系统装置的选择具有一定的影响，因此应该根据不同的地形选取不同的接地装置形式。山区在施工的过程中存在一定的问题，必须结合具体的操作环境对施工进行相应的调整，但是前提条件是不改变接地体总长度。

4 结论

通过对工程输电线路计算发现:当长治—南阳—荆门输电线路的双回路保护角是负3°与负5°的时候，该线路的雷击跳闸率与推荐值相符合。特高压输电线路具有电力输送距离远、电力输送功率比较大的特点，一旦线路发生跳闸现象会造成很大的负荷损失，同时特高压输电线路受天气状况、地形条件等因素影响，所以在各种因素的影响下特高压输电线路很容易发生跳闸现象，而跳闸现象往往都是由雷击引起的，所以做好防雷措施是必不可少的。所以我国的特高压输电线路的建设必须充分考虑各种外在因素的影响，所以在后续的研究中需要科研工作者更加关注并拓展解决该问题的研究思路。