输电线路雷电防护的现状分析

叶 明，柳志江，吴芳华，邹治寰

（湛江市防雷设施检测所，广东 湛江 524001）

1 引言

输电线路纵横交错分布在旷野上，极易遭受雷击，因雷击造成输电线路闪络引起的线路故障一直是影响电网安全运行较为主要的原因之一。在我国跳闸率比较高的地区，高压线路运行的总跳闸次数中由雷击引起的次数约占 40 %～70 %，在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输电线路而引起的事故率则更高。[1]雷电活动特性是输电线路防雷设计的基础，与输变电工程雷电防护相关的雷电参数有雷暴日、地面落雷密度、雷电流幅值及波形等，目前积累最完整的只有雷暴日数值。随着电力系统的发展，高速摄影、雷电定向定位仪、雷电定位系统、卫星雷电探测系统等现代化测量技术用于雷电观测、人工触发雷电及长空气间隙人工雷电放电实验研究的进展，丰富了人们对于雷电的认识，本文对如何提高输电线路的防雷性能进行一些探讨研究。

2 雷电参数研究方法

2.1 人工记录方法

气象观测站记录每天的雷电及闪电数据。

2.2 雷电定位系统

雷电放电是由带电的雷云引起的，雷电定位监测系统是当前监测雷电的主要技术平台。我国电网已建立了29个省域的雷电定位系统（LLS）监测地闪发生时间、位置、雷电流幅值、极性等，为电力系统提供具有地域特征的雷电日和地面落雷密度数据。广东省电力试验研究所统计1997－1999年3年的LLS监测数据，得出负极性云地闪击分别占总闪击次数的95.6 %、95.6 %和 95.8 %。[2]

2.3 卫星雷电探测系统

卫星雷电探测系统是对大范围雷电现象进行监测的有效手段，可获得全球和局地闪电发生时间和持续时间、发生地点的经纬度、闪电光辐射能等信息。20世纪90年代，美国航天航空局（NASA）相继发射卫星探测器、光学瞬态探测器（OTD）和闪电成像传感器（LIS）探测闪电活动。

2.4 雷电流波形监测

雷电流波形监测装置是了解雷电流幅值及波形的最直接的手段。先前雷电流波形监测装置主要安装在高山或高塔上，最著名的是安装在多伦多电视塔上的雷电流监测装置。自高塔或高山上的观测塔的雷电流监测结果对输电线路的防雷设计有一定的参考作用，但雷电流波形与实际的杆塔结构及杆塔高度具有重要的关联性，这些监测结果用于线路防雷时可能会偏高。另外，输电线路的工作电压对雷电的吸引作用可能会导致雷击概率的增加。近年来，已在输电线路杆塔上安装了雷电流波形监测装置进行雷电流波形监测装置的研究。

2.5 雷电放电过程及闪络路径拍摄

安装高速照相机、摄像机拍摄雷电放电过程及闪络路径是近年来雷电研究的一个方向，拍摄得到的雷击输电线路的图片及过程为雷电先导模型的建立提供了重要依据。

2.6 火箭引雷

火箭引雷是用一根导线将火箭与地面连接，使火箭在几秒内加速进行人工触发闪电，是获取雷电流波形的一种方法。火箭引雷获得的数据是在雷云还没有完全孕育的情况下获得的，所得出的雷电流幅值明显低于监测装置的记录结果，可供一定参考作用。

3 雷暴日

雷暴日是指某地区一年中有雷电放电的天数，一天中只要听到一次以上的雷声就算一个雷暴日。但远距离的雷电由于雷声大小、听觉原因、背景噪声或传播路径上有障碍原因而漏统计，而且雷暴日不全是可能危及输电线路安全的云地闪络，也包含了云间放电。雷暴日只是对雷电活动的粗略统计，雷暴日少的地区并不意味着雷击次数少，而雷暴日高的地区并不意味着雷击次数多。目前我国一个地域采用同一雷暴日参数来进行防雷设计，无法考虑雷电的地域性。对于新建的输电线路，要根据线路沿线附近气象站点的地面气象资料进行统计，最好采用年雷暴小时数，分析每年雷暴开始及结束时间等，可确保输电线路的防雷设计效果更好。

4 地面落雷密度

地面落雷密度Ng指每年每平方千米落雷次数[单位为次/（km2·a）]。我国电力行业标准DL/T 620－1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中取Ng＝γTd。国际大电网会议（CIGRE）推荐Ng＝0.023T1.3d。[3]IEEE推荐的经验公式为 Ng＝0.04T1.25d。[4]

5 雷电流幅值

1962－1988年历时27年间，浙江省电力试验研究院安装磁钢棒对220 kV新杭线I回路的雷电流进行了长期的监测，对106个雷击塔顶的雷电流幅值数据和其中97个负极性数据的统计，得到了雷电流幅值超过IM（单位为kA）的概率P为lgP＝－IM/88。该公式已写入我国的电力行业标准 DL/T 620－1997中。但将某一线路的雷电参数推广到全国所有线路的防雷设计值得斟酌。雷电活动具有明显的地域性，不同地区的雷电流幅值概率特性相差很大，即使同一地区、由于区域地形、气候的不同，雷电流幅值概率也相差很大。雷电流幅值概率P一般采用公式：

式中，a、b为与被统计地区雷电活动相关的参数，IEEE推荐值为a＝31，b＝2.6。

雷电定位系统在提供地面落雷密度数据的同时，也提供每次雷击对应的雷电流幅值。其基本原理是通过测试雷电放电产生的电场，根据假设的雷电通道模型来反演得出雷电流的幅值。但监测到的雷电流产生的电场包含了地面、树木、山体、建筑物等的反射波，因此监测得到的数据是已变形的数据，反演得到的雷电流幅值难以保证其准确度。

6 雷电流波形

6.1 高塔监测结果

可借助高测量塔对通道底部电流进行测量，得出雷电流数据的统计特征。CIGRE推荐的负极性下行闪电的对数正态分布参数见表 1。[5]IEEE 采用的 CIGRE 雷电流推荐波形见图 1。[3]

表1 负极性主放电电流统计表

图1 典型的雷电主放电电流波形

6.2 火箭引雷的测量结果

采用火箭引雷可获取雷电流波形。图2所示是美国NASA（1985年、1987年、1988年）和法国（1986年）通过火箭引雷得到的雷电流幅值I及波头部分的dI/dt之间的关联图。[6]

图2 通过火箭引雷得到的雷电流幅值I及波头部分的dI/dt之间的关联图

6.3 输电线路雷电波形监测装置监测结果

日本根据1994－2004年10年监测得到的雷电流持续时间及幅值的概率分布与Berger等的高塔监测结果进行了比较，[7]线路杆塔与高塔的雷电流幅值监测结果概率分布基本一致，幅值＜10 kA时有些差别，但二者的波头时间的概率分布相差较大。

7 线路防雷措施的决定因素

输电线路遭雷击闪络时，经自动重合闸装置消除工频续流后继续运行。只有自动重合闸无法消除的永久性故障时线路才退出运行。输电线路采用哪一类防雷措施主要是由电力运行部门对雷害事故的考核方式决定的。衡量输电线路防雷性能的优劣主要有两个指标：一个指标是线路雷击跳闸率，它是指每一百公里线路每年（折算到40个雷电日下）由雷击引起的跳闸次数；另一个指标是线路的耐雷水平，它指雷击线路时线路绝缘不发生冲击闪络的最大雷电流幅值，单位是kA。线路的耐雷水平越高，线路绝缘发生冲击闪络的机会越小，说明线路的防雷性能越好。我国的防雷措施的出发点是尽量不让线路雷击闪络。虽然雷击闪络后经自动重合闸装置来排除闪络故障，但绝缘子表面在工频电弧作用下会发生烧蚀。

8 防雷措施

在高压输电线路中，落雷所击的部位有三处：杆塔顶、避雷线档距中央及其附近以及绕过避雷线直击导线处，其中以雷击杆塔顶端最为严重。输电线路的耐雷水平主要与四个因素有关：线路绝缘子的50 %放电电压U50 %、有无避雷线、雷电流强度、杆塔的接地电阻。其中，U50 %是一定的，雷电流强度与地理位置和气候条件相关。目前多采用降低杆塔接地电阻值、架设避雷线、安装避雷器等方式来提高输电线路的耐雷水平，主要防雷措施包括以下几个方面：

8.1 安装避雷线

避雷线是输电线路最基本的防雷措施之一，可防止雷电直击导线；对雷击电流的分流；与导线耦合，降低导线上的感应过电压；降低雷击杆塔时塔头绝缘上的电压。但避雷线的作用是引雷，会造成反击、绕击及感应雷击事故，对高杆塔或大档距的输电线路保护不够理想。

8.2 提高线路绝缘水平

在线路设计过程中，一般不按雷电过电压的要求选择绝缘子串的绝缘子强度，但可根据具体情况对输电线路进行调爬，110 kV输电线路调整到8片绝缘子，500 kV线路调整为27片、28片，既减少污闪又起到增强线路防雷性能的作用。

8.3 杆塔接地技术

对一般高度的杆塔，降低线路杆塔地网接地电阻是提高线路耐雷水平，以防止反击的有效措施。接地装置在雷电流作用下，存在电感效应和火花效应，电感效应导致阻抗增加，而火化效应导致阻抗降低。降低杆塔接地电阻应该降低的是冲击接地电阻，一般来说，接地装置的冲击接地电阻低于工频接地电阻。但经常出现工频接地电阻很低的杆塔而雷击闪络事故频繁的现象。其原因是，在一些高土壤电阻率地区采用较长的水平伸长接地体可以有效降低工频接地电阻，但由于接地体具有雷电冲击有效长度，冲击接地电阻却不会随之降低。目前，我国一般将杆塔的工频接地电阻乘以一个估算的冲击系数来得到冲击接地电阻。

8.4 架设耦合地线

在降低杆塔接地电阻有困难的时候，可以在导线下方架设一条接地线（耦合地线），作用有：①增加避雷线与导线之间的祸合作用，降低绝缘子串两端的反击电压；②在雷击塔顶时，增大向相邻杆塔分流的雷电流。

8.5 双回输电线路采用不平衡绝缘

双回输电线路采用不平衡绝缘，低绝缘水平的一回线路在雷击时将率先闪络来保护另一回线路。过去日本的不平衡绝缘线路采用降低一回线路的绝缘水平的差绝缘方式，结果导致线路总体雷击闪络率增加，目前我国采用的是加强一回线路绝缘水平的方式。

8.6 线路装设自动重合闸装置

由于雷击造成的闪络大多能在跳闸后可自行恢复绝缘性能，所以装设自动重合闸装置可使线路恢复供电。

8.7 安装线路避雷器

线路避雷器工作的基本原理是雷击避雷线或塔顶时，当产生的过电压超过一定的幅值时避雷器发生动作，给雷电流提供一个低阻抗的通路，使其泄放到大地，从而限制了电压的升高。避雷器的性能有待改进使其提高容量、降低残压和延迟老化等，同时降低生产成本、扩大应用范围。经验表明，线路避雷器可达到100 %防止被保护线段雷击闪络的效果，要消除线路雷击闪络，需要在易击段每个杆塔上安装线路避雷器。

9 结束语

输电线路的防雷措施主要包括安装避雷线、提高线路绝缘水平、同塔多回线路的不平衡绝缘、改善杆塔接地装置冲击特性、架设耦合地线、装设自动重合闸装置、安装线路避雷器等。对于已投运的输电线路，减小屏蔽角、提高绝缘水平等措施受到杆塔结构的限制，最有效的方法是安装线路避雷器。对于新建线路，减小输电线路的雷击故障一般的方法是尽量减小避雷线的屏蔽角，降低杆塔接地装置的冲击接地电阻，适量安装线路避雷器。对于不同电压等级的输电线路，安装线路避雷器都是最为有效的线路防雷措施，可实现100 %消除被保护线段的雷击跳闸事故。但线路避雷器的保护范围有限，投资较高，在不可能全线安装线路避雷器时，应充分利用雷电定位系统开展线路避雷器的选址。防雷设计应结合雷电参数的地域特性，综合评估线路的防雷特性和防雷措施的有效性，因地制宜，不同区域线段采取与之相应的防雷措施。

1 武汉高压研究所.输电线路雷击跳闸率计算方法和500 kV超高压线路防雷设计中的几个问题[R]，1982

2 陈水明、樊灵孟、何宏明等.广东省雷电定位系统运行情况[J].中国电力，2001.34（12）：43～47

3 Anderson R B, Eriksson A J.Lightning parameters for engineering application [J].Electra,1980.39（69）: 65～102

4 IEEE Std 1410－1997 IEEE guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines[S],1997

5 CIGRE.Guide to procedure for estimating the lightning performance of transmission lines: CIGRE Brochure 63[R].[S.l.]: CIGRE, 1991

6 Leteinturier C, Hamelin J H, Eybert－Berard A.Submicrosecond characteristics of lightning return stroke currents[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1991.33（4）:351～357

7 Takami J, Okabe S.Observational results of lightning currenton transmission towers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007.22（1）：547～556