江苏电网220 kV 及以上输电线路雷击跳闸分析

高 嵩，周志成，陶风波，张星炜

(江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京 211103)

雷击是引起架空输电线路跳闸的主要原因之一。根据故障统计数据，江苏电网每年因雷击引起的跳闸约占线路跳闸总数的1/4，造成巨大经济损失，也严重威胁电网安全稳定运行。

造成输电线路雷击故障的原因是雷击时在输电线路上形成的雷电过电压超过线路绝缘的耐受水平，使线路绝缘遭到破坏并发生闪络，从而导致系统跳闸或设备损坏。国内外多年来的雷击跳闸故障分析经验表明[1，2]，准确评价输电线路的耐雷水平是做好线路防雷工作的必要前提。防雷计算模型是准确评价输变电设备耐雷性能的重要工具和手段。目前，反击计算模型主要有行波法、ATP 程序、电磁场法、蒙特卡洛法等，绕击计算模型主要有电气几何模型（EGM）、先导发展模型（LPM）、雷电屏蔽模型等，这些模型的建立和提出，一定程度上解决了输电线路的防雷计算问题，但也各有其适用范围，还需进一步对这些模型进行相应地比较研究，充分考虑线路走廊雷电活动的强度、线路结构特征的以及地形地貌特点[3]，在计算雷击跳闸率时，根据需要和现场实际情况选择合适的模型进行计算，从而合理评估输电线路雷害风险，指导运行部门采取适宜的防雷技术措施，减少雷击故障的发生。

1 雷电活动特征

1.1 江苏雷电活动总体情况

江苏省位于长江流域，境内地势平坦，湖泊河流众多，雷电活动比较活跃。根据江苏2005～2013年的雷电样本数据，绘制出江苏省9年平均地闪密度分布图，如图1 所示。

从图1 中可以看出，江苏地区雷电活动较为频繁，江苏全省大部分地区处于多雷区（C 级），无少雷区（A 级），另外中雷区（B 级）、强雷区（D 级）面积较少。中雷区（B 级）主要分布在徐州北部、连云港和盐城的东北部。多雷区（C 级）面积最大，其中C1 级面积最广，主要分布在苏北大部分区域、沿海及苏南局部区域，C2 级主要分布在苏南和苏中。强雷区（D 级）面积较小，主要分布在淮安、南京、无锡等地。

图1 苏电网9年平均地闪密度分布图

1.2 雷电数据统计

雷电监测数据显示，2013年省内雷电活动总体保持平稳，强落雷天气主要集中在无锡、苏州以及徐州、连云港局部地区。全年雷暴日为146 天，平均地闪密度为2.87 次/（km2·a），较往年有所下降，年均地闪密度值为近5年来的最低水平，如图2 所示。

图2 2009～2013年江苏全省地闪密度统计情况

2 雷击跳闸情况分析

2.1 雷击跳闸基本情况

2013年江苏电网220 kV 及以上输电线路雷击跳闸数量如图3 所示。省220 kV 及以上线路雷击跳闸22 起；其中，500 kV 线路7 起，220 kV 线路15 起。以每年40个雷暴日计算，500 kV 和220 kV 线路雷击跳闸率分别为0.077 6 次/（100 km·a）和0.065 6 次/（100 km·a），雷击重合成功率为80%左右。雷击跳闸率统计如表1 所示。

图3 近五年同期雷击跳闸情况变化

表1 雷击跳闸率统计

2.2 雷击故障特征分析

（1）故障类型。根据雷电流幅值和防雷计算分析结果判断，2013年220 kV 及以上线路全部为绕击引起。从历年统计数据来看，江苏省220 kV 及以上输电线路绕击跳闸比例均在96%以上，反击跳闸次数较少，仅发生在个别500 kV 线路。主要原因是多数引起跳闸的雷电流幅值不高，另一方面则与江南地区土壤电阻率较低有关。

（2）故障地形。对雷击故障地形进行统计，2013年线路雷击跳闸中，除1 起发生在边坡地形外，其余均发生在平原地带，约占总雷击数95%，表明江苏地区220 kV 及以上线路雷击跳闸地形以开阔平原为主。

（3）故障塔型。从雷击杆塔类型上看，2013年线路雷击跳闸中，13 起发生在同塔双（四）回线的鼓型塔，占全部故障塔型的59.1%，且雷击多发生在中相，这主要是因鼓型塔结构下，地线对中相导线的保护角偏大导致的，易引起绕击。故障塔型统计如表2 所示。从故障杆塔高度上看，杆塔呼高h 超过30 m 以上的杆塔占跳闸数的68.1%；30 m 以下故障杆塔比例为31.9%；表明江苏省220 kV 及以上线路呼高超过30 m的杆塔发生绕击概率相对较高，如图4 所示。

表2 220 kV 及以上线路雷击故障塔型

图4 220 kV 及以上线路雷击故障杆塔呼高情况

（4）外绝缘配置。经统计，江苏电网220 kV 及以上线路雷击故障杆塔中复合绝缘子和长棒形瓷绝缘子使用率为90.9%，其中复合绝缘子比例达70%以上。江苏省电力公司电力科学研究院在实验室内对不同型式绝缘子进行了雷电冲击放电试验。试验结果表明，复合绝缘子和长棒形瓷绝缘子的雷电冲击性能均低于双伞型瓷绝缘子，相同结构高度下，瓷双伞绝缘子的雷电冲击放电电压较长棒形瓷绝缘子高6.7%，较复合绝缘子高11.7%，如表3 所示。

表3 不同型式绝缘子（正极性）雷电冲击U50%

3 防雷措施与对策分析

根据江苏电网运行经验，雷击重合不成一直是引发220 kV 及以上线路故障停运的主要原因。采取有效的防护措施来提高线路防雷性能是控制雷击故障率的关键。目前，常用的防雷措施总体上有“疏”与“堵”两大类方式。

3.1 “堵塞型”防雷措施

（1）减小地线保护角。为降低线路雷电绕击跳闸率，新建220 kV 双回路垂直排列线路杆塔全高超过40 m时，架空地线对各相线的最大保护角应从现行设计的20°左右降低到5°以下[4]；500 kV 同塔双回路线路和大跨越塔应进一步降低架空地线对各相线的保护角应不大于0°。

（2）架设旁路架空地线。架设旁路架空地线可有效防止500 kV 输电线路的侧面来雷绕击导线的情况。这种措施对于侧面来雷的情况效果非常好，如在山坡外侧架设旁路架空地线，则可拦截从侧面过来绕击。

（3）增加复合绝缘子长度。考虑到复合绝缘子在江苏电网的巨大使用量，为降低雷击闪络故障，对于多雷、强雷区新建线路以及塔窗口尺寸允许的老旧线路，应选用干弧距离较长的复合绝缘子，并在两端加装均压环。

（4）安装塔头侧向避雷针。塔头侧向避雷针可安装在较易遭受绕击导线相所在横担上，如双回路杆塔中相横担、四回混压线路下层双回路的长横担上。侧向避雷针的保护范围为15～20 m，线路实际运行经验表明，绕击多发生于杆塔两侧约30 m 范围内[5]，因此侧向避雷针保护范围可达50%以上。

（5）安装可控放电避雷针。由于线路弧垂使中间段保护角小于近杆塔段，加之杆塔位置也较高，绕击多发生在近杆塔段。可控放电避雷针主要用于山区保护易受雷电绕击的杆塔，但对于档距中央的保护有限[6]。

3.2 “疏导型”防雷措施

除采用“堵塞型”方法来降低线路的雷击跳闸率外，还可采取“疏导型”办法，即适当降低输电线路的耐雷水平。通过定位雷击闪络和疏导工频电弧保护绝缘子串，以提高重合闸的成功率，不造成雷击停运故障。

（1）加装绝缘子串并联间隙。采用保护间隙装置与绝缘子串并联，其距离小于绝缘子串的干弧距离。架空线路遭受雷击时，保护间隙因雷电冲击放电电压低于绝缘子串的放电电压首先放电，并将接续的工频电弧引至间隙端部，从而保护绝缘子免于电弧灼烧[4]。应当注意的是，绝缘子串并联间隙不适用于220 kV 及以上线路耐张塔，推荐在同塔双回线路使用，选择雷害风险较高的一回线进行安装。

（2）安装线路型氧化锌避雷器。线路型氧化锌避雷器可以使输电线路的绕、反击耐雷水平得到大幅度提高，显著降低500 kV 输电线路的绕击跳闸率。由于单支避雷器仅能保护安装相，综合考虑技术经济性，可在500 kV 及以上核心骨干网架、大型电源（如核电）送出等战略性输电通道、过江大跨越、转角塔、高塔、山区、接地电阻大及其他雷击风险较高的重要线路的易击相安装线路避雷器。

4 典型500 kV 雷击故障案例分析

4.1 泰斗5293 线易击段故障原因分析

雷击故障与输电线路所处地形有密切关联。一般而言，山（风）口、山谷、河流、湖泊等地形的雷电活动比较剧烈，这类区域如建有大型输电线路则往往反复发生雷击，呈现出雷电易击段的特点。例如江苏500 kV泰斗5293 线，该线路在泰州、江阴段跨越长江，总长度80.8 km。近5年来，该线路频繁遭受雷击，且绝大多数雷击点集中位于在56～73 号过长江区段8 km 范围内，如表4 所示。

表4 泰斗5293 线雷电易击段跳闸情况

（1）根据雷电监测系统历史数据，统计出500 kV泰斗5293 线过江段杆塔2008～2013年平均地闪密度。数据显示，500 kV 泰斗5293 线过长江段近6年的平均地闪密度值高于11.14 次/（km2·a），即表明该线路过长江段杆塔均处在D2 级强雷区，其落雷数量明显高于江苏全省平均水平，雷电活动十分活跃，属雷击故障多发地区。其雷电活动情况如表5 所示。

表5 泰斗5293 线过江段2008～2013年雷电活动情况

（2）根据故障记录，泰斗5293 线过长江段的雷击塔型主要为SZT1，SZT2，SKT 三类双回直线塔型。在统计雷电、地形、线路等相关参数的基础上，为校核泰斗5293 线故障杆塔的雷击风险，对近年来发生过雷击的57 号、60 号、66 号、68 号、73 号五基杆塔进行防雷性能计算，获得了各基杆塔的雷击跳闸率。其中绕击计算采用更能反应具体线路的地形特点的改进电气几何模型（EGM），反击计算则采用仿真方法，利用EMTP-ATP 程序建模计算，具体结果如表6 所示。

表6 泰斗5293 线历史故障杆塔防雷性能计算结果

从表6 可知，各基故障杆塔的雷击跳闸率均明显高于国网公司运行规范要求的0.14 次/（100 km·a）（归算到40 雷电日）。一般而言，影响输电线路雷击跳闸率的因素很多，包括地闪密度、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。

（3）通过上文分析，引起泰斗5293 线雷击跳闸率偏高的原因可归结为：

①该条线路易击段毗邻长江宽阔水域，局部风力较大；且江水水面电阻率低，起到引雷作用，大幅加强了局部落雷数量和地闪密度。

②线路易击段因跨江需要，塔身设计相对较高，过长江段除大跨越塔和锚塔外，各基杆塔平均高度达到64.93 m。随着导线距离地高度增加，大地的屏蔽作用减弱，线路受到雷电绕击的概率相应增加。

③泰斗5293 线的绝缘子设计时采用了长棒形瓷绝缘子，由于安装引弧环，使得绝缘子干弧距离缩短，降低了杆塔耐雷水平。

4.2 防雷改造措施建议

综合考虑上述雷击故障原因和各类防雷措施的使用范围，建议对泰斗5293 线过长江易击段杆塔选取“疏”、“堵”结合的防雷措施：

（1）对SZT1，SZT2，SKT型杆塔安装线路避雷器。2011年国家电网公司《架空输电线路差异化防雷工作指导意见》规定：500（330）kV 及以上核心骨干网架、大档距高塔及其他雷击风险较高的重要线路，可考虑安装线路避雷器。泰斗5293 线为同塔双回线路，全线直线杆塔基本均为鼓型塔，根据线路结构、地形地貌情况以及杆塔耐雷水平分析结果，建议在泰斗5293 线过江段56～73 号杆塔中全部SZT1，SZT2 和SKT 型杆塔的两侧中相各加一个带间隙氧化锌避雷器，可切实降低这一区段线路的雷击跳闸率。

（2）逐基杆塔安装可控放电避雷针。根据计算结果，泰斗5293 线过长江段雷击跳闸均为绕击引起，因此建议对泰斗5293 线56～73 号逐基杆塔安装可控放电避雷针，可控放电避雷针的引雷能力比传统避雷针强，而且有较大的保护角，这样就可以降低被保护杆塔遭受绕击的概率，用于保护易受雷电绕击的杆塔。

5 结束语

线路雷击跳闸对电网稳定运行影响巨大。随着江苏电网建设发展和通道及电磁环境相关要求的变化，220 kV 及以上线路杆塔的高度和同杆架设数量不断增加，总体防雷性能呈现下降趋势。因此线路运行维护部门应积极开展线路雷害风险评估，有针对性地才采取“疏”与“堵”相结合的防雷改造措施，降低线路雷击跳闸率，提高雷雨季节供电可靠性。

[1]易 辉，崔江流.我国输电线路运行现状及防雷保护[J].高电压技术，2001，27(6)：44-45.

[2]钱冠军.500 kV 线路直击雷典型事故调查研究[J].高电压技术，1997，23(2)：73-75.

[3]阮 羚，谷山强，赵 淳，等.鄂西三峡地区220 kV 线路差异化防雷技术与策略[J].高电压技术，2012，38（1）：17-20.

[4]孙万忠.超高压线路绕击率计算方法探讨[J].四川电力技术，1999（6）：1-3.

[5]周志成，马 勇，陶风波，等.雷击地线档距中央的反击性能分析[J].江苏电机工程，2012，31（6）：11-14.

[6]张志劲，司马文霞，蒋兴良，等.超特高压输电线路雷电绕击防护性能研究[J].中国电机工程学报，2006，25(10)：1-6.