关于高海拔地区500 kV输电线路防雷保护的探讨

2022-05-20袁春成

工程建设与设计 2022年6期

袁春成

（国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095）

1 项目概况

阿里与藏中电网联网工程是继藏中与昌都电网联网工程之后西藏自治区又一大型联网工程，其起自日喀则市桑珠孜区已建多林220 kV变电站，途经查务、吉隆500 kV变电站，萨嘎、仲巴、霍尔220 kV变电站，止于阿里地区噶尔县新建巴尔220 kV变电站。多林—查务—吉隆段线路长约2×488.3 km，采用2个单回路架设，除多林变出线段2×20.5 km按220 kV线路建设外，其余2×467.8 km按500 kV线路建设，本期降压至220 kV运行。线路整体呈东西走向，途经日喀则市桑珠孜区、萨迦县、拉孜县、定日县、聂拉木县、吉隆县，共计1市6县（区），海拔高度为3700～5300 m。线路设计基本风速29 m/s、33 m/s，设计覆冰10 mm。500 kV线路导线采用4×JL/G1A-500/45钢芯铝绞线，220 kV线路导线采用2×JL/G1A-240/30钢芯铝绞线。地线一根采用OPGW-120光缆，另一根在变电站进出线段采用JLB20A-100铝包钢绞线，其余段采用GJ-100镀锌钢绞线。

2 高海拔地区500 kV输电线路耐雷水平影响因素及防雷保护设计思路

2.1 耐雷水平影响因素

结合目前国内外输电线路运行情况及线路耐雷水平的相关研究来看，影响线路耐雷水平的因素包括杆塔高度、雷电波入射角、地面倾角、保护角、档距、风速、绝缘配置方式、工作电压、土壤电阻率、地形地貌、区域雷电活动情况及输电线路系统运行方式等[1]。

2.2 防雷保护设计思路

本项目中，根据西藏自治区落雷密度分布图及沿线各气象台站的统计数据，判断日喀则市地区及阿里地区落雷密度为0～0.265次/km2，日喀则雷暴日数为72.6 d。通过对附近运行输电线路进行了解，并参考青藏铁路电源线防雷研究结论“高原上的雷电强度比平原地区要弱”，本项目线路防雷保护可按常规输电线路来进行防雷设计。

相关研究表明，安装线路避雷器是目前提升线路耐雷水平的最佳方式，其实践效果良好[2]，若本项目全线安装避雷器，从理论上而言，因雷击造成的跳闸风险可以降到零。但线路避雷器造价相对较高，若全线安装避雷器，项目成本会大幅增加，同时，考虑到本期500 kV线路均降压至220 kV运行，因此，本项目暂不考虑加装避雷器。经综合分析研究，考虑到单一防雷措施的效果有限，决定在本项目中采用架设避雷线、缩小避雷线保护角、杆塔横担上安装侧向避雷针、加强导线绝缘性能及安装可控放电避雷针等方式进行防雷保护设计。通过采用多种防雷保护措施，不仅可以起到良好的保护效果，还能有效控制项目成本。

3 高海拔地区500 kV输电线路防雷保护措施

输电线路防雷保护设计的主要目的是提升线路耐雷水平，将线路跳闸率控制在合理范围，从而保障输电线路运行的稳定性与安全性。本项目为新建500 kV输电线路，但全线均降压至220 kV运行，同时考虑到全线地形地貌、雷电强度及土壤电阻率等多方面因素，决定采用以下防雷保护措施。

3.1 架设避雷线

架设避雷线是输电线路防雷设计的基本措施。避雷线一般位于塔顶导线之上的位置，可对导线起到很好的屏蔽作用。高电压等级输电线路一般架设双侧导线，形成对导线较小的保护角，能有效屏蔽雷电绕击。而对于110 kV及以下电压等级，由于杆塔较低且导线与避雷线间距较小，一般架设单根导线就可以有效防止雷击。本项目为500 kV高压输电线路，因此，采用双侧避雷线以起到良好的防护效果。

3.2 杆塔横担上安装侧向避雷针

在杆塔横担上安装侧向避雷针是一种施工较为简单且具有良好防护效果的防雷保护措施，可以有效增加避雷线保护范围，进一步控制线路绕击跳闸率。侧向避雷针的作用原理如下：在杆塔横担上安装侧向避雷针可以强化杆塔引雷能力，相较于线型物而言，避雷针更容易产生迎面先导，进而有效拦截下行先导。对于渗透到较低空间的弱雷，避雷针能够对其有效吸引，进而防止出现绕击跳闸情况。

侧向避雷针由杆塔横担端部横向延伸，对导线形成负角保护，其模型如图1所示（其中，k为导线至地面的高度；l为避雷线长度；rs为避雷针保护球域半径）。当发生雷击事故时，避雷针通过自身引雷作用，可将原本集中在导线上的绕击雷引入杆塔，并经过杆塔引到地面，进而达到防护目的。避雷针放电主要集中在针尖部位，击距曲面是以针尖为球心，以击距为半径的球面，即图1中球体O，由图可知，球面O与导线的暴露曲面存在交集，按击距理论，避雷针能屏蔽O内导线暴露曲面，该段导线受到雷击时，会先对避雷针放电，而非导线，从而起到良好防护效果。这种防雷保护设计可有效弥补避雷线的不足，进一步提高线路耐雷水平。

图1 侧向避雷针线路屏蔽模型图示

3.3 缩小避雷线保护角

相关研究表明，500 kV输电线路绕击跳闸事故发生率与避雷线保护角的关系如图2所示，由图可知，避雷线的保护角对于线路绕击跳闸事故发生率具有显著影响，当保护角变化幅度较小时，线路绕击跳闸事故发生率变化不明显；而随着保护角增大，线路绕击跳闸事故发生率明显上升；当保护角为零甚至为负角时，避雷线可完全屏蔽线路，即线路绕击跳闸事故发生率为零。理论上来说，缩小避雷线的保护角是增强线路屏蔽效果最为显著、最为直接的方式，但这需严格论证塔形设计，同时还需增加地线支架宽度，提高杆塔应力，从而使得杆塔耗钢量增加，增加线路架设成本。本项目中，经过综合论证分析，决定在全线易击点及多雷区的杆塔上采用该设计，兼顾技术性与经济性，在提升线路耐雷水平的同时合理控制项目成本。

图2 避雷线保护角和线路绕击跳闸事故发生率的关系

3.4 加强线路绝缘性能

设计输电线路时，可根据实际情况考虑增加绝缘子数量，这种方法可直接降低导线高度，同时缩小避雷线保护角，从而达到防雷保护目的。

3.5 安装可控放电避雷针

相关研究表明，雷云对地表物体的放电方式有两种，分别是上行雷闪与下行雷闪，当发生上行雷闪时，电流幅值相对较小，平均值在7 kA以下，陡度较低，不超过5 kA/μs，一般不会造成绕击跳闸事故。当发生下行雷闪时，电流幅值相对较大，平均值超过40 kA，且陡度较高，在30 kA/μs以上。上行雷闪所产生的上行先导对地表物体能够起到屏蔽作用，从而降低雷云放电时物体上的感应过电压。而可控放电避雷针正是利用该原理，使避雷针的针尖所处电场强度在特定条件下极高，从而快速产生放电脉冲，引发上行雷闪放电，而上行雷闪不会造成绕击跳闸事故，即可达到保护线路目的。可控放电避雷针具有以下两方面特性：（1）可控放电避雷针在线路系统上可形成一个范围较大且基本不会受到绕击的区域，可显著降低线路绕击跳闸事故发生率；（2）可控放电避雷针接地电阻较小，在安装时可直接利用杆塔接地装置，不需新增接地装置，可节约部分成本。

3.6 合理控制线路档距

当杆塔受到雷击时，雷电波会沿着导线传播，从杆塔传播到塔基需要一定时间，因此，若线路档距不同，则对线路的耐雷水平也会产生不同影响。当线路档距较小时，由于避雷线向相邻杆塔分流的雷电流较多，线路避雷器残压对相邻杆塔上绝缘子串作用电压能够形成钳制作用，因此，线路耐雷水平处于较高状态；当线路档距增加时，避雷线的分流作用明显下降，无法及时分流雷电流，同时，钳制作用也明显减弱，因此，线路耐雷水平受到明显影响。综上所述，合理控制线路档距也能在一定程度上保障线路耐雷水平，降低绕击跳闸事故发生率，保护输电线路运行安全。

3.7 其他措施

其他线路防雷保护措施主要包括以下方面：（1）全线架设双地线作为防雷保护措施之一，单回路铁塔地线对边导线的保护角不大于10°；（2）2根地线间的距离不超过导线和地线间垂直距离的5倍；（3）档距中央导线与地线间的距离为S，在15℃无风时满足下式要求：S≥0.015L+1（L为档距长度，m）。而且该距离值不宜太大，以免雷暴绕击导线事故上升。

4 高海拔地区500 kV输电线路防雷保护经济性分析

本项目全线呈东西走向，途经日喀则市桑珠孜区、萨迦县、拉孜县、定日县、聂拉木县、吉隆县，共计1市6县（区），海拔高度3700～5300 m，地形比例为河网2.1%，平地13.3%，丘陵16.5%，山地39.8%，高山18.3%，峻岭10.1%。项目整体施工难度较大，需投入大量资金，因此，线路防雷保护设计方案要在确保防护效果的基础上兼顾经济性。由于本项目为安装避雷器，全线以双侧避雷线为主要防类措施，同时采用了多种防雷保护措施，在易击点以及多雷区通过在杆塔横担上安装侧向避雷针提高保护力度，有效控制了线路绕击跳闸故障发生率，保障了线路运行安全。