特高压输电线路防雷技术探讨

拓新路 杨 博

（1.国网陕西省电力公司检修公司 2.国网陕西省电力公司电力科学研究院）

特高压输电线路防雷技术探讨

拓新路1杨 博2

（1.国网陕西省电力公司检修公司 2.国网陕西省电力公司电力科学研究院）

雷击跳闸是影响特高压输电线路安全运行的主要因素，尤其在雷电活动强烈地区面临的防护压力很大，本文对特高压输电线路的雷击特点、耐雷性能研究方法与影响因素、防雷措施进行了探讨。

特高压输电线路；防雷

0 引言

我国将直流±800kV、交流1000 kV及以上的电压等级定义为特高压。众所周知，我国能源分布很不均衡，水电资源主要集中在西南部，煤炭资源和风能资源主要分布在西北、华北等地，而用电需求主要集中在中东部地区。远距离输电是解决发电与用电异地分布的关键策略，然而500kV超高压电网已难以满足大容量、高效率、远距离输电需要，采用特高压输电成为我国能源发展政策的必然选择。雷击是影响远距离输电安全可靠性的重要因素，中外运行经验和统计数据[1,2]已证实雷击是输电线路跳闸的主要“元凶”。特高压输电线路雷害特点又不同于常规输电线路，因此本文对特高压输电线路防雷技术进行了探讨。

1 特高压输电线路雷击特点与耐雷性能的影响因素

1.1 雷击形式与特征

雷电现象是由于太阳辐射使地表受热造成含水汽空气产生对流，水珠在运动、碰撞、分裂、融合过程中带上电荷。雷云放电就产生光（闪）和声（雷），并在输电线路上形成过电压。雷过电压有直击雷过电压和感应雷过电压两种形式，前者是指雷云直接对线路放电并在设备上产生冲击电压，后者是由于雷电先导在设备上感应出电荷而形成的过电压。感应雷过电压只对没有避雷线的35kV及以下线路有威胁，110kV及以上线路受到的威胁主要来自直击雷过电压。直击雷过电压又分为反击和绕击两种情况，反击是指雷电直接击中杆塔或地线，而绕击是指雷电绕过地线击中导线。根据运行经验，反击主要发生在330kV及以下线路，而500kV及以上线路主要雷击故障由绕击引起，尤其是特高压输电线路绝缘水平高、杆塔结构尺寸大，更容易发生绕击[3]。

1.2 耐雷性能研究方法

输电线路耐雷性能影响因素的研究可通过现场观测、模拟实验、理论分析等手段实现。雷电观测是了解雷电参数和雷电特性的主要方法，目前我国已建立了较为完善的雷电定位系统，可以获得输电走廊地闪密度分布资料，便于采取差异化的防雷策略。模拟实验是获得雷电数据及验证理论分析结果不可或缺的手段，然而实验室放电试验与实际雷电放电存在较大差异，模拟实验结论需要通过实际工程验证[4]。理论分析主要有规程法、电气几何模型（EMG）、先导发展模型（LMP）三个途径。规程法基于多年运行经验和模拟实验结果，如DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》附录C中给出的绕击率计算公式，该方法对特高压输电线路偏差很大，故不适于特高压线路耐雷性能的分析。EMG通过几何作图方法分析雷电先导击中目的物的情形，以明确雷电活动与线路结构尺寸的关系，但经典EMG忽略杆塔高度、地形等因素，一般不用于特高压线路绕击的分析，改进EMG通过引入吸引半径并考虑复杂地形因素等方式完善了经典模型。LMP建立了雷电上下行先导从发展到击穿目的物整个过程的分析机制，比EMG更准确描述雷击过程，但也因此使模型更加复杂，相关参数和判据不完善，影响实际应用。

1.3 特高压线路耐雷性能的影响因素

影响特高压线路耐雷性能的因素错综复杂，包括：线路结构因素，如地线对导线的保护角、线路绝缘水平、杆塔高度、塔型、档距内弧垂等；雷电因素，如雷电流幅值大小及分布；地形因素，如山体地面倾角及不同位置；气象因素，如风速、气温等；线路运行因素，如线路电压与极性等。现根据EMG对部分影响因素进行分析。

图1中，雷电先导头部到达线路上方，在击向导线之前会先遇到地线（避雷线）形成的屏蔽弧（绿色弧），屏蔽弧外侧未得到保护的弧段称为绕击弧或暴露弧（红色弧），在绕击弧外侧为大地雷电捕捉面（橙色线段）。Rg、Rc分别为地线和导线的击距。

图1a为平地情形。其中α、α1、α2为地线保护角，且α＞α1＞α2；t、t1、t2为绕击弧地面投影宽度，且t＞t1＞t2。往外侧移动地线，保护角减小，并且绕击弧地面投影宽度也减小，说明雷电绕击概率下降；反之亦然。

图1b为山坡情形。其中θ为地面倾角，α为地线保护角。上坡一侧的绕击弧比平地减小了，而下坡一侧的绕击弧比平地增大了，它们对坡面投影的宽度t1＜t2。可见，上坡一侧雷电绕击概率减小了，而下坡一侧的绕击概率增大了。

图1c为山顶情形。其中θ1、θ2为两侧山坡对水平面的倾角，α为地线保护角。两侧绕击弧都比平地变大了，相应地对坡面投影的宽度t1、t2比平地大，表明雷电绕击概率增大了。

图1d为峡谷情形。其中θ1、θ2为峡谷坡面对水平面的倾角，α为地线保护角。两侧绕击弧都比平地减小了，相应地对坡面投影的宽度t1、t2比平地小，表明雷电绕击概率减小了。

通过EMG图形很容易解释相同地线保护角情况下山区比平原更容易遭受雷电绕击，而峡谷地形因为有两侧山体屏蔽，绕击概率比平地要小得多。

2 特高压输电线路防雷措施

2.1 采用差异化防雷策略

超特高压输电线路传统防雷措施不外乎减小避雷线保护角、架设多根避雷线、架设耦合地线、架设避雷针、安装线路避雷器、提高线路绝缘水平、采用不平衡绝缘、绝缘子串并联间隙、安装自动重合闸等，然而线路防雷性能评估主要依据典型地貌及雷击跳闸率的统计结果，没有根据各级杆塔耐雷性能差异采取针对性的措施，投入与产生的效果不成比例。差异化防雷是按照线路重要程度、线路走廊雷电活动规律、线路结构、绝缘配置水平、防雷方法等差异性，综合考虑技术经济效果所采取的针对性策略。

2.2 差异化防雷策略实施流程

差异化防雷一般要经过参数统计、各基杆塔雷击跳闸率计算、杆塔防雷性能评估、防雷措施配置几个步骤。充分评估每基杆塔差异化特征，针对防雷薄弱性环节，再采取针对性措施是非常重要的。例如特高压同塔双回线路通常架设2根地线，并且地线对边相导线保护角不应小于－5°（山区），但可能因为地形因素造成两地线间距过大（超过导地线垂直距离5倍），以致中相导线遭到绕击闪络，对此应通过架设第三根地线或另设耦合地线加以防范。

2.3 差异化防雷策略配置方法

实施差异化防雷策略应当综合考虑各种情况，包括地线、地形地貌、线路避雷器、并联间隙等配置。以地形地貌配置为例，雷电活动频繁的平原地区采用酒杯塔足以防范绕击，不需要再增加额外的防雷措施；山谷雷电绕击率很低，同样不需要增加防雷措施；但对于山脊可进一步降低保护角或增设耦合地线；山坡下坡处可减小保护角或通过增加边相导线绝缘子片数来减小保护角。

3 结束语

根据运行经验，雷电绕击是特高压输电线路跳闸的主要原因，尤其山区雷击闪络威胁更为直接。特高压输电线路防雷除了减小地线保护角，还应采取综合防雷措施，因为特高压输电线路运行时间、数据相对不足，应结合实际线路情况采取差异化防雷策略才能有效保障线路安全运行。

[1] 胡毅，刘凯，吴田，等. 输电线路运行安全影响因素分析及防治措施[J]. 高电压技术，2014,40(11)：3491-3499.

[2] 何俊佳，蔡汉生，贺恒鑫，等. 南方电网超/特高压输电线路耐雷性能评估技术研究进展[J]. 南方电网技术，2016,10(9)：1-10.

[3] 文艺. 特高压交流输电线路绕击耐雷性能及其防雷措施研究[D]. 成都：西华大学，2014.

[4] 司马文霞，杨庆，李永福，等. 输电线路雷电绕击评估方法分析及展望[J]. 高电压技术，2015,41(8)：2500-2513.

2017-09-17）