高山区域110 kV输变电工程雷击分析及对策

郭秀国

（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州036000）

0 引言

输变电工程是输电线路建设和变压器安装工程的统称。输变电工程的电压等级越高，输送的电力就越大，输送的距离就越远。电压超过33万伏的输变电工程，称“超高压输变电”。我国投入运行的超高压输变电线路的最高电压等级是±1 100 kV直流输电线路和1 000 kV交流输电线路。在环保部HJ 24—2014印发的标准中一般所指输电工程可以分为交流输变电工程和直流输电工程，其中交流输变电工程包括输电线路和变电站（或开关站、串补站），直流输电工程包括输电线路、换流站和接地极系统。近年来，随着我国城市化进程的快速发展以及人们生活水平质量的不断提升，对电能的需求量也越来越大，这就为我国电力事业发展带来了巨大的上升空间。输电线路是电力工程中至关重要的部分，其运行稳定性直接影响着电能的正常输送。而高压输电线路的可靠性和稳定性是保障工业企业生产的核心，其重要性不言而喻。高压输电线路按其架设方式可分为架空输电线路和电缆输电线路两大类。架空线路的优点是线路暴露在大气中，充分利用空气绝缘，造价低，维护保养十分方便；其缺点是容易受到风、冰雪、气温、雷暴、工业污染物等的影响，严重时会引起断线倒塔、雷击跳闸、绝缘子污闪炸裂造成供电系统停电事故。电缆线路埋于地下，不受气候和环境的影响，占地少，运行维护工作量小，可靠性高，但其造价很高，电缆线路一旦出现故障排除时间较长。所以，目前在输电线路工程中优先采用架空线路。对高压供电线路安全供电产生影响的因素主要有当地的地质条件、全年的气象信息以及线路所在区域雷电活动的强度、风速等。其中影响最大的要素是雷电对线路的影响，在全世界范围内都是一个比较复杂的难题。不过随着科学技术的不断发展，解决雷电对供电线路的危害成为了可能，先利用大数据信息平台，对所在区域雷电活动进行跟踪，统计雷电活动的数据，再利用概率理论确定雷击已发杆塔和位置，有针对性地进行技术改造和升级，将线路遭受雷击损坏的几率降到最低，这对线路的稳定运行具有十分重要的意义。

1 线路概况

山西中煤平朔能源化工公司（以下简称能源化工公司）110 kV输电线路共计23.65 km，其中新建双回线路21.67 km，新建单回线路1.98 km。导线采用JL/G1A-300/40钢芯铝绞线，全线除在G66-G68段、G66-G67A-G68段、G75-G76段、G75-G77段以及在能源化工公司变电站进站挡、水头变电站进站挡、AG0-AG6段等均架设1根JLB20A-100型良导体和1根24芯OPGW复合光缆作为通信保护外，其余线路的线均采用2根24芯OPGW复合光缆。

线路施工的地形情况：山地占65.5%，丘陵占25%，平地占9.6%，海拔在1 400～1 900 m之间。施工图设计时间为2015年1月，水化线投运时间为2018年7月。2018年8月7日G3跳闸，2018年9月11日G14跳闸。2次跳闸给企业生产造成了不可恢复的损失，必须对线路设计及施工进行重新评估，采取有效措施，避免雷击跳闸事件的再次发生。

2 线路工程绝缘配合情况

施工图参照2011年山西省电力系统污区分布图，全线按照d级污秽区配置。d级污秽区导线悬垂绝缘子串、耐张绝缘子串的泄漏比距要求不小于3.2 cm/kV[1]。

水头变—能源化工公司变电站线路G1～G71段和水头变—采掘场变线路G71～G75段所有直线塔，都采用1片U70BP/146M大帽绝缘子加FXWB-110/70-3有机复合绝缘子，泄漏比距为3.99 cm/kV；水头变—能源化工公司变电站线路G71～G75段和水头变—采掘场变线路G1～G71段所有直线塔导线悬垂串和跳线串，都采用1片U70BP/146M大帽绝缘子加FXWB-110/70-2有机复合绝缘子，泄漏比距为4.29 cm/kV；线路侧耐张绝缘子串采用2×8片U70BP/146-1玻璃绝缘子，泄漏比距为3.27 cm/kV；线路在规划区侧耐张绝缘子串采用2×8片U70BP/146-D瓷质绝缘子，泄漏比距为3.27 cm/kV；进出线侧耐张绝缘子串，采用9片U70BP/146D瓷质绝缘子，泄漏比距为3.68 cm/kV[2]。

3 线路工程防雷情况

本工程双回路段采用国网公司通用设计最新版1D6模块，铁塔采用双地线防雷保护，全线双回路铁塔地线对导线的保护角不大于0°；在+15℃气温、无风、无冰气象条件时，在档距中央位置，导线、地线间的距离S满足式（1）要求。

式中，L为挡距，m。铁塔上两地线间的距离不超过导、地线间垂直距离的5倍。

3.1 接地设计

本工程所有杆塔均需逐基接地。根据土壤电阻率的不同，分别采用方形环（矩形环）或方形环（矩形环）加放射线的接地装置，接地体、接地引下线的材料均采用d12 mm圆钢。

3.2 铁塔间隙校核

本线路经过地区海拔高度在1 400～1 900 m之间，带电部分与铁塔构件的最小空气间隙见表1。

表1带电部分与铁塔构件的最小空气间隙

4 已发生跳闸区段情况分析

自2018年7月投运以来，已发生2次雷击跳闸事故，给企业造成了严重的经济损失。2018年8月7日G3跳 闸，2018年9月11日G14跳 闸，先跳闸均为有故障耐张塔。 《架空送电线路设计技术规程》[4]对杆塔接地电阻数据要求见表2，对系统过电压数据要求见表3。

表2杆塔接地电阻数据

表3系统过电压数据

根据山西省电力系统污区分布图2015版本，跳闸段处于c级污秽区，根据国网公司相关文件要求d级以下提高一级配置，本工程按照d级配置（泄漏比距应不小于50 mm/kV）。按照统一爬电比距计算110 kV线路，d级污区，Loi=450 mm，单联悬垂串所需片数计算见式（2）。

由此，单联悬垂串片数取9片U70BP/146-1玻璃绝缘子。在本工程实际施工时，铁塔直线部分采用9片单联悬垂串，在转角塔和耐张塔采用2×9片U70BP/146-1玻璃绝缘子耐张串。

雷害风险分布图是根据地闪密度、不同电压等级危险雷电密度分布、线路历史雷害故障经验、地形地质地貌等方面因素综合考虑，将输电线路雷击闪络危险风险分为4个层级，详情见表4、表5。其中，A级为少雷区，对应的平均年雷暴日数不超过15日；B1级和B2级为中雷区，对应的平均年雷暴日数超过15日但不超过40日；C1级和C2级为多雷区，对应的平均年雷暴日数超过40日但不超过90日；D1级和D2级为强雷区，对应的平均年雷暴日数超过90日。本工程反击雷害分布图显示该工程全线位于Ⅲ级雷害区，地闪密度图显示该工程位于C1级。

本工程线路路径实际经过的雷害区以反击雷为主，绕击雷为辅。雷电反击过电压与雷电参数、杆塔形式、高度和接地电阻等有关；雷电绕击与地质地貌地形、线路保护角、线路绝缘水平及雷电流强度等有关。已发生跳闸杆塔均为耐张塔，采用双回路架设，跳闸杆塔均为上坡段和下坡段，附近海拔1 700 m。由于耐张塔呼高较低，忽略塔高因素，主要考虑海拔及接地电阻，而本工程附近的最高处为G9，海拔和塔高均比已跳闸铁塔高，故只考虑接地电阻因素造成本次跳闸的事故。

表4雷害风险分布图等级划分

表5地闪密度图等级划分原则

5 线路工程防雷对策

在输电线路运维过程中，雷击是一种较为常见且危害性较大的安全事故，输电线路遭受雷击会导致其线路短路，严重的还有可能引发火灾。通过分析已发生跳闸区段情况，本文提出以下防护对策。

5.1 一塔双回路铁塔绝缘子的技术改造

选择能源化工公司水化线一侧采用2×9片U70BP/146-1玻璃绝缘子，另一侧采用2×11片U70BP/146-1玻璃绝缘子，对无法满足使用的跳线进行更换；110 kV一塔双回供电线路采用不平衡高绝缘措施来降低供电线路两回同时失电的概率。

5.2 安装并联间隙

在能源化工公司水头线一塔双回线路上重新设计并联间隙［4－5］，选择绝缘水平较低的水头220 kV变电站到能源化工公司供电一回进行安装。并联间隙的安装位置选择C2级及以上雷区等级的一般线路杆塔进行安装。

5.3 加装线路避雷器

加装线路避雷器的原则如下：对于雷害风险评估结果中风险等级最高或雷区等级最高的杆塔，安装线路避雷器；雷区等级处于C1级以上的虎头山山区线路、杆塔接地电阻在20～100Ω之间且改善接地电阻困难也不经济的杆塔雷区，等级处于C2级以上的山区一般线路，安装线路避雷器；重要线路雷区等级处于C1级以上且坡度为25°以上的杆塔、一般线路雷区等级处于C2级以上且坡度为30°以上的杆塔，其外边坡侧边相安装线路避雷器。29号杆塔线路处于C2级以上雷区等级，线路档距在600 m以上，所以在耐张塔的27和31号杆加装线路避雷器。加装避雷器的杆号见表6。

表6需要加装避雷器的杆塔号

5.4 降低接地电阻

本工程杆塔逐基接地，接地装置形式为深、浅混合式。为提高线路的耐雷水平，全线路杆塔的接地电阻在雷季干燥季节时需满足《架空送电线路设计技术规程》的要求。接地体采用超导拒腐接地带，埋深不小于0.8 m，接地装置和杆塔用螺栓连接。杆塔接地电阻的测定按《交流电气装置的接地设计规范》 （GB 50065—2011）中有关规定及反措要求进行，每基杆塔不连地线的工频接地电阻在雷季干燥时不超过的数值见表7。具体要求如下。

表7不同土壤电阻率下的线路接地电阻

a）两端变电站终端塔接地的电阻要求一般不大于5Ω。

b）接地装置与杆塔主材用螺栓连接，引下线部分应热镀锌。

c）所有铁塔均逐基四腿接地。根据地形及土壤电阻率的不同，分别采用大方形环（矩形环）加放射线或4个小方环加放射线的接地装置。

d）在岩石高土壤电阻率地区的部分塔位采用延长接地射线综合降阻措施。对雷害风险评估结果中反击闪络风险较高的杆塔或雷区等级处于C1级以上的线路杆塔，雷区等级处于C2级以上的一般线路杆塔进行接地电阻改造。改造后的标准：断开地线的工频接地电阻，在气温干燥时不应该超过表6的数值。根据规范DL/T 5092—1999《110～500 kV架空送电线路设计技术规程》中对不同土壤电阻率下的线路接地电阻的要求，需要重新做接地的杆号见表8。

表8需要重新做接地的杆号

表7中如果土壤电阻率超过2 000Ω·m，接地电阻很难降低到30Ω时，可采用6～8根长度不超过500 m的放射形接地体或采用连续伸长接地体，其接地电阻不受限制。

6 结论

山西中煤平朔能源化工公司110 kV输电线路在穿越高山地区时极易遭受雷击风险使供电线路掉闸，通过技术分析，采取双回路铁塔差绝缘改造，现场安装并联间隙，并加装线路避雷器60余组。通过对接地系统的改造，有效地降低了输入线路杆塔接地电阻，接地电阻满足规范DL/T 5092—1999《110～500 kV架空送电线路设计技术规程》要求。2019年4月实施改造完成至今，经历了6月—9月强雷雨季节，线路运行稳定，有力保障了化工装置的长周期安全稳定运行，这对预防其他输电线路防雷击掉闸的情况有一定的借鉴意义。