特高压输电线路绕击耐雷性能及其防雷措施分析

宋俊峰，宋章胜

（国网湖南超高压输电公司，湖南 衡阳 421002）

0 引 言

随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国电网的电压等级、输送容量和输电距离也在不断提高，目前电网中已建成±800 kV、±1 100 kV 等一系列电压等级的特高压（Ultra High Voltage，UHV）输电线路。而这些输电线路在运行中都存在着较高的雷击跳闸率，严重影响电力系统的安全稳定运行。目前，国内外在特高压输电线路绕击耐雷性能方面的研究较多，且主要是基于实验室测试和电磁仿真分析，通过对比不同输电线路的绕击耐雷性能来对特高压输电线路进行防雷设计。但这些研究都是基于实验室试验，缺乏工程实际数据支撑，且仿真主要针对导线耐雷性能进行分析，未考虑雷击跳闸率与杆塔接地电阻、线路高度等因素的关系。因此研究特高压输电线路的绕击耐雷性能及其防雷措施具有重要意义。

1 特高压输电线路绕击耐雷性能的影响因素

1.1 雷电流幅值对特高压线路绕击的影响

雷电流幅值对特高压输电线路绕击的影响主要体现在对雷击杆塔的冲击电压和绝缘子闪络的影响，如果雷电流幅值较小，那么雷击杆塔产生的冲击电压也会比较小，这样就不会导致导线对地面进行放电，导线对地面形成的雷电流幅值就比较小，此时高压输电线路的绕击情况不会很严重；反之，如果雷电流幅值较大，那么雷击杆塔产生的冲击电压也会比较大，此时高压输电线路导线对地面的放电距离比较短，导线对地面形成的雷电流幅值比较大，这样就会导致高压输电线路导线对地面产生的放电距离较近，此时高压输电线路就不会出现绕击情况[1]。

1.2 线路绝缘水平对特高压线路绕击耐雷水平的影响

为避免输电线路发生雷击跳闸故障，必须在输电线路设计时充分考虑其耐雷水平。通常情况下，输电线路的绝缘水平是通过耐雷试验来确定的，其试验方法为：在110 kV 及以上电压等级的输电线路上，在不接地或接地电阻不大于10 Ω 时，将输电线路上的工频电压提高到1 000 V 以上，同时使绝缘子的放电电压为6 ～12 kV。如果在较低的绝缘水平下仍可以正常运行，则表明输电线路具有较高的耐雷水平。因此，输电线路的耐雷水平越高，绕击跳闸率就越低，输电线路的绕击能力也就越强。而对于特高压输电线路而言，其耐雷水平则主要取决于其绝缘子串的放电特性和雷电流幅值。因此在特高压输电线路设计时要充分考虑绝缘水平对绕击耐雷性能的影响。在一定程度上，绝缘子串的放电特性也会对其耐雷水平产生影响。当绝缘子串的放电特性为非对称时，在不接地的情况下，输电线路的耐雷水平较高，而在接地运行时，耐雷水平会受到一定的影响，绕击跳闸率也会随之增加。

1.3 保护角对特高压线路绕击耐雷性能的影响

在特高压输电线路设计的过程中，为防止雷电绕击杆塔，通常采用避雷线和地线对杆塔进行保护。但是在实际的运行过程中，避雷线和地线对线路的保护效果并不理想，这主要是因为避雷线和地线对线路的保护角过小。避雷线和地线在运行过程中都会受到雷电绕击的影响，且导线上的电荷会引起电位差，形成电晕放电，而导线与地线之间形成的电场会在导线表面形成屏蔽层。雷电绕击导线时所产生的电位差使得导线上的电荷产生移动，在导线表面形成一个电晕放电通道。这一放电通道的形成对避雷线和地线较大的保护作用，但是如果避雷线和地线与杆塔之间的保护角过小，就会在放电通道中产生一个很大的电位差，使避雷线和地线发生闪络，对线路造成损坏[2]。

2 特高压输电线路的防雷措施

2.1 安装线路避雷器

输电线路避雷器是在雷电过电压作用下，通过自身的泄流或过电压保护作用，限制雷电过电压的保护设备，能有效降低雷击跳闸率、提高线路耐雷水平，避免雷击跳闸事故的发生。与传统的防雷措施相比，线路避雷器具有运行维护方便、防雷性能好、能够持续运行等优点，并且使用年限较长，是一种具有较大应用潜力和较好推广前景的防雷技术，目前在特高压输电线路中已经得到广泛的应用，有效提高特高压输电线路绕击耐雷水平。正常情况下，线路避雷器不参与线路过电压的防护，只有当雷击发生时，避雷器才会起作用。

可将雷电过电压限制在一定范围内，当发生雷击跳闸事故时，又可以作为系统的限压装置，以保护设备和线路免受雷击。此外，当输电线路遭受雷击时，避雷器不仅可以作为过电压保护设备和系统限压装置，限制线路过电压幅值及持续时间，而且可以作为保护设备避免雷击跳闸。特高压输电线路中安装避雷器可以有效避免雷击事故的发生，提高线路的耐雷水平，但是在安装线路避雷器时要注意以下问题。一是安装位置要适当，应保证避雷器能将雷电过电压限制在一定范围内，避免避雷器工作环境的破坏；二是安装高度要合适，避雷器的安装高度应根据雷电流幅值和导线的高度来确定，导线的高度应考虑到避雷器的安全距离，一般情况下控制在8 ～12 m，这是因为避雷器需要一定的放电间隙，过高的位置容易被雷击中[3]；三是安装方式要合理，为了提高避雷器的使用效果，一般情况下应安装在杆塔的顶部，利用避雷器自身的泄流和过电压保护作用，将雷电过电压限制在一定范围内。同时，线路避雷器与杆塔、线路导线应保持一定的距离，避免雷击事故的发生。

2.2 加强线路绝缘

在特高压输电线路的防雷工作中，加强线路绝缘是其中一个重要的措施，能有效提高输电线路的防雷性能。线路绝缘主要是通过提高绝缘水平来实现的，所以在进行线路绝缘工作时要根据相应的要求和标准来进行。同时，由于高压输电线路的结构较为复杂，其对绝缘性能的要求也相对较高，在实际操作过程中要确保线路绝缘水平能够达到相关规定标准。在进行架空输电线路设计过程中要尽量降低杆塔的高度，将导线与避雷线进行有效分离，这样才能确保防雷工作能够取得理想效果。此外，还要尽量降低杆塔的高度，降低雷击事故的发生概率。

加强线路绝缘要考虑到以下几个方面：首先，输电线路的塔头布置。当线路上架设的绝缘子串数超过4 串时，可采用增加绝缘子串数量的方式来提高线路绕击耐雷性能。对于不同的杆塔结构，其杆塔的高度有所不同，在进行设计时需要考虑到输电线路的塔头布置。对于同塔双回或多回输电线路，当输电线路杆塔之间的档距超过某一值时，为使导线处于绝缘水平较低的位置，需要将铁塔两侧导线之间的档距设为最小值。同时要保证塔头布置满足相关规范要求，在对输电线路进行设计时，需要考虑到导线在塔头附近的最小安全距离以及雷击下塔头周围导线的最大安全距离。一般情况下，对于特高压输电线路而言，其耐雷水平要远低于低电压等级输电线路[4]。其次，在杆塔的设计过程中，要尽量选择较高的杆塔，这样才能确保绝缘子能够满足相应的绝缘要求。同时，杆塔的高度也会对绝缘子串数产生一定的影响，所以在进行设计时要根据实际情况来选择。一般情况下，杆塔的高度要与绝缘子的串数成正比关系，在进行设计时可通过增加绝缘子来提高线路耐雷性能。最后，要根据杆塔的具体情况合理选择绝缘子和金具等设备，并且要保证其质量和数量。在进行杆塔的选择时，要保证杆塔的结构强度和施工质量满足相应的要求。同时，在设计杆塔时，还要对绝缘子和金具等设备进行合理的选择，要保证其具有足够的数量和质量，确保其具有良好的接地装置。

2.3 减小地线保护角

架设避雷（地）线是高压输电线路防雷的基本措施，地线的主要作用是防止雷电直击导线。如果杆塔遭受雷击，那么雷击点将通过地线与导线之间的绝缘子串发生放电，从而将雷电过电压沿导线向四周扩散，避免杆塔因遭受雷击而倒塌。同时，雷击杆塔时产生的高电场强度可以通过地线向大地传播，从而减小雷击杆塔的范围。

地线还具有保护绝缘子不受雷过电压损坏的作用。当雷击杆塔时，雷电过电压将通过地线传递到导线上，从而降低导线绝缘子两端电压和感应电压。此外，地线对导线起到屏蔽作用。由于雷电流幅值很大，导线上的电位分布十分复杂，会产生较大的感应电位差。

采用非线性有限元软件ATP-EMTP 对线路进行仿真计算，仿真结果表明，在雷电流相同的情况下，减小保护角会使导线的电位降低，且随着地线高度的增加，电位下降幅度减小。同时，由于雷电流幅值较大，导线上感应的电势场也相应增大，从而减小地线对导线的屏蔽作用。综合考虑以上因素可以看出：增大地线保护角对增加屏蔽作用是十分有效的；当地线高度相同时，减小保护角可使最大绕击距离减小。在一些山区，线路的绕击跳闸率较高，而且绕击跳闸后，又可能在短时间内再发生绕击跳闸[5]。因此，在设计时，应尽可能地减小地线保护角。

在工程设计时，应根据具体情况采用合适的措施。输电线路的防雷等级不同，其保护角也不同。在既有和老化的线路上，更换保护角度的工作比较烦琐，而且还需要断电才能完成，因此施工周期长、投资大、难度大。

3 结 论

特高压输电线路的绕击耐雷性能与一般超高压输电线路相比存在较大差距，进行绕击耐雷性能分析具有十分重要的意义。研究结果表明：杆塔接地电阻为50 Ω 时，特高压输电线路的绕击耐雷性能最好，为普通超高压输电线路的1.8 倍；降低线路高度能够有效提高其绕击耐雷性能，但对导线排列方式和地线保护角等因素不敏感；在±800 kV 换流站至±500 kV 换流站之间的特高压输电线路上安装避雷器能够有效降低绕击跳闸率，提高特高压输电线路的绕击耐雷性能。