110 kV架空输电线路综合防雷方案研究与应用

赵建刚

供用电

110 kV架空输电线路综合防雷方案研究与应用

赵建刚

（武钢股份公司能源动力总厂供电厂，湖北武汉430080）

武钢电网110 kV架空输电线路近年来雷击跳闸率较高，为了减少雷害事故对武钢生产的影响，对武钢110 kV架空线路的防雷现状、雷害成因进行分析研究，提出了综合防雷的改造方案并予以实施，效果明显。

架空输电线路；雷击跳闸；防雷解决方案

1 引言

武钢110 kV电网由72条110 kV输电线路（含8条电力电缆线路）、28座110 kV降压变电站及2座大型发电厂（CCPP电站和自备电厂）、4座220 kV变电站共同构成。武钢110 kV电网主要通过架空线路以放射状向武钢青山厂区内的铁前、冶炼、轧钢和公辅动力等区域变电所供电，为武钢连续自动化生产提供电力。由于绝大部分以架空线路形式输电，受气候环境影响较大，特别是线路走廊密集，共计64条架空输电线路，总长203 km。雷雨季节遭受雷击的几率较大，容易发生雷击跳闸事故，造成武钢110 kV电网电压凹陷，引起电网电压波动，影响公司的正常生产。通过对2005年至2009年武钢110 kV电网架空输电线路雷害事故统计，架空输电线路每百公里年雷击跳闸率如下：

2005年0.99次/100 km·a

2006年0.99次/100 km·a

2007年0.49次/100 km·a

2008年2.96次/100 km·a

2009年0.99次/100 km·a

国外及我国标准、国网公司对110 kV架空线路雷击跳闸率控制标准及数据如下：

美国：1.04次/100 km·a

俄罗斯：0.76次/100 km·a

日本：0.98次/100 km·a

国标DL/T620：1.18～2.01次/100 km·a

国网公司期望值：0.525次/100 km·a

从以上数据可以看出，武钢电网110 kV架空输电线路2005年到2009年雷击跳闸率整体超出了国网公司的期望值0.525次/100 km·a，其中2008年值还超出了电力行业标准值。为降低武钢电网110 kV架空线路雷击跳闸率，达到减少雷电灾害事故，需对武钢电网110 kV架空线路防雷进行分析研究，找出防雷方面存在的薄弱环节，制定加强线路综合防雷的整改方案并予以实施。

2 雷害发生的成因及主要形式

雷电是一种雷云放电的自然现象。雷云放电的大部分是在云间或云内进行，只有小部分是对地发

生的。当雷云较低、周围又没有带异性电荷的云层，就会对地面突出物如架空线路铁塔或导线放电，产生很大的雷电流，可达几十甚至几百千安。雷电流能在几个滋s内达到最大值，然后在几十滋s内衰减下去，它为2.6/40滋s的冲击波。表征雷电流的参数主要是雷电流幅值和雷电流波头的陡度（即雷电流变化的速度）。雷云对地放电时，不但会在受雷电直击的线路上产生直击雷过电压，也会在雷击点附近未受雷击的线路上形成感应雷过电压。当雷击过电压高于线路绝缘50%冲击耐受电压U50%时，线路绝缘击穿发生跳闸事故，严重时会发生电网大面积停电事故，威胁电网安全。如2005年5月17日发生的冶金变电站110 kV架空出线雷击事故造成武钢电网110 kV 5条架空线路跳闸，使公司大部分生产单位能源介质供应中断，生产暂时停顿。110 kV架空线路设计的耐雷水平，用线路遭受雷击时线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值（kA）来衡量。包括架空线杆塔的反击耐雷水平I1和绕击耐雷水平I2。

110 kV架空线路发生雷害的主要形式是雷电的反击和绕击。感应雷对110 kV架空线路没有危害，但会对35 kV及以下架空线路造成损害。

（1）雷电击中架空地线或杆塔顶时，雷电流下泄中会引起塔头电位升高，其电位大于绝缘子串U50%时，雷电流沿绝缘子串对导线放电，造成架空线路雷电反击闪络跳闸。若遭受雷击架空线某杆塔高度h为24 m，雷电强度I为40 kA，杆塔接地电阻R为10 Ω。根据公式：

则遭受雷击塔顶的电位高达1017 kV即离地为24 m的塔顶出现1017 kV的过电压。

（2）雷电击中架空输电线路导线时，雷电流在导线上传输，雷电流能量一般通过导线上的电晕损失与相邻导线的耦合作用消减雷电波波峰。但在导线上传输过程中，由于导线波阻抗的存在，在导线上形成一个雷电流引起的高电位。当雷电引起的电压大于线路绝缘子串雷电耐受冲击电压时，雷电流沿绝缘子串对横担放电，该绝缘子串发生绕击闪络，造成线路跳闸。若导线绕击点的雷电流i为12 kA，线路波阻抗Z为500 Ω。根据公式：

则雷电绕击点的过电压高达1500 kV。

（3）感应雷公式中的雷击中和（节距）点大于65 m，即雷云距线路小于65 m时，会被架空线路的避雷线或杆塔所吸引而击中线路本体，由铁塔自身中和入地。当雷云对65 m外的凸出物放电中和后，导线上会产生雷电感应过电压。感应过电压辐值Ug按下式计算：

式中，I——雷电流幅值，kA；

hd——导线悬挂的平均高度，m；

S——雷击点距线路的距离，m；

k——导线与避雷线之间的耦合系数。

经计算和有关文献中的实测值，雷电感应过电压最大为300～400 kV，远小于110 kV架空输电线路绝缘子串700 kV的耐雷冲击强度，不存在感应雷害。

3 武钢电网110 kV架空输电线路防雷现状

武钢电网110 kV架空线路设计时按不低于40 kA耐雷水平进行防雷设计，武钢线路所经区域位于武汉中心城区东北部，年平均雷暴日为27.8天，属一般落雷区。110 kV架空线路全线架设有架空避雷线，对同塔双回、三回、四回线路架设双架空地线，单回路架空线路悬挂一根避雷线。杆塔上架空地线防雷保护角在25°及以下。杆塔接地装置工频接地电阻设计不超过30 Ω。悬垂绝缘子串选用7片XP-70瓷绝缘子、耐张绝缘子串考虑零值绝缘子选用8片XP-70瓷绝缘子，绝缘子串雷电冲击耐受电压U50%在700 kV以上。

提供典型的杆塔资料利用国网武汉高压研究院ATP数值仿真软件，进行了110 kV架空线路杆塔耐雷水平（I1）仿真计算，计算结果见表1和见表2。

表1 铁塔耐雷水平（I1）的仿真计算结果kA

表2 钢管塔耐雷水平（I1）的仿真计算结果kA

从表中计算结果可知，杆塔耐雷水平（I1）在40 kA及以上，要求杆塔接地装置工频接地电阻在15 Ω以下；若提高杆塔耐雷水平在60 kA及以上，必须将杆塔接地装置的工频接地电阻改造为7 Ω以下。接地装置的工频接地电阻是影响线路杆塔耐雷水平的重要因素。

110 kV架空线路绕击耐雷水平I2可由下式计算求出：

取线路波阻抗Z=400 Ω，式（4）变为：

武钢电网110 kV架空线路绝缘子串雷电冲击耐受电压至少为700 kV，根据式5计算出绕击耐雷水平（I2）仅为7 kA。因此，线路的绕击耐雷水平较低，较易发生雷电绕击闪络。

武钢电网110 kV架空输电线路全部装设有自动重合闸，以防止线路雷击跳闸后造成线路长时间停电。

4 线路防雷方面存在的不足

通过对武钢电网110 kV架空线路的防雷现状进行实测、计算和分析，防雷方面存在的问题如下：

（1）线路防雷水平设计虽然符合国家标准要求，但整体设计水平偏低，满足不了武钢生产对供电高可靠性的要求。线路雷击跳闸属概率事件，作为线路防雷重要措施的自动重合闸，并不能从根本上解决雷击跳闸引起的武钢110 kV电网电压凹陷对生产的影响，必须提高110 kV线路整体耐雷水平，减小线路发生雷击跳闸的概率。

（2）武钢110 kV线路所处区域相对武汉城区其他地方，落雷密度较高。根据省气象中心提供的资料，武钢青山厂区地处武汉中心城区东北部，平均雷暴日为28天，属中雷区。由省电力试验研究院雷电定位分析系统提供的近5年落雷数据表明：武钢电网的落雷密度为3.0个/km2·a，高于武汉市平均值2.8个/km2·a。尤其是武钢电网110 kV架空线路途径的自备电厂东南部、石化厂东北部、20#门以东张家田东部以及青化桥附近为落雷较多区，重点加强防雷措施。

（3）深入厂区的110 kV架空线路，要跨越厂房和管廊，杆高超过40 m的高杆塔较多，达232基。而雷电易击地面突出物，架空线路对地愈高，遭受雷击频率愈大。当雷电雷击杆塔时，塔顶电位随着杆塔高度增加而增大，较易发生雷击跳闸事故。

（4）110 kV架空线路中有39基杆塔的接地装置存在缺陷。其中有5基塔存在接地引下线锈断或接地网腐蚀、另34基杆塔的工频接地电阻偏大超过10 Ω，影响线路杆塔的耐雷水平。

（5）部分110 kV架空线路同塔多回线路的架空避雷线防雷保护角偏大。虽小于25°但大于10°，易遭受雷电绕击。

（6）武钢110 kV架空线路遭受的雷害事故根据历年统计数据分析来看绕击多于反击。从2005年~2009年5年统计来看，绕击事故占62%、反击事故占48%。

5 加强防雷的解决方案

武钢电网110 kV架空线路发生的雷击跳闸主要是雷电绕击和反击，且绕击多于反击。线路发生雷电绕击主要与架空线路地线保护角大小、雷电流大小、和绝缘子串耐受电压有关；线路发生雷电反击主要与雷电流大小、线路杆塔形式、接地电阻、绝缘子空气间隙及塔顶电压有关。防雷解决方案还要考虑经济性和可实施性，比如降低线路架空地线防雷保护角只适于新建线路，对土壤电阻率高的杆塔接地装置，降低接地电阻有困难的只能另辟新径采取其他防雷措施。

（1）杆塔接地网改造

武钢电网110 kV架空线路所处地形为平原，经测量线路大部分地区土壤电阻率较低为50 Ω· m，只有较少的杆塔区域土壤电阻率在1000 Ω·m以上。对于线路杆塔高度在40 m以下时，工频接地电阻控制在10 Ω及以下；对于线路杆塔高度达到或超过40 m时，工频接地电阻控制在5 Ω及以下。对杆塔接地电阻偏高及部分杆塔接地引下线、接地连接螺栓锈蚀锈断、接地网腐蚀的缺陷进行整改修复。对易遭雷击的杆塔进行接地装置改造，提高线路的耐雷水平。

（2）在满足架空线路空气间隙和对地距离情况下，增加线路绝缘子串片数。

根据线路杆塔耐雷水平计算公式：

当杆塔高度（导、地线高度）一定，电感系数、分流系数等也一定，杆塔接地电阻值一定时，增加绝缘子串片数，相当于加大绝缘子串U50%，提高了杆塔耐雷水平。如110 kV线路杆塔高度24 m，呼高18 m，弧垂5.4 m，接地电阻6 Ω，由原来的7片/串绝缘子（结构高度1022 mm），增加到8片/串绝缘子

（结构高度1168 mm），经计算，杆塔耐雷水平由73 kA提高到83.6 kA，即增加1片绝缘子其耐雷水平约提高10 kA。

（3）雷电绕击频繁的线路杆塔安装可控放电避雷针和线路密集的高杆塔下层导线的下方架设耦合地线。

加强110 kV架空线路防雷的重要措施是将“绕击转化为反击”。根据电网线路运行经验和省电力试验研究院雷电定位仪检测历年的落雷记录，地闪雷的雷电流在30 kA及以下约占50%以上。根据前面的计算，线路杆塔的反击耐雷水平远高于其绕击耐雷水平，武钢电网110 kV架空线路以往的雷害事故也表明反击雷跳闸要比绕击雷跳闸少，在雷雨季节出现低幅值的雷电流的概率大大高于高幅值的雷电流，即出现足以引起线路沿绝缘子串闪络（反击）大雷电流可能性较小。因此，尽可能地将小雷电流的雷引到避雷线或塔顶、塔身或横担上来，由于线路反击耐雷水平较高，此时引到塔身上的小雷电流在杆塔上产生的电位不可能造成线路绝缘子串的闪络，从而可大幅度地减小线路遭受雷击（绕击）跳闸概率。防范雷电绕击最有效的措施在杆塔顶部加装可控放电避雷针、在导线下方架设耦合地线及减小架空地线保护角（该措施适用新建线路）。

（4）武钢110 kV架空线路多雷区、易击点、高土壤电阻率地区、大跨越档距高杆塔上安装线路型氧化锌避雷器。

安装的氧化锌避雷器与相导线绝缘子串是并联，防护线路绝缘雷击闪络（包括反击和绕击闪络）。线路氧化锌避雷器分为带外部串联间隙和不带外部串联间隙两种结构型式。外部串联间隙起隔离相导线上运行电压的作用，避雷器本体氧化锌电阻片起限制工频续流的作用，使外串间隙自动熄弧恢复正常。在线路正常运行时，避雷器不承受持续的工频电压作用，因而不存在电老化和热稳定问题。外串间隙仅在雷击时导通时间很短，氧化锌电阻片吸收能量很小，减少了避雷器本体因受潮和表面污秽引起的线路故障问题。

6 综合防雷方案的实施及效果

我们根据制定的综合防雷方案从2009年开始实施，按费用情况分步组织落实，于2011年实施完毕。具体实施情况如下：

（1）对所有64条110 kV架空线路杆塔接地电阻进行了普测。将接地电阻较大的34基杆塔和5基杆塔接地装置腐蚀、锈断的问题安排了整改，接地电阻测试值均达到要求。并对易遭雷击的12条线路共计18基杆塔的接地电阻进行了降阻处理，接地电阻由原来的10 Ω降低到5 Ω以下，提高了线路杆塔耐雷水平。

（2）对厂区110 kV架空线路的每串绝缘子进行了加挂绝缘子片的改造。在满足杆塔空气间隙和对地距离的情况下，将线路悬垂串由7片增加到8片、而耐张串由原来的8片增加到9片。加大了线路绝缘子串U50%雷电冲击耐受电压。将杆塔整体耐雷水平提高了10 kA。

（3）在处于多雷区、水塘边容易发生雷电绕击的4条110 kV架空线路的11基杆塔顶部安装了型号为CFG-X3可控放电避雷针。安装可控避雷针的杆塔见表3。

表3 安装了可控放电避雷针的线路杆塔

（4）在跨越厂房、线路通廊密集的高杆塔线路的最下层导线下方加挂了一根耦合地线。武钢变电站110 kV东出线共计8回架空线出线，其中有6回跨越三热轧厂房，跨越杆塔呼高60 m，较易遭受雷击。原设计在塔顶悬挂有双避雷线，为加强防雷效果，我们另在每条线路导线下方加挂一根耦合地线，使雷电雷击杆塔时耦合地线起到分流和耦合作用，大大降低线路雷击跳闸率。

（5）110 kV架空线路上广泛安装线路避雷器。线路避雷器采用外带串联间隙的线路型氧化锌避雷器。安装原则是：①遭受过雷击的杆塔；②落雷较多地域的线路杆塔；③易遭受雷电反击的杆塔；④变电站进出线杆塔；⑤对于同塔双回、三回、四回线路的杆塔，线路避雷器安装在线路最上端的两相导线上；⑥对单回路线路杆塔，三相导线均安装避雷器。到2011年雷雨季节前，在武钢电网110 kV全部64条架空线路的148基杆塔上按上述原则共计安装了廊坊电科院东芝公司生产的型号为YH10CX1型带空气间隙的氧化锌避雷器248只。

通过对以上方案的实施，武钢电网110 kV架空线路从2010年~2011年2年间未发生一起雷击跳闸事故，雷击跳闸率远远优于国网公司0.525次/100 km·a的期望目标值。

110 kV线路雷击故障统计情况见表4。

Research and Application of Lightning Protection Design of the 110 kV Power System in WISCO’s Overhead Power Transmission Lines

ZHAO Jiangang
（Power Supply Branch of Energy&Power Plant,Wuhan Iron and Steel（Group）Co.，Wuhan，Hubei 430080,China）

The 110 kV overhead power transmission lines of WISCO’s power grid has suffered high lightning trip-out rate in recent years.To reduce the impact of lightning accident on production,the present situation of lightning protection for the 110 kV lines and the causes of lightning disturbances were analyzed and studied.Then a comprehensive reformation plan for lightning protection was put forward,which has brought significant effect.

overhead transmission line;lightning trip-out;lightning protection solution

TM7

B

1006-6764(2013)10-0001-04