输电线路雷击故障影响因素及算法分析

国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司 耿 野 沈金林 赵 辉

1 绪论

1.1 研究背景

输电线路是传输电能的主要干架，其稳定运行才能保障体量不断增大的电网系统高可靠性。据统计，输电线路故障中有近50%是由雷击引起的，尤其是在雷雨天气居多的夏季，输电线路被雷击后产生的雷电过电压会使导线断裂、绝缘子闪络损坏、输电线路跳闸，导致大面积停电，为生产生活带来较大影响。因此，必须采取有效措施确保输电线路防雷电击中，这样才能保证电网安全可靠运行。

1.2 研究现状

我国的防雷措施主要考量不同地形地貌和气象条件，包括架设避雷线、降低杆塔接地电阻、安装并联间隙等相关技术。随着电网规模的扩大，常规的防雷技术不能与电网扩建的速度相匹配，防雷技术面临着新的挑战，输电线路的防雷技术需要不断改进。

1.3 研究主要内容

通过线上与线下大量资料检索、收集与整理。本文首先总结了输电线路雷击的定义与分类，介绍了雷电相关参数、机理及特点，在充分分析220kV输电线路常规防雷措施基础上，提出了基于仿真模型的防雷算法，提出了基于该算法的差异化防雷方案，为电网企业实施新型防雷措施提供了参考。

2 输电线路雷击分析及相关参数

2.1 雷电的定义与形成原因

雷电是自然界产生的强烈的放电现象[1]，主要由带电云层放电引起，当雷云层积累的大量电荷形成极性时 ，在水蒸气作用下释放电荷。可见的雷电表现为雷闪和轰隆声，当云层中大量电荷与地面的感应电荷在静电作用下形成一定阈值的电场强度时，雷云层会对地面放电，即肉眼可见的强光也称为雷闪。雷闪的速度快、强度高，会对放电的地面附近产生一定的破坏，例如，破坏绝缘设备、增大电压、电网跳闸等，甚至会导致电网瘫痪。

2.2 输电线路的雷电参数

2.2.1 雷暴日与雷暴时长

雷电日与雷暴时长用来描述雷电活动强度，用年雷暴日数D 表示。D 的值等于雷暴日除以每小时的雷电日数再除以总时长。根据D 的值划分雷电活动强度，详见表1，雷暴日数增多，D 值也增大。

表1 雷电活动强度划分

2.2.2 地闪密度

地闪密度用表示，指单位面积内每一雷暴日被雷击的次数，即雷电活动频度。地闪密度反映了雷电的强度，等级划分见表2。

表2 雷电强度分级

2.2.3 雷电流峰值

雷电流峰值的累积概率计算：

该值反映了地形地貌、大气环境等因素对雷电流峰值分布的影响情况。

2.3 雷击计算电路

雷电放电时，被击物体的电流可以依据雷电流等值电路图进行测量计算，电路模型如图1所示。

图1 雷电等值电路

由电路图可确定被击物体的电流计算：

其中，Zc为导线的波阻抗。

3 输电线路防雷措施分析

3.1 输电线路常规防雷措施基本原理

3.1.1 降低接地电阻

输电线路防雷最重要的举措是降低接地电阻，通过安装杆塔接地电阻可以减少雷击时形成的电压，通过杆塔的接地网可分散雷电流，降低电位差，使反击跳闸率随接地电阻增大而提高。

3.1.2 安装避雷器

当雷电流的值较大时，降低杆塔接地电阻的措施不能起到明显分流作用，需要安装避雷器让雷电流在电磁感应作用下形成耦合分量，增加导线电位，降低电势差，加强分流效果，进而避免因遭遇雷击而跳闸，起到防雷保护作用。

3.1.3 塔顶避雷针的防雷原理

在塔顶处加装常规避雷针或可控放电避雷针可以提高杆塔吸引雷电的程度，降低雷电电流幅值，降低雷电的绕击率。

3.1.4 安装并联间隙防雷原理

安装绝缘子串并联间隙可以提高重合闸成功率，疏导工频电弧，提高输电线路的运行可靠性。

3.2 输电线路新型防雷措施应用原则

3.2.1 降低接地电阻

安装杆塔降低接地电阻要综合考量地域技术、经济和地质等方面的因素，例如，盐碱腐蚀地区对杆塔进行防腐处理，或选择耐腐的杆塔；加装杆塔的技术可以因水塘、淤泥等不同地区采用不同的接地方案，如伸长接地、垂直接地等；此外，雷雨季节要做好日常检查，对连接异常情况及时做防护处理。

3.2.2 安装线路避雷器的原则

安装线路避雷器避免线路绝缘雷击闪络应满足以下要求：雷害风险等级达到IV 级，采取了一定的防雷措施仍然出现重复雷击跳闸现象，接地电阻阻值达到极限20Ω。

3.3 输电线路雷击故障分析

3.3.1 地形分析

输电线路雷击跳闸现象出现的频率受地形影响较大，山区、峡谷多于平原，山顶、山腰多于山脚下，输电线路雷击跳闸地形统计表详情见表3。

表3 输电线路雷击跳闸地形统计表（单位：%）

3.3.2 相分析

220kV 单回输电线路单相遭雷击比率超过边相，双回输电线路遭雷击比率多于中、下相。故障相分布如图2、图3所示。

图2 单回架空线路雷击故障分布

图3 双回架空线路雷击故障分布

4 基于仿真模型的防雷算法分析

4.1 仿真模型的建立

针对雷电流对架空线路的影响，线路和杆塔仿真线路模型采用分布式参数模型，即Hara 多波阻抗模型，该模型与真实值最接近，采取5基杆塔架构，由4个不平行的导体系统组成，仿真架构模型如图4所示，主支架、支架、塔臂构成了杆塔主结构[2]。

图4 仿真架构模型

该模型的主支架波阻抗计算：

其中，k 为从上到下横担号；ZTk为 k 档主材波阻抗；rek为 k 档处导体系统等效半径；kek为k 档处横担高度；rTk为导体顶部半径；RTk为顶部相邻导体间的距离。

由主支架波阻抗模型推导出塔臂波阻抗为：

4.2 算法结果分析

基于上述仿真模型进行仿真结果分析，其中：杆塔5根，档距400m，雷电流幅度值120kA。经过仿真计算，求得变压器、线路断路器及线路电压互感器在不同雷击点的电压峰值见表4。

表4 不同雷击点电压峰值（单位：kV）

由上表峰值电压，可以判断2#杆塔在遇雷击时其设备过电压值大于1#杆塔此种情况，其余3个杆塔变电站内过电压值逐渐下降。依据该表数据可以以推断1#杆塔是离变电站最近的一个，其余杆塔与变电站的距离依次增加，因此雷电波进入1#杆塔GIS 管体后形成了互相抵消的反射与原始波段。

现场实际应用后，相关数据统计表明依据上述仿真模型采取的架设避雷线、安装线路避雷器、降阻剂降阻、安装可调并联间隙等避雷技术，使输电线路的平均跳闸次数下降了80%。防雷措施效果明显、说明了仿真结果的正确性。