超高压输电线路雷电绕击及防雷

甘斌，张双平，余平

（1.杭州市电力局，浙江杭州310000；2.湖北超高压输变电公司直流运检中心，湖北宜昌443000；3.二滩水电开发责任有限公司，四川成都617000）

超高压输电线路雷电绕击及防雷

甘斌1，张双平2，余平3

（1.杭州市电力局，浙江杭州310000；2.湖北超高压输变电公司直流运检中心，湖北宜昌443000；3.二滩水电开发责任有限公司，四川成都617000）

雷电是影响输电线路可靠性的首要因素，在我国，超高压输电线路雷击事故占线路总跳闸事故40%～70%[1]。运行经验表明，对于500kV以下电压等级的输电线路，线路雷击事故以雷击杆塔及避雷线引起的反击为主；而对于500kV及以上的超高压、特高压输电线路，绕击是造成雷击跳闸的主要原因[2-3]，因此，如何有效提高超高压输电线路的防绕击性能，对电力系统安全稳定运行具有非常重要的意义。

雷电活动具有明显的地域性和气候性，与当地雷电活动特性、微地形、微气候等因素有关。在现有防雷技术较为广泛研究基础上，本文以500kV输电线路雷击故障为实例，分析超高压输电线路绕击的可能性，并结合目前的防雷措施，提出超高压输电线路切实可行的防绕击策略。

1 实例分析

1.1 故障情况

2010年7月某日，雷雨天气，华东电网500kV天瓶5406线A相跳闸，重合成功，两侧两套纵联保护动作，天荒坪电站测距11.5km（21～22号），瓶窑变测距22.3km（28～29号）。浙江省雷电定位系统线路雷电查询结果显示，当日12：24～12：34，天瓶5406线附近共计落雷点25个，落雷数据和落雷点如表1和图1所示，经现场查找发现，天瓶5406线23号塔A相玻璃瓷瓶及金具上有明显放电痕迹。

1.2 故障计算

天瓶5406线总长度为37.426km，该线路75%位于山区，25%位于平原。其中天瓶5406线23号塔为直线塔，塔型为ZM2，呼高为42m，全高为56.43m，铁塔电感Lgt为28.215μH，分流系数β为0.88，雷击杆塔顶时的电晕系数K1为1.28，导线平均高度hd为23.95m，避雷线平均高度hb为44.42m，冲击接地电阻Rch为8.5Ω，边相导线保护角为5.41°，绝缘子型号是FC160P/170，绝缘子串长为4.714m，单串装置，24片，铁塔位于斜山坡，山坡倾角约40°。所在耐张段为21～26号，档距2337m，其中22～23号塔间档距为497m，23～24号塔间档距251m，23号塔接地电阻值为8.5Ω。导线型号为LGJ-400/50×4，地线型号为LHGJJ-95/55×2。

表1 落雷数据统计Tab.1 Lightning data statistics

1.2.1 临界击距及临界电流的计算

目前在分析线路绕击时，比较常用的方法是采用电气几何模型[4]，其基础是击距大小与雷电流幅值有关，因击距大小与雷电先导头部的电位有关，进而与先导通道的电荷密度有关，后者又决定了随后出现的雷电流幅值，故认为击距是雷电流幅值的函数[5]。电气几何模型（见图2）以雷电先导电位和相应的对避雷线、导线及大地的击距来判定雷击位置。根据上述500kV天瓶5406线相关数据，计算23号塔的临界击距及临界电流。

图1 雷电信息系统线路落雷点图Fig.1 Lightning-point line map for lightning information

图2 线路电气几何模型Fig.2 Geometric model of the electrical circuit

式中，rk为发生绕击的临界击距；hd为导线平均悬挂高度；hb为避雷线平均悬挂高度；θ为杆塔的山坡倾角；α为边导线保护角。

临界电流采用美国电气电子工程学会（I E E E）

临界击距简化计算公式为[6]1985推荐公式rk=8，可得IK=63.45k A。式中，IK为发生绕击的临界电流值。

由此得出，如果雷电流幅值超过IK=63.45k A时，则不可能发生绕击。

1.2.2 杆塔绕击闪络校验

绕击时，导线上的电压随雷电流幅值的增加而增大，若产生的电压超过线路绝缘子的冲击闪络电压时，绝缘子将有可能发生闪络。

#23段线路最小绕击电流为[7]

式中，Z为导线的波阻抗，取280Ω；U50%为绝缘子串的50%放电电压，其中23号塔绝缘子的U50%=2306.64kV。

因此，500kV天瓶5406线23号段线路最小绕击电流为16.476k A。

综上所述，发生绕击闪络的必要条件是：Imin≤Ia≤IK，即16.476k A≤Ia≤63.45k A，则杆塔就有可能发生绕击。

1.2.3 雷击杆塔耐雷水平校验

图3 双避雷线的镜像图Fig.3 Image map of Double-lightning-line

导线避雷线间的耦合作用产生的耦合系数K0[8]

式中，rb为避雷线半径为线1与线3在地中的镜像距离；d13为线1与线3间的距离；为线1与线2在地中的镜像距离；d12为线1与线2间的距离为线2与线3在地中的镜像距离；d23为线2与线3间的距离。

故修正后的耦合系数为

则23号塔的反击耐雷水平[6]

式中，hd为导线平均悬挂高度；β为分流系数；Lgt为铁塔电感；Rch为杆塔的接地电阻。

由式（5）知，Ia≥117.36k A时，则会发生反击。

1.3 故障分析

根据23号杆塔地貌和线路接地电阻，经上述计算，当雷电流数值在16.5～63.5k A范围内则会发生绕击，当雷电流数值大于117.4k A时则会发生反击。雷电定位系统显示线路故障前后当地雷电流活动较为频繁，根据浙江省雷电定位系统线路雷电查询结果显示，22～24号段落雷点密度较大，共有4个落雷满足线路发生绕击闪络条件，但没有达到线路杆塔或避雷线发生反击故障条件。故障杆塔接地电阻小，位于高山斜坡上，故障发生在线路边相A相，位于山坡外侧，具有较典型雷电绕击地貌特征，可判断天瓶5406线故障原因为雷电绕击A相导线引起。

2 防雷措施

影响雷击跳闸的主要因素有地闪密度、雷电流幅值、线路保护角、线路绝缘水平、杆塔高度、杆塔接地电阻、地面倾角、地形地貌等。通过有效的防护措施来减小部分因素对线路雷击跳闸的影响是一种有效的防护手段。目前应用于超高压架空线路的雷电防护措施主要有[9]：

1）减小线路保护角；

2）降低杆塔接地电阻；

3）提高线路绝缘水平；

4）加装保护间隙；

5）架设耦合地线；

6）架设旁路地线；

7）安装避雷针；

8）加装线路金属氧化物避雷器。

这些防雷保护措施各有特点，应根据天瓶5406线的雷害特征和防护策略选择有针对性的措施。

2.1 减小保护角

随着线路保护角的逐渐减小，线路的绕击率呈下降趋势，减小保护角是降低绕击跳闸率比较有效的方法[10]。但是对于已建线路，改变线路保护角可行性较差，并且对于山区地面倾角较大的杆塔，由于受塔头设计的限制，保护角不可能大幅度降低，应采取其他有效的绕击防护措施，对于天瓶5406线，其保护角已在5.5°以下，减小保护角技术经济性不高，故暂不考虑该项措施。

2.2 降低杆塔接地电阻

降低杆塔接地电阻是高压输电线路基本的防反击措施，降低杆塔接地电阻能降低雷击塔顶电位，提高线路的耐雷水平，有效地防止反击事故发生。降低杆塔接地电阻的措施有多种，如水平外延接地体、深埋式接地极、填充低阻物质、加装导电接地模块等[11]。对于天瓶5406线来说，首要解决的是绕击问题，故暂不考虑该项措施。

2.3 加强线路绝缘水平

提高线路绝缘水平也是增强线路耐雷水平的一种方法，通过提高线路的绝缘水平，可增加绝缘子的放电电压，提高线路的耐雷水平[12]。天瓶5406线已具有较高的绝缘水平，故暂不考虑该项措施。

2.4 加装保护间隙

保护间隙的作用主要是发生雷击时，保护间隙通过电弧闪络来保护绝缘子不受损坏，可以降低线路的雷击事故率。对于现有线路，安装并联间隙会短接部分绝缘子，从而造成线路绝缘水平降低，反而导致雷击跳闸率增大[13]。在华东电网雷击跳闸率较高的情况下，不宜简单大范围推广，故暂不考虑该项措施。

2.5 架设耦合地线

耦合地线的作用主要有2个：

1）增大避雷线与导线之间的耦合系数，从而减少绝缘子串2端电压的反击和感应电压的分量；

2）增大雷击塔顶时向相邻杆塔的分流作用，降低绝缘子承受的电压，提高线路耐雷水平[14]。

但是架设耦合地线需要验算杆塔强度，耦合地线对导线及地的距离；以及大风时，耦合地线和导线不同期摆动后的距离，且施工困难，受地形条件限制，增加线路运行电能损耗，还有可能需要砍伐树木，使得线路运行维护的工作量和难度会增大，其经济造价亦较高，故暂不考虑该项措施。

2.6 架设旁路地线

架设旁路地线可以增强对导线的屏蔽作用，具有一定的减少雷电绕击作用，但是需要另外架设杆塔和导线，经济造价很高，故暂不考虑该项措施。

2.7 安装塔头避雷针

通过在塔头安装可控放电避雷针，可有效提高杆塔的引雷能力，增强杆塔对其附近导线的雷电屏蔽能力，从而降低雷电绕击导线的概率，减小绕击跳闸率[15]，同时，由于能发生绕击的雷电流一般较小，接地电阻值控制在允许范围内时被吸引至杆塔时也不会产生反击闪络，不增加反击跳闸率。合理的安装方式和安装方法对可控放电避雷针的防护效果非常关键，同时一定要控制好杆塔接地电阻，对不合格杆塔应进行降阻改造，以确保可控放电避雷针发挥更好的防护效果。

2.8 安装线路金属氧化物避雷器

为了减少线路的雷击事故，提高供电可靠性，在线路上安装金属氧化物避雷器是减少线路雷击事故一种非常有效的方法。线路避雷器与绝缘子串并联安装，当雷电绕击线路或雷击杆塔在绝缘子串2端产生过电压超过避雷器动作电压时，避雷器可靠动作，利用电阻片的非线性伏安特性，限制避雷器残压低于线路绝缘子串的闪络电压；雷电流经过避雷器泄放后，避雷器将工频续流及时截断，线路2端断路器不会跳闸，系统恢复到正常状态[16]。理论计算分析和实践都证明，将线路避雷器应用到线路雷电活动强烈或土壤电阻率高、降低接地电阻有困难的线段，可以较大地提高线路的耐雷水平，降低线路的雷击跳闸率，从而减少线路的非计划停电时间，提高供电可靠性。

3 结语

天瓶5406线所处地势较为复杂，档距较大，导致暴露弧较大，绕击跳闸概率上升，因此，防雷措施主要针对降低该线路绕击跳闸风险。通过前2节的计算和分析，建议以安装线路避雷器和可控放电避雷针作为主要防雷改造措施。其中，采用在塔头2侧安装2支可控放电避雷针的措施，增加杆塔负保护角，较少绕击概率。理论上安装防绕击避雷针的杆塔可以保护杆塔2侧各约150m范围免遭绕击，虽保护范围有一定限制，但防绕击避雷针安装较为方便，一般情况下线路带电时也可进行安装，只要设备与带电体的安全距离满足要求即可。另外，虽然安装避雷器需要将线路停电，费用高且日后运行维护工作量较大，但防雷效果明显，主要用于多次跳闸、大跨越、风险等级很高等杆塔的防护，具体安装相及数量参照杆塔处地形及杆塔各相绕击概率相对大小来确定。

根据防雷策略综合分析，需要合理选择上述2项重点防雷措施。由于天瓶5406线23号塔曾2次发生绕击故障，可以利用停电机会，建议安装线路避雷器，也可以在其他塔头安装避雷针。目前，华东电网有多条超高压输电线路进行了防雷的技术改造，解决线路的绕击问题，主要措施就是安装线路避雷器和可控放电避雷针，从而达到降低绕击跳闸概率，并取得了良好的实效。

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Shielding Failure and Lightning Protection for Extra-High Voltage Transmission Line

GAN Bin1，ZHANG Shuang-ping2，YU Ping3
（1.Hangzhou Power Supply Bureau,Hangzhou 310000,Zhejiang Province,China；2.Operation and Maintenance Center of Hubei EHV Transmission&Transformation Company;Yichang 443000,Hubei Province,China；3.Ertan Hydropower Development Company Ltd.,Chengdu 617000,Sichuan Province,China）

Anti-shielding failure should be a focus in the lightning protection of a UHV transmission line.Based on the case of the Tianping line 5406of the East China Power Grid,the fault phenomena are clearly stated in this paper,followed by fault calculation and fault analysis,and then the lightning protection mechanism is established with focus on antishielding failure.In addition,eight basic measures for the lightning protection ofthe UHV transmission line are intensively analyzed with the pros and cons of each measure given.According to the features of lightning protection,line arresters and controllable discharge lightning rods are chosen as the main means of lightning protection for Tianping line 5406.This comprehensive lightning protection pattern has extensive meaning in real projects,and favorable effects have been achieved with this pattern.

EHV;transmission lines;lightning protection;anti-shielding failure;arrester

防绕击应是超高压输电线路的防雷重点，以华东电网天瓶5406线为例，阐述故障情况，进行故障计算，分析故障原因，确定了以防绕击为主的防雷策略，深入分析了超高压输电线路中的8项基本防雷措施，分析其利弊，并根据超高压输电线路的防雷特点，最终采用了安装线路避雷器和可控放电避雷针作为天瓶5406线防雷改造的主要措施，这种综合防雷措施在实际应用中具有广泛的意义，并取得了良好的实效。

超高压；输电线路；防雷；防绕击；避雷器

1674-3814（2011）12-0057-06

TM 723

J

2011-10-06。

甘 斌（1980—），男，硕士，主要从事灵活交流输电研究；

张双平（1983—），男，硕士，主要从事超高压输变电相关工作及研究；

余 平（1981—），男，硕士，主要从事水电厂运行技术管理工作。

（编辑 董小兵）