110kV输电线路防雷保护分析

马文英

摘要：雷击线路造成的雷电过电压波是影响电气设备安全运行的一个主要因素，且可能会由线路入侵变电所和发电厂，输电线路上出现的雷电过电压主要有直击雷过电压和感应雷过电压[1]。本文研究的110kV输电线路必须采取防护措施，通过合理的防雷措施降低雷击跳闸率，提高线路的耐雷性能，保证安全供电。

Abstract： Lightning overvoltage waves caused by lightning strikes are a major factor affecting the safe operation of electrical equipment， and ta may invade substations and power plants through lines. The lightning overvoltages appearing on transmission lines mainly include direct lightning overvoltages and induced lightning overvoltage. The 110kV transmission line studied in this paper must take protective measures to reduce the lightning trip rate through reasonable lightning protection measures， improve the lightning resistance of the line， and ensure safe power supply.

关键词：耐雷性能;雷电过电压;输电线路

Key words： lightning resistance;lightning overvoltage;transmission line

中圖分类号：TM726                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0153-03

1  研究的意义

发电厂、变电所是电力系统的中心环节，而输电线路是各个环节之间的连接，它相当于电力系统的血管，输电线路的安全运行，直接影响到电网和向用户可靠供电的稳定性，所以输电线路的安全运行在电网中占举足轻重的地位[2]。雷击事故不仅会造成大面积停电，影响人们的生活和经济发展，还会将事故扩大，因此必须设置可靠的防雷保护。在实际运行中，雷击输电线路是造成电网及电力系统故障的主要原因，经过统计，雷击所造成的断路器跳闸事故又是输电线路上发生次数最为频繁的，尤其是架设于山区的线路，地形造成的限制，使得线路故障大多是由于雷击跳闸引起的，基本占总跳闸次数的40%-70%，因此对输电线路的防雷应该极为重视。

2  国内外现状

在众多输电线路的防雷措施中，防雷保护基本分为四个阶段，期初主要是对感应雷的防护;随着电压等级的增加，直击雷的危害被考虑进来，同时也对雷电参数进行归纳，并利用计算机进行模拟试验，使得防雷有了很大进步;随后的发展使得对引起跳闸的原因起了冲突，反击和绕击的影响成为争议点;发展至今，研究方法逐渐进步，计算机的仿真结合理论算法研究，电压等级的升高，防雷保护的问题也在增加。现在国外提供了一种新型复合材料，能够解决杆塔线路存在的故障问题，玻璃纤维增强树脂基类的复合材料的优势很明显，也是今后发展趋势。我国地处温带，雷电活动与其它国家相比较活跃，输电线路在输送过程中比较长，有可能穿山、越岭，导致输送过程中要面对更加复杂的地理和气象条件，而架设避雷线是最常见也是最常用到的防雷保护，基本能够适应我国地形的复杂性。

3  输电线路防雷计算

架空输电线路的雷电保护通常可设为4个防线，有装设避雷线防止雷电过电压，提高耐雷水平防止绝缘子闪络，降低建弧率以防止建弧，装设自动重合闸装置防止停电事故。

云对地放电的实质是雷云电荷向大地的突然释放，提高耐雷水平，降低线路雷击跳闸率是非常必要的。从雷击线路接地部分引起的绝缘子串闪络的角度来看，雷击塔顶是最严重的情况。

3.1 反击过电压

当雷击输电线路杆塔塔顶或接近塔顶的一段避雷线时，由于塔顶电位比导线电位高得多，会引起绝缘子串闪烁，可能发生反击，使得导线接地短路，引起线路跳闸，同时会在导线上形成高幅值的反击过电压行波向导线两侧传播，侵入变电所并危及电气设备安全[3]。在雷击杆塔塔顶的先导放电阶段，会感应出束缚电荷，一般来看，先导放电速度并不快，若忽略工频工作电压，则导线、避雷线、杆塔都可看作零电位。在主放电阶段，先导通道中负电荷和正电荷迅速中和，形成由上到下的雷电冲击波，而沿杆塔向下及避雷线向两侧传播的为负雷电冲击波，如图1所示。使杆塔顶部电位不断升高，

先导电荷被中和后，在导线上还感应出正极性感应过电压，这一电压一旦超过绝缘子串的冲击放电电压就会发生反击。

某地有110kV输电线路，如图2所示，架设在平原地区，杆塔冲击接地电阻Rch=12Ω，绝缘子串由7只X-4.5组成，其正冲击50%放电电压U50%=700kV，全线装有避雷线，电网中性点直接接地，避雷线的半径rs为3.9mm，避雷线与导线的弧垂fs和fc分别为2.8m和5.3m。

3.2 绕击过电压及耐雷水平

我国110kV及以上线路一般都架设有避雷线保护，这对直击雷有很好的防护作用，但有时也可能发生避雷线屏蔽失效，尤其是地形复杂的特殊地段，雷绕过避雷线而击中导线，则产生雷绕击。由于避雷线的存在，使得线路的绕击事故概率较小，但是它会产生很大的冲击电压波，使线路绝缘子串闪络或侵入变电所危及电气设备，严重时甚至会造成线路跳闸。

3.3 雷击跳闸率

反击和绕击过电压的形成可能引起线路跳闸停电，但是否能发生这种情况，需有条件，首先雷电流超过线路的耐雷水平，绝缘子串会发生闪络，再有是冲击闪络后能否转化为稳定的工频电弧，若冲击闪络时间只有很短的几十微秒，线路断路器来不及跳闸。将冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率作为衡量线路防雷性能的优劣，称为建弧率。

线路因雷击而跳闸，有可能由反击引起的，也可能由绕击引起，一般由两部分组成雷击跳闸率。

反击跳闸率n1一般是由雷击塔顶及塔附近的避雷线，雷电流流入大地，造成塔頂较高电位，使绝缘子闪络来决定。雷击避雷线档距中央一般不会发生闪络，故不会引起反击跳闸。

绕击跳闸率n2由输电线路的落雷次数和绕击率共同决定的，因为线路架设在平原地区，且单根避雷线，查得雷击杆率g=1/4，又知雷电流幅值超过I1=41.24kA的概率pI1为35%，超过I2=7kA的概率pI2为85%。而绕击率pa由

4  防雷仿真分析

现在国内国外计算防雷性能的方法主要是规程法和仿真分析法，我们以PSCAD软件作为仿真平台，根据实际数据建立输电线路的防雷系统进行仿真。需要收集数据搭建各元件的模型，模拟、预测雷电对系统的暂态效应，分析运行波形。

可看到雷电流的输出波形上升速度较快，但到达峰值后变化较缓慢，需要较长时间才会达到最小值，可用双指数函数表示它们的关系，如图4所示。

将杆塔的接地电阻选择为10Ω进行仿真，绝缘子串两端电压变化状态如图5所示，10Ω对应的闪络电压为0.343MV。

根据分析，绝缘子串的闪络电压随着接地电阻的减少而增加，但是对于复杂地形，接地电阻很难降低。此时应利用线路避雷器防止跳闸率，但线路避雷器运行成本较高，且只能保护安装处的绝缘，因此在安装时要根据具体运行情况来分析。

5  结论

输电线路的防雷保护，既要提高耐雷水平，又要降低雷击跳闸率，同时要满足经济性。依据多年实际运行经验，线路受雷击的概率不同，在选择时要避开易击区或加强保护，架设避雷线时最基本的措施，且线路电压越高效果越好。避雷线与杆塔接地电阻相配合，能起到大幅度的降压作用，尤其在电阻率小于300Ω·m的土壤中，降低电阻容易实现，投资也少。安装线路避雷器、装设自动重合闸装置等等都可降低事故率，应根据实际情况来考虑。

参考文献：

[1]邱林.湖南省输电线路的防雷研究与设计[D].湖南大学，2010.

[2]宫杰.输电线路防雷研究与设计[D].华北电力大学（北京），2008.

[3]胡劲松.贝杰龙算法在墨江500kV变电站雷击过电压计算中的应用[D].四川大学，2005.

[4]李悦.110kV输电线路复合材料杆塔防雷仿真研究[D].中国矿业大学，2017.

[5]沈培坤，刘顺喜.防雷与接地装置[M].化学工业出版社，2006：12-15.