浙江电网降低高压输电线路雷击跳闸率的措施分析

金祖山，胡文堂，龚坚刚，吴明祥，曾 嵘

（1.浙江省电力试验研究院，杭州 310014；2.浙江省电力公司，杭州 310007；3.清华大学电机系，北京 100084）

近年来浙江电网在高压输电线路中，积极采取降低杆塔接地电阻、加强绝缘水平、安装线路避雷器、增加耦合地线等防雷措施以降低高压线路雷击跳闸率。以下通过计算分析各种防雷措施降低反击跳闸率或绕击跳闸率的效果。

1 降低接地电阻的效果分析

110～500 kV杆塔接地电阻对反击跳闸率的影响如图1-3所示。从图中可知，各种杆塔的反击跳闸率都随接地电阻的增大而明显增高，并且越高的杆塔反击跳闸率越高。这一方面是由于线路耐雷水平随着杆塔高度的增加而降低，另一方面较高的杆塔引雷面积较大，发生反击的概率也较大。此外同等高度下，猫头塔的反击跳闸率高于耐张塔，这是因为猫头塔避雷线与外侧导线距离较远，耦合系数较小且绝缘子串较短，因而耐雷水平较低，较易发生反击闪络；同杆双回塔由于杆塔很高，引雷面积大，发生反击的概率较大，因而对杆塔接地电阻应该有更严格的限制。

当接地电阻降到5 Ω时，500 kV输电线路反击跳闸率可以降到0.1次/（100 km·a）以下；当接地电阻降到10 Ω时，220 kV以及110 kV线路反击跳闸率可以分别降到2.0次/（100 km·a）以下与 3.0 次/（100 km·a）以下。

图1 500 kV杆塔接地电阻对反击跳闸率影响

图2 220 kV杆塔接地电阻对反击跳闸率的影响

图3 110 kV杆塔接地电阻对反击跳闸率的影响

2 加强绝缘水平的效果分析

2.1 加强绝缘对反击跳闸率的影响

各种塔型不同杆塔接地电阻下加强绝缘对跳闸率的影响如图4-6所示。从图中可知，增加绝缘子片数可以有效提高线路的耐雷水平。即使在接地条件较为恶劣时，如接地电阻大于20 Ω时，110 kV线路每增加1片绝缘子可使线路耐雷水平提高8 kA左右，220 kV线路每增加1片绝缘子可使线路耐雷水平提高10 kA左右，500 kV线路每增加1片绝缘子可使线路耐雷水平提高15 kA左右。

当接地电阻较低时，由于线路本身耐雷水平较高，增加绝缘子对反击率的改善效果并不明显。但在接地电阻较高时，增加绝缘子片数可以有效降低线路的反击跳闸率。当接地电阻为30 Ω时，对110 kV线路每增加1片绝缘子可使反击跳闸率降低到 2.0次/（100 km·a） 左右，220 kV线路每增加1片绝缘子可使反击跳闸率降低到1.2次/（100 km·a）左右，500 kV 线路每增加 1片绝缘子可使反击跳闸率降低到0.4次/（100 km·a）左右。

2.2 加强绝缘对绕击跳闸率的影响

增加绝缘子片数或增加复合绝缘子长度对绕击跳闸率的改善作用有两方面：

（1）在正保护角条件下，可以在一定程度上减小保护角，提高地线屏蔽效果。

图4 110 kV猫头塔增加绝缘对跳闸率的影响

图5 220 kV同杆双回塔增加绝缘对跳闸率的影响

图6 500 kV猫头塔加强绝缘对跳闸率的影响

（2）加强绝缘可以提高线路的绕击耐雷水平，进而降低绕击跳闸率。

在现有条件下，由于机械受力以及绝缘配合的原因，增加的绝缘子串长度极为有限，因此对导线的保护角影响很小。增加绝缘长度对绕击跳闸率的影响主要体现为改善耐雷水平。

对于110 kV以及220 kV线路，增加线路绝缘长度更为可行。加强绝缘后平均每增加1片绝缘子可提高约1 kA绕击耐雷水平。

通过计算可知，加强绝缘对降低输电线路的绕击跳闸率有一定作用。对于110 kV输电线路，这种作用不明显且存在一定的饱和趋势；对于220 kV线路有一定的效果。但是在增加绝缘子片数很少的情况下，加强绝缘对改善绕击跳闸率影响很小。可见，增加绝缘子对改善反击跳闸率作用明显，对改善绕击跳闸率，作用不大。

3 安装线路避雷器的效果分析

位于山区复杂地形、高土壤电阻率地区的线路，当采用其它措施仍不能有效降低雷击跳闸率时，可以考虑安装线路避雷器，能避免安装相的反击。当雷击杆塔塔顶电位升高时避雷器动作，部分雷电流通过安装避雷器的相导线泄放，从而在一定程度上降低塔顶电位；另一方面随着避雷器动作，安装相导线电压升高，会在相邻相上感应较高电压。2个因素共同作用使得其它相绝缘子上的电压降低，耐雷水平得到改善。从提高耐雷水平的机理上看，该方法与增加耦合地线的效果相似，但由于相导线电阻更小，而且与其它导线间的耦合作用更强，因此对耐雷水平的改善效果也更为明显。

理论计算和实际运行经验都表明，安装线路避雷器对防止反击和绕击都有明显的作用，可以有效提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率。对于接地电阻较大、可能发生反击的杆塔，需要三相分别安装线路避雷器；对于地面坡角较大或大跨越的线路，为防止绕击只需在可能发生绕击的外边相安装即可。经过正确绝缘配合安装的线路避雷器对导线的保护作用非常明显，在易击的杆塔和线路上安装避雷器后有效避免了再次遭受雷击时跳闸的发生。此外，线路避雷器还可以起到限制操作过电压的作用。

线路避雷器能够对所安装的杆塔提供非常可靠的雷电防护，但其保护作用存在一个有效距离，对相邻杆塔的保护作用则随着档距的增加而明显减小。计算表明，超高压线路一般档距长度下线路避雷器对相邻杆塔的绕击耐雷水平基本没有改善作用，对反击耐雷水平的改善也不明显，提高约2 kA左右。因此可以认为线路避雷器可使安装相的雷击跳闸率降为0，而对相邻杆塔则基本没有影响。

线路避雷器造价比较昂贵，而且线路避雷器的运行维护与检修工作量很大。这就决定了线路避雷器不能在所有的杆塔上使用，最有效的方法就是选择经常发生雷击故障的杆塔或易击相安装。另外，当杆塔很高或有大跨越等易发生雷击同时对可靠性要求很高时，可以采用线路避雷器。对于一般线路，采用线路避雷器抑制反击跳闸需要安装三相，成本较高。建议采用其它措施，如改造接地装置或增加绝缘等，地形复杂、绕击率较高的线路，通过加强绝缘等方法仍无法有效降低雷击跳闸率时，可以考虑在外边相安装避雷器，以达到防雷效果和经济性的最优选择。

线路安装避雷器后的绕击跳闸率，可以按如下原则进行计算：山坡外侧相安装避雷器后绕击跳闸率降为0，山顶和跨越山谷线路边相安装避雷器时绕击率降为原来的50%，两侧边相都安装避雷器后绕击率为0。

500 kV杆塔接地电阻与不同线路避雷器安装方式下的耐雷水平如图7所示，500 kV杆塔接地电阻与不同线路避雷器安装方式下的反击跳闸率如图8所示。

图7 500 kV杆塔接地电阻与不同线路避雷器安装方式下的耐雷水平

图8 500 kV杆塔接地电阻与不同线路避雷器安装方式下的反击跳闸率

由图7-8可知：装两支避雷器比未装时耐雷水平提高150 kA左右，并且接地电阻越小效果越明显；装单支避雷器比未装时耐雷水平提高100 kA左右，装单支或两支避雷器时的反击跳闸率比不装避雷器时大幅度降低。如果接地电阻较低，则只在边相安装避雷器就能有效防反击。

4 增加耦合地线的效果分析

除了降低接地电阻、加强绝缘和安装线路避雷器外，还有一些措施可以对输电线路的防雷性能起到改善作用，如增加耦合地线和采用侧向避雷针等。

增加耦合地线的作用主要是提高线路的反击耐雷水平，降低反击跳闸率，因而耦合地线主要应用在接地电阻较高的线路。耦合地线提高耐雷水平的机理包括两方面：

（1）耦合地线可以增加导线和地线间的耦合作用，雷击塔顶时在导线上产生更高的感应电压，从而减小绝缘子串承受的冲击电压。

（2）耦合地线可以降低杆塔的分流系数，特别是在接地电阻较高时，可使雷电流易于通过邻近杆塔的接地装置散流，从而降低塔顶电位。

但从总体效果来看，采用耦合地线对改善耐雷水平的效果不太明显，与增加两片绝缘子的作用基本相同。而从增加耦合地线的经济性来看，增加耦合地线的费用包括增加耦合地线的材料和施工费用，杆塔基础和重量增加的费用等，其费用远远超过增加绝缘子片数等措施。日本电力中央研究院对500 kV同杆双回线路进行了计算，结果见表1。从表1可以看出，在对雷击性能改善效果相似情况下，采用耦合地线的总费用约为增加绝缘串长度的4.5倍。因此在使用耦合地线时应对效果和费用做综合比较，多数情况下该方法的性价比较低，从技术经济的角度不推荐采用耦合地线。

表1 增加绝缘子串和耦合地线的故障率比较

5 实施线路防雷改进措施的建议

5.1 加强线路绝缘

降低杆塔接地电阻能够有效降低反击跳闸率。加强线路绝缘水平则首先要考虑加强绝缘后线路的绝缘配合问题。因为增加绝缘子片数，绝缘子串长度增加，因此需要对空气间隙重新校核；其次，施工中线路需要停电，导线需要得到很好的安置，避免表面划伤，因此施工费用较高。从技术经济角度考虑，110 kV线路可以考虑加强线路绝缘；220 kV线路不建议加强绝缘；500 kV线路不宜加强线路绝缘。

5.2 安装线路避雷器

安装线路避雷器对防止反击和绕击都有明显的作用。对于110 kV线路，易击杆塔和易击段安装避雷器后能有效避免再次遭受雷击时跳闸的发生，110 kV线路避雷器价格相对低廉，与其它措施相比性价比高，从技术经济考虑，建议110 kV在易击段安装三相避雷器。

对于220 kV线路，安装避雷器明显优于不安装避雷器，安装三相避雷器明显优于安装单相或两相避雷器。如果选择安装两相避雷器时，建议安装在中间相和下侧相；如果选择安装单相避雷器时，建议安装在下侧相。

对于500 kV线路，绕击是造成线路雷击故障的主要原因。因此，在500 kV线路上安装线路避雷器主要以改善绕击为主。500 kV线路绕击主要发生在边相，原则上只需要安装一相或者两相避雷器，具体情况以需要安装杆塔的局部地形为准。对于位于山坡外侧的杆塔，只需要在外侧相安装线路避雷器；对于位于山脊或山梁的杆塔，需要在两侧边相避雷器。

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