高压输电线路的防雷保护

罗晓军

(鄂尔多斯市神东工程设计有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

矿井变电站作为矿井供电的电力枢纽，承担了矿区的动力供应，其安全稳定运行十分重要。矿区变电站输电线路基本远离城区，为了减少线路长度及对城镇建设的影响，线路多架设在地势较高的山区，带来的代价就是雷击概率较高，实际运行数据也表明雷害故障占线路故障总数约40%～70%，尤其在高山多雷处、岩石覆盖层等土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击致事故率更高，神东矿区横跨蒙、陕、晋三省区，地形起伏大，以山区地形为主，由于矿区面积大、矿井数量多，故架设有大量110 kV及35 kV线路。在雷雨季节，此部分线路常出现雷击跳闸现象，导致变电站停电、煤矿通风机停运，严重影响了煤矿的供电安全，本文结合神东公司多年来对众多输电线路运行经验及数据分析，从技术角度分析各种情况下的雷击过电压种类及影响过电压的因素，进而给出切实可行的提高输电线路耐雷水平及雷击跳闸率的防雷措施。

1 输电线路雷击过电压的种类

雷击现象虽然十分复杂，但其主要分为以下2种类型。

1.1 直击雷过电压

输电线路遭受雷击时，杆塔塔顶、线路避雷线、导线均可能被击中，如图1所示，此时直接被雷击中的过电压为直击雷过电压。

图1 输电线路遭受雷击示意Fig.1 Lightning strikes on power transmission lines

1.1.1 雷击线路杆塔塔顶或避雷线时过电压

击中避雷线时，由于避雷线都是与大地相连接，雷电流会顺着避雷线流入大地(多杆塔会分流)，此时由于是直接击中，产生过电压最大，危害也最大，容易引起绝缘子闪络。根据现行《电力工程高压送电线路手册》可知：

塔顶电位：由式(1)计算取得

(1)

式中，I为雷电流幅值，kA；β为杆塔分流系数，见表1；Rsu为杆塔冲击接地电阻，Ω；Lt为杆塔电感，H，见表2。

表1 分流系数βTable 1 Diversion coefficient β

表2 杆塔电感LtTable 2 Tower inductance Lt

导线电位：塔顶与地线具有相同的电位Utp。地线和导线间具有耦合作用，故导线上产生的电位为kUtp。另外，当雷击杆塔塔顶时，导线上会产生与雷电流极性相反的感应过电压Uic，如此，导线上的电位UC为

(2)

式中，k为避雷线与导线的耦合系数，k=k1k0；α为感应过电压系数，α=I/2.6。

线路绝缘子串上的电压(塔顶电位与导线电位之差)为

(3)

式中，ha为横担对地高度，m；ht为杆塔高度，m。

根据现行规程GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》及实际经验，80%的雷电流幅值在62 kA及以下，取杆塔呼称高度18 m，避雷线安装高度25.5 m计算得，Ut=843.37 kV。

此时对于35 kV线路，绝缘子大多为4片，参照制造厂给出的雷电全波冲击50%闪络电压数据在每片100～135 kV之间，实际雷电冲击电压U50%约为制造厂数据的85%～90%左右，故在雷击杆塔时35 kV线路绝缘会发生闪络，对线路构成反击。而对高一个电压等级的110 kV线路绝缘子片数大多为8片或以上，故在雷击杆塔时110 kV线路绝缘存在发生闪络的可能性。

1.1.2 雷绕击导线时的过电压

电力运行单位一般均在线路上架设避雷线，用来防止导线被雷直接击中，但此方法也不是绝对安全的，仍然会存在雷电流绕过避雷线直接击中导线的现象。绕击首先与杆塔自身构造有关系，如杆塔结构决定了杆塔保护角、杆塔总高度、杆塔架设位置；也与杆塔接地装置接地电阻大小有关系。雷击时绕过避雷线击中导线的概率虽然不大，但是一旦发生绕击危害非常大，往往会引起线路绝缘子串的闪络。

根据我国现行规程，雷电直接击中导线时，当雷电流幅值达到最大，导线上的电压最大，其幅值为

(4)

式中，I为雷电流幅值，kA；ZC为导线波阻抗，Ω；Z0为雷电通道波阻抗，Ω。

行业规程建议ZC=2Z0，330 kV以下输电线路ZC=400 Ω，故导线上的电压幅值Ud=100IkV。

此时绝缘子串上承受的电压也是此电压，这对于35 kV、110 kV线路而言其绝缘是难以承受的，因此，在线路上架设避雷线来减少雷直接击中导线是必要的。

1.1.3 档距中央避雷线遭受雷击时的过电压

雷直接击中两杆塔中间的避雷线位置时，由于是直击，故会产生较高的过电压幅值，但是由于避雷线的线径较细，电晕效应会衰减能量，进而引起能量消耗并快速衰减，当雷电流沿着避雷线到达杆塔时候，其能量已不足导致绝缘子串击穿，故此时只需考虑雷击导线时不要击穿避雷线与导线间的空气间隙即可，我国现行规程规定，在一般档距中央，导线与地线间的距离，应按照下式计算

S≥0.012l+1

(5)

式中，S为导线与地线间的距离，m；l为档距，m。

1.2 感应雷过电压

在雷雨天气会发生地面落雷，此时雷电流会产生强烈电磁脉冲，进而会在线路上产生感应电压。线路上感应电压的大小与雷电流幅值的大小、导线悬挂点的平均高度、雷击点与线路的距离均有关系，即雷电流越大、导线挂线平均高度越高、雷击点距离越近，产生的过电压则越高。

根据多年来供电单位的运行经验并结合理论分析，当落雷点距离导线的距离在65 m以上(65 m以内由于线路及杆塔的引雷作用而直接击中杆塔或导地线)，雷电流不超过100 kA时，导线上感应雷过电压幅值Ui可计算为

(6)

式中，I为雷电流幅值，kA；hc为导线悬挂的平均高度，m；S为雷击点与导线的水平距离，m。

由于地面落雷处的接地为自然接地，无任何接地措施，故接地电阻较大，以致雷电流一般情况下不会超过100 kA，故按照100 kA的雷电流估算线路上的感应过电压是相对安全的。经查询统计资料，此时的感应过电压一般不会超过500 kV，此过电压对35 kV线路可能造成绝缘闪络(线路4片绝缘子U50%雷击闪络电压约为400～540 kV)，对于绝缘水平较高的110 kV及以上线路，一般不会引起闪络。感应过电压在三相导线中同时存在，不同之处仅仅是杆塔高度不一致而导致的过电压数值不一致，但在三相线路中产生的电位差是不大的，故相间绝缘完全能够承受住此时的感应过电压。

神东公司的35 kV及以上电压等级的输电线路上都架设有避雷线，此时避雷线会对导线产生屏蔽作用，屏蔽会导致导线上的感应电荷降低，进而使得导线上的感应过电压较无避雷线时幅值降低。

设导线和避雷线的对地平均高度分别为hc和hg，假设避雷线不接地，则导线上和避雷线上的感应过电压为别为Ui·c和Ui·g，计算式为

(7)

(8)

输电线路上架设避雷线实际上通过杆塔的接地装置接地，而大地的定位为零，此时等价于在避雷线上产生一个-Ui·g的电位，如避雷线与导线之间的耦合系数为k，则导线上的感应过电压为二者叠加之和，即导线上实际产生的感应过电压为

(9)

通过式(9)可以看出，架设避雷线可以使感应过电压明显降低，过电压幅值约为无避雷线时的70%～80%。

有避雷线的高压输电线路感应雷过电压会在最大不超过500 kV的基础上进一步下降，下降之后约为350～400 kV。故避雷线的存在会降低感应雷过电压的水平，提高线路的感应雷耐受水平，尤其对于35 kV线路，效果较明显。

2 输电线路的防雷性能及指标

耐雷水平是指在雷雨季节发生雷击时，线路的绝缘(绝缘子)所能承受(不发生冲击闪络)的最大雷电流幅值(kA)。

2.1 雷击塔顶时的耐雷水平

在不计避雷线与导线高度差时，雷击杆塔的耐雷水平I1可简化为

(10)

通过上式可以看出，此时耐雷水平与分流系数β、杆塔等值电感Lt、杆塔冲击接地电阻Ri、导地线间的耦合系数k和绝缘子串的冲击放电电压U50%等有关。其中效果较明显的措施是降低冲击接地电阻和提高导地线间的耦合系数，降低杆塔接地电阻在工程中容易实施，应给予优先考虑。

根据我国现行规程GB/T 50064—2014规定的有地线线路的反击耐雷水平及对应的冲击接地电阻亦可看出降低杆塔接地电阻能明显地提高线路的反击耐雷水平。线路反击耐雷水平见表3。

表3 线路反击耐雷水平Table 3 Lightning resistance level of lines

2.2 雷击导线时的耐雷水平

经查询统计资料，雷直接击中导线时绝缘子上将承受Ud=100I的雷电过电压，当该电压Ud等于或者大于线路绝缘子的冲击耐压U50%时，将导致绝缘子串的闪络，此时宜取负极性的U50%。故雷击输电线路的耐雷水平I2为

(11)

2.3 雷击档距中央避雷线的耐雷水平

实际高压输电线路的避雷线和导线间的空气间隙按照S≥0.012l+1的要求设计，故雷击档距中央避雷线时不会发生冲击闪络。所以认为雷击档距中央时无论雷电流多大，线路都能耐受。

2.4 雷击跳闸率

高压输电线路遭受雷击时，雷击电流超过输电线路的耐雷水平，引起线路发生绝缘闪络，由于雷击闪络持续时间非常短(几十微妙)，线路保护装置(断路器)来不及跳闸，只有在冲击闪络转化为稳定的工频电弧导致线路发生单相接地，此时线路跳闸，线路雷击跳闸率是指标准雷暴日数为40的时候，每100 km长的线路每年因雷击引起的跳闸次数，其单位为次/(100 km·n)。雷击跳闸率是表征输电线路遭受雷击造成损失的一个参数。

3 输电线路的防雷措施

高压输电线路遭受雷击可能引起2种破坏，一是雷击过电压造成绝缘闪络继而转换为工频电弧导致线路发生短路接地故障而跳闸，统计数据显示雷击是引起线路跳闸停电事故的主要原因(占比约为40%～70%)；二是雷击线路形成的电压波会沿着高压输电线路传播最终可能侵入变电所，由于变电所内设备额定雷电冲击耐受电压水平远低于线路产生的雷击过电压，故雷击过电压会严重危害变电站电气设备的安全运行。基于以上原因，在设计高压输电线路时必须采取切实可行的防雷措施，提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率，以保障线路及变电站的供电安全。根据雷击事故形成的4个阶段，一般设置4道防线。

3.1 防雷直击导线

采取的措施是在输电线路上架设避雷线，目前高压输电线路架设避雷线在实际工程中被公认为防直击雷最行之有效的措施，也是防直击雷措施的首选措施。避雷线可以对雷电流进行分流，能够减少集中流入某一基杆塔的雷电流，进而会导致杆塔电位降低；此外，可以与导线产生耦合，降低导线上的感应过电压，同时还会对绝缘子串上的过电压予以削弱；对导线有屏蔽作用。

3.2 防闪络

防闪络即防止雷击时发生或减少发生线路绝缘闪络，采取的方法有加强线路绝缘(提高绝缘子片数)、降低杆塔的接地电阻(提高耐雷水平)；高土壤电阻率地区，若雷击事故频发，接地电阻又难以降低，此时可以在导线下方架设耦合地线，增强导地线之间的耦合系数，加装接地拉线并设置单独的接地装置以增强分流。其中，降低杆塔接地电阻提供耐雷水平进而防闪络是工程中最经济最实用的办法。工程中应予以优先考虑。

对于加强线路绝缘，表面看起来简单，只是增加绝缘子片数即可，但是实施起来很困难，具有很大程度的局限性，不仅增加了绝缘费用，由于增加绝缘子会导致绝缘子串长度变长，杆塔的空气间隙变小，若想保证线路安全运行还必须增大杆塔的尺寸；杆塔尺寸变化，必然导致杆塔结构变化，杆塔需要重新设计，同时杆塔钢材用量必然升高，一般仅在落雷机会较多的大跨越高杆塔上使用(杆塔空气间隙有较大的余量)。增加绝缘子串长度后，线路雷击闪络率降低了，但存在的问题是线路绝缘与变电站设备绝缘配合可能出现冲突，即如果线路上雷电过电压不能沿着线路杆塔释放到大地而有效降低雷电流幅值，此时雷电流只能顺着线路侵入变电站，但是变电站电气设备雷电冲击绝缘水平较低远达不到抵抗雷电过电压的绝缘水平，故会对变电站内电气设备绝缘造成损坏。所以此方法应慎用。

3.3 防建弧

线路遭受雷击发生闪络的时间其实非常短暂，保护装置来不及反应跳闸，此时若控制其不产生稳定的工频电弧，即能减少雷击跳闸率，可以采取的措施主要有2种：一种是在变电站内安装消弧线圈，另外一种措施是在线路上安装避雷器。

变电站内安装消弧线圈，其作用是控制雷电过电压所引起的相对地冲击闪络不转变为稳定的工频电弧，从而达到降低建弧率和减少断路器跳闸次数的目的。

线路上安装线路避雷器，避雷器安装时其实是与绝缘子串并联，雷击时避雷器工作导通，这样可以防止线路绝缘子发生冲击闪络，且避雷器能够自行关断进而切断工频电弧，从而降低雷击跳闸率。

3.4 防停电

线路在遭受雷击后的补救措施，即绝缘瞬间闪络保护跳闸，此时由于闪络时间较短，绝缘能够自动恢复，因而可以采取重合闸的方式予以补救。若是雷击引起的瞬间故障则线路合闸成功继续供电，若变电站电源线路是同塔双回线路还可以采取不平衡绝缘的方式，即在发生雷击时牺牲一回线路来保证另外一回线路的运行。

4 结语

雷电活动是极其复杂的，即使在科技发达的今天，人们在防雷上也不能做到100%防止雷电带来的破坏，输电线路的防雷也是如此，只能通过各种措施尽量降低雷电破坏产生的损失，输电线路防雷应综合线路的电压等级，输电线路的负荷性质，系统的运行方式，线路路径所在地区的气象条件、地形地貌和土壤电阻率等情况，通过技术经济比较，根据不同的线路特点及性质制定不同的保护方案，不能不惜代价地追求防雷效果，尤其是对一些不重要的负荷线路，更不能如此，在设计输电线路的防雷保护措施时必须与变电站的绝缘水平相配合，优先保证变电站电气设备与供电安全。