拓新路 楊 博

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司 2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院）

特高壓輸電線路防雷技術(shù)探討

拓新路1楊 博2

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雷擊跳閘是影響特高壓輸電線路安全運(yùn)行的主要因素，尤其在雷電活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)面臨的防護(hù)壓力很大，本文對(duì)特高壓輸電線路的雷擊特點(diǎn)、耐雷性能研究方法與影響因素、防雷措施進(jìn)行了探討。

特高壓輸電線路；防雷

0 引言

我國(guó)將直流±800kV、交流1000 kV及以上的電壓等級(jí)定義為特高壓。眾所周知，我國(guó)能源分布很不均衡，水電資源主要集中在西南部，煤炭資源和風(fēng)能資源主要分布在西北、華北等地，而用電需求主要集中在中東部地區(qū)。遠(yuǎn)距離輸電是解決發(fā)電與用電異地分布的關(guān)鍵策略，然而500kV超高壓電網(wǎng)已難以滿足大容量、高效率、遠(yuǎn)距離輸電需要，采用特高壓輸電成為我國(guó)能源發(fā)展政策的必然選擇。雷擊是影響遠(yuǎn)距離輸電安全可靠性的重要因素，中外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1,2]已證實(shí)雷擊是輸電線路跳閘的主要“元兇”。特高壓輸電線路雷害特點(diǎn)又不同于常規(guī)輸電線路，因此本文對(duì)特高壓輸電線路防雷技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 特高壓輸電線路雷擊特點(diǎn)與耐雷性能的影響因素

1.1 雷擊形式與特征

雷電現(xiàn)象是由于太陽(yáng)輻射使地表受熱造成含水汽空氣產(chǎn)生對(duì)流，水珠在運(yùn)動(dòng)、碰撞、分裂、融合過(guò)程中帶上電荷。雷云放電就產(chǎn)生光（閃）和聲（雷），并在輸電線路上形成過(guò)電壓。雷過(guò)電壓有直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)雷過(guò)電壓兩種形式，前者是指雷云直接對(duì)線路放電并在設(shè)備上產(chǎn)生沖擊電壓，后者是由于雷電先導(dǎo)在設(shè)備上感應(yīng)出電荷而形成的過(guò)電壓。感應(yīng)雷過(guò)電壓只對(duì)沒(méi)有避雷線的35kV及以下線路有威脅，110kV及以上線路受到的威脅主要來(lái)自直擊雷過(guò)電壓。直擊雷過(guò)電壓又分為反擊和繞擊兩種情況，反擊是指雷電直接擊中桿塔或地線，而繞擊是指雷電繞過(guò)地線擊中導(dǎo)線。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，反擊主要發(fā)生在330kV及以下線路，而500kV及以上線路主要雷擊故障由繞擊引起，尤其是特高壓輸電線路絕緣水平高、桿塔結(jié)構(gòu)尺寸大，更容易發(fā)生繞擊[3]。

1.2 耐雷性能研究方法

輸電線路耐雷性能影響因素的研究可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)、理論分析等手段實(shí)現(xiàn)。雷電觀測(cè)是了解雷電參數(shù)和雷電特性的主要方法，目前我國(guó)已建立了較為完善的雷電定位系統(tǒng)，可以獲得輸電走廊地閃密度分布資料，便于采取差異化的防雷策略。模擬實(shí)驗(yàn)是獲得雷電數(shù)據(jù)及驗(yàn)證理論分析結(jié)果不可或缺的手段，然而實(shí)驗(yàn)室放電試驗(yàn)與實(shí)際雷電放電存在較大差異，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論需要通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證[4]。理論分析主要有規(guī)程法、電氣幾何模型（EMG）、先導(dǎo)發(fā)展模型（LMP）三個(gè)途徑。規(guī)程法基于多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》附錄C中給出的繞擊率計(jì)算公式，該方法對(duì)特高壓輸電線路偏差很大，故不適于特高壓線路耐雷性能的分析。EMG通過(guò)幾何作圖方法分析雷電先導(dǎo)擊中目的物的情形，以明確雷電活動(dòng)與線路結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，但經(jīng)典EMG忽略桿塔高度、地形等因素，一般不用于特高壓線路繞擊的分析，改進(jìn)EMG通過(guò)引入吸引半徑并考慮復(fù)雜地形因素等方式完善了經(jīng)典模型。LMP建立了雷電上下行先導(dǎo)從發(fā)展到擊穿目的物整個(gè)過(guò)程的分析機(jī)制，比EMG更準(zhǔn)確描述雷擊過(guò)程，但也因此使模型更加復(fù)雜，相關(guān)參數(shù)和判據(jù)不完善，影響實(shí)際應(yīng)用。

1.3 特高壓線路耐雷性能的影響因素

影響特高壓線路耐雷性能的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，包括：線路結(jié)構(gòu)因素，如地線對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)角、線路絕緣水平、桿塔高度、塔型、檔距內(nèi)弧垂等；雷電因素，如雷電流幅值大小及分布；地形因素，如山體地面傾角及不同位置；氣象因素，如風(fēng)速、氣溫等；線路運(yùn)行因素，如線路電壓與極性等?，F(xiàn)根據(jù)EMG對(duì)部分影響因素進(jìn)行分析。

圖1中，雷電先導(dǎo)頭部到達(dá)線路上方，在擊向?qū)Ь€之前會(huì)先遇到地線（避雷線）形成的屏蔽?。ňG色?。?，屏蔽弧外側(cè)未得到保護(hù)的弧段稱為繞擊弧或暴露?。t色弧），在繞擊弧外側(cè)為大地雷電捕捉面（橙色線段）。Rg、Rc分別為地線和導(dǎo)線的擊距。

圖1a為平地情形。其中α、α1、α2為地線保護(hù)角，且α＞α1＞α2；t、t1、t2為繞擊弧地面投影寬度，且t＞t1＞t2。往外側(cè)移動(dòng)地線，保護(hù)角減小，并且繞擊弧地面投影寬度也減小，說(shuō)明雷電繞擊概率下降；反之亦然。

圖1b為山坡情形。其中θ為地面傾角，α為地線保護(hù)角。上坡一側(cè)的繞擊弧比平地減小了，而下坡一側(cè)的繞擊弧比平地增大了，它們對(duì)坡面投影的寬度t1＜t2?？梢?jiàn)，上坡一側(cè)雷電繞擊概率減小了，而下坡一側(cè)的繞擊概率增大了。

圖1c為山頂情形。其中θ1、θ2為兩側(cè)山坡對(duì)水平面的傾角，α為地線保護(hù)角。兩側(cè)繞擊弧都比平地變大了，相應(yīng)地對(duì)坡面投影的寬度t1、t2比平地大，表明雷電繞擊概率增大了。

圖1d為峽谷情形。其中θ1、θ2為峽谷坡面對(duì)水平面的傾角，α為地線保護(hù)角。兩側(cè)繞擊弧都比平地減小了，相應(yīng)地對(duì)坡面投影的寬度t1、t2比平地小，表明雷電繞擊概率減小了。

通過(guò)EMG圖形很容易解釋相同地線保護(hù)角情況下山區(qū)比平原更容易遭受雷電繞擊，而峽谷地形因?yàn)橛袃蓚?cè)山體屏蔽，繞擊概率比平地要小得多。

2 特高壓輸電線路防雷措施

2.1 采用差異化防雷策略

超特高壓輸電線路傳統(tǒng)防雷措施不外乎減小避雷線保護(hù)角、架設(shè)多根避雷線、架設(shè)耦合地線、架設(shè)避雷針、安裝線路避雷器、提高線路絕緣水平、采用不平衡絕緣、絕緣子串并聯(lián)間隙、安裝自動(dòng)重合閘等，然而線路防雷性能評(píng)估主要依據(jù)典型地貌及雷擊跳閘率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，沒(méi)有根據(jù)各級(jí)桿塔耐雷性能差異采取針對(duì)性的措施，投入與產(chǎn)生的效果不成比例。差異化防雷是按照線路重要程度、線路走廊雷電活動(dòng)規(guī)律、線路結(jié)構(gòu)、絕緣配置水平、防雷方法等差異性，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果所采取的針對(duì)性策略。

2.2 差異化防雷策略實(shí)施流程

差異化防雷一般要經(jīng)過(guò)參數(shù)統(tǒng)計(jì)、各基桿塔雷擊跳閘率計(jì)算、桿塔防雷性能評(píng)估、防雷措施配置幾個(gè)步驟。充分評(píng)估每基桿塔差異化特征，針對(duì)防雷薄弱性環(huán)節(jié)，再采取針對(duì)性措施是非常重要的。例如特高壓同塔雙回線路通常架設(shè)2根地線，并且地線對(duì)邊相導(dǎo)線保護(hù)角不應(yīng)小于－5°（山區(qū)），但可能因?yàn)榈匦我蛩卦斐蓛傻鼐€間距過(guò)大（超過(guò)導(dǎo)地線垂直距離5倍），以致中相導(dǎo)線遭到繞擊閃絡(luò)，對(duì)此應(yīng)通過(guò)架設(shè)第三根地線或另設(shè)耦合地線加以防范。

2.3 差異化防雷策略配置方法

實(shí)施差異化防雷策略應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種情況，包括地線、地形地貌、線路避雷器、并聯(lián)間隙等配置。以地形地貌配置為例，雷電活動(dòng)頻繁的平原地區(qū)采用酒杯塔足以防范繞擊，不需要再增加額外的防雷措施；山谷雷電繞擊率很低，同樣不需要增加防雷措施；但對(duì)于山脊可進(jìn)一步降低保護(hù)角或增設(shè)耦合地線；山坡下坡處可減小保護(hù)角或通過(guò)增加邊相導(dǎo)線絕緣子片數(shù)來(lái)減小保護(hù)角。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，雷電繞擊是特高壓輸電線路跳閘的主要原因，尤其山區(qū)雷擊閃絡(luò)威脅更為直接。特高壓輸電線路防雷除了減小地線保護(hù)角，還應(yīng)采取綜合防雷措施，因?yàn)樘馗邏狠旊娋€路運(yùn)行時(shí)間、數(shù)據(jù)相對(duì)不足，應(yīng)結(jié)合實(shí)際線路情況采取差異化防雷策略才能有效保障線路安全運(yùn)行。

[1] 胡毅，劉凱，吳田，等. 輸電線路運(yùn)行安全影響因素分析及防治措施[J]. 高電壓技術(shù)，2014,40(11)：3491-3499.

[2] 何俊佳，蔡漢生，賀恒鑫，等. 南方電網(wǎng)超/特高壓輸電線路耐雷性能評(píng)估技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2016,10(9)：1-10.

[3] 文藝. 特高壓交流輸電線路繞擊耐雷性能及其防雷措施研究[D]. 成都：西華大學(xué)，2014.

[4] 司馬文霞，楊慶，李永福，等. 輸電線路雷電繞擊評(píng)估方法分析及展望[J]. 高電壓技術(shù)，2015,41(8)：2500-2513.

2017-09-17）