500kV同塔四回输电线路全线雷击特性研究

国网江苏省电力有限公司建设分公司 刘志伟 赵会龙 刘 巍 茅鑫同 扬州北辰电气集团有限公司 周 俊

为提升输电线路走廊利用效率、提高输电线路的经济性，同塔多回输电线路已成为远距离输电的重要方式[1]。相比于传统的单回输电线路，同塔多回输电线路杆塔高度高、引雷面积大、线路布置更加复杂，因此更容易发生雷击事故[2-4]。而且，由于多回输电线路布置在同一杆塔上，当遭遇较大雷电流时，容易发生多回输电线路同时跳闸的情况，造成大面积停电和电力设备损坏[5]。

因此，输电线路雷击特性对筑牢电网生产安全具有重要的作用。为了准确获取同塔多回输电线路雷击特性，需要结合线路实际条件，对全线输电线路进行分析。本文通过统计虞城换流站-玉山500kV 同塔四回输电线路的杆塔结构参数、沿线雷电活动参数等，分析了线路沿线的绕击和反击特性。

据长期的运行经验表明，同塔多回输电线路因为回路数较多、档距长、杆塔高，客观上就导致电网输电线路遭受的雷击风险高且越来越多，一旦出现一次雷击线路的跳闹问题，都能给电力系统产生极强的扰动，同时还会导致输电线路的设备出现损毁、发生线路停运的状况，严重的甚至可能会出现大面积的停电事故，必定会给社会造成经济损失和不利的社会影响。因此，保证500kV 同塔多回输电线路的安全稳定运行，是摆在电力工作者面前的难题。

据统计，近年来500kV 高压输电线路雷击跳闸次数，呈逐年递增的态势。因此，对输电线路雷电绕击进行分析，对于影响同塔多回输电线路防雷性能的敏感因素：地面倾角、接地电阻、保护角、导线的排列方式等进行研究分析是十分必要的。本文通过统计虞城换流站-玉山500kV 同塔四回输电线路的杆塔结构参数、沿线雷电活动参数等，分析了线路沿线的绕击和反击特性，对全线输电线路进行雷击闪络风险评估，进而制定相应的防雷措施。

1 500kV 同塔四回输电线路简介

虞城换流站-玉山500kV 输电线路起自虞城换流站的500kV 构架，止于玉山500kV 变电站，途经江苏省常熟市、苏州市相城区和昆山市。其中，500kV 华能/石牌-车坊双回线路走廊新建同塔四回线路，长度为14.4km，采用六层横担布置。四回路段跨越地形以平地和河网为主，沿线总共36基杆塔，其中直线塔占比53%，耐张塔占比47%，全线均架设有两条避雷线。本文基于沿线杆塔几何特性和不等高悬挂模型，利用MATLAB 模拟全线输电线路（图中“1”为避雷线，“2～7”为各层导线）的高度分布情况如图1所示。

图1 虞城换流站-玉山500kV 同塔四回输电线路避雷线和各层导线的高度分布

2 500kV 同塔四回输电线路雷击特性

本文基于改进电气几何模型进行绕击耐雷水平和绕击跳闸率计算，并基于ATP-EMTP 建模进行反击耐雷水平和反击跳闸率计算，分析全线输电线路的绕击和反击特性，其中输电线路绕击跳闸率N和反击跳闸率n 的计算公式如下：

式中：η 为建弧率，Ng为地闪密度，Td为雷暴日数，LD为线路长度，Zs为暴露距离，f（I）为雷电流幅值分布函数，ρ（φ）为入射角分布密度函数，b 为避雷线的水平距离，hb为避雷线对地平均高度，g 为击杆率，PI为雷电流幅值大于反击耐雷水平的概率。

由图2和图3可知，虞城换流站-玉山500kV 同塔四回输电线路全线路平均绕击跳闸率（Nave）为0.067次/100km·a-1，其中超出平均值20%（120%Nave）的线路有7段，超出50%（150%Nave）的线路有3段。对于同塔四回输电线路而言，第三层线路发生绕击的概率最大，约为78%，其次是第二层线路和第五层线路，其余线路发生绕击跳闸的概率很小。其原因在于杆塔第三层横担相对比较突出，受地线和上层导线的屏蔽作用较弱，导致暴露弧较大，绕击风险增加。第一层、第四层线路和第六层输电线路分别受到地线、第三层线路和大地的良好屏蔽作用，所以绕击跳闸率较低。

图2 500kV 同塔四回输电线路雷电绕击特性

图3 输电线路各层导线的绕击跳闸率

由图4可知，全线路平均反击跳闸率（nave）为0.033次/100km·a-1，超出平均值的杆塔有20基，且#85、#97、#101、#112、#111、#112的反击跳闸率相对较高，均超过0.063次/100km·a-1。其中，直线塔第二层和耐张塔第一层线路最易发生反击。结合输电线路的绕击特性和反击特性，可以得到全线路综合雷击特性，如图5所示。虞城换流站-玉山500kV 同塔四回输电线路综合雷击跳闸率为0.10次/100km·a-1，低于《110（66）kV～500kV 架空输电线路管理规范》中的指标（0.14次/100km·a-1）；而超出规范值的共有3基杆塔，均为直线塔（#97、#111、#112杆塔，其原因在于上述3基杆塔高度较高，约为140m，从而易于发生雷击事故。另外，统计发现，直线塔的平均雷击跳闸率为0.084次/100km·a-1，显著高于耐张塔的0.05次/100km·a-1。

图4 500kV 同塔四回输电线路雷电反击特性

图5 500kV 同塔四回输电线路全线路综合雷击特性

3 主要防雷措施分析

对于500kV 同塔四回输电线路，防雷击同跳事件是输电线路防雷的工作重点，且在进行输电线路设计的初期应严格采用“差异化防雷”的思想和策略，并采用合理的雷击输电线路仿真模型和计算方法，评估500kV 同塔四回输电线路的耐雷性能，进而制定针对性防雷保护措施。

3.1 减小保护角

通过对雷电绕击影响因素的分析，减小避雷线的保护角，或者采用负保护角，可以有效提高导线受避雷线的屏蔽作用，从而降低架空输电线路发生绕击的概率，减小保护角降低防雷的措施主要用于输电线路改造工程和新建线路设计工程。

3.2 降低杆塔冲击接地电阻

通过对雷电反击影响因素的分析，降低杆塔冲击接地电阻，可以有效提高输电线路的反击耐雷水平，从而降低输电线路发生反击的概率。对于我国平原地区，尤其是土壤电阻率相对较低的地区，常规的接地设计，其杆塔冲击接地电阻均能满足要求。

3.3 安装线路避雷器

安装线路避雷器是指在线路上安装避雷器，使避雷器与绝缘子串构成并联，以提高输电线路的反击耐雷水平，降低输电线路发生反击的概率。相比其他防雷措施，安装线路避雷器在防雷保护原理上更好、保护效果更显著，但其防雷保护范围仅为安装线路避雷器处、两基杆塔之间的一个档距范围。

3.4 其他

除以上常见的防雷措施外，当杆塔冲击接地电阻降低较难实现时，可在导线下方另架设一根地线进行防雷，即架设耦合地线法。另外，还可通过安装并联间隙装置、避雷针等防雷装置对输电线路防雷进行较好的补充，最终降低输电线路的雷击跳闸率。

4 结论

为了准确获取同塔多回输电线路雷击特性，本文通过统计虞城换流站-玉山500kV 同塔四回输电线路的结构参数、沿线雷电活动参数等，利用MATLAB 编程和ATP-EMTP 搭建全线仿真模型，计算了全线路的雷电绕击和反击特性，并制定相应的防雷措施，研究发现：一是全线路平均绕击跳闸率为0.067次/100km·a-1，平均反击跳闸率为0.033次/100km·a-1。其中，第三层导线易发生绕击，直线塔第二层和耐张塔第一层导线易最先发生反击。二是全线综合雷击跳闸率为0.10次/100km·a-1，低于规程规范中的指标0.14次/100km·a-1。直线塔的平均雷击跳闸率高于耐张塔，尤其是#97、#111、#112直线型高杆塔的雷电反击跳闸率较高。

本文针对500kV 同塔四回输电线路全线雷击特性的研究可为防雷措施提供理论依据，但并未对不同防雷措施对杆塔的反击耐雷水平和反击跳闸率进行试验比对分析，下一步可结合全线路雷击特性和各种防雷措施的优缺点，选择防雷的最优措施来提升高风险杆塔的防雷性能。