袁春成

（國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095）

1 引言

近幾年，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著提高，各種家用電器的普及使社會(huì)對電能需求持續(xù)增長，對電力事業(yè)提出了新的要求。輸電線路是電能傳輸?shù)耐ǖ?，與配電線路共同構(gòu)成了電網(wǎng)系統(tǒng)，其運(yùn)行情況將會(huì)對電網(wǎng)系統(tǒng)整體的電能輸送產(chǎn)生直接影響。1 000 kV特高壓輸電線路一旦遭受雷擊，會(huì)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行帶來巨大影響，電氣技術(shù)人員需要做好輸電線路防雷工程的設(shè)計(jì)，以提升線路對于雷擊的防范和抵抗能力。

2 1 000 kV特高壓輸電線路雷擊的特點(diǎn)

1 000 kV特高壓輸電線路本身具有很好的絕緣性，因此，設(shè)置的避雷線很少會(huì)被雷電直接擊中，但是，從防范觸電風(fēng)險(xiǎn)角度，輸電線路本身?xiàng)U塔高度較高，使雷電繞擊的概率大大增加。一般情況下，在1 000 kV特高壓輸電線路中，引發(fā)線路跳閘是最為常見的原因之一就是在桿塔位置出現(xiàn)了雷電繞擊的情況，保護(hù)角的大小會(huì)對輸電線路避雷線的性能產(chǎn)生直接影響[1]。1 000 kV特高壓輸電線路雷電繞擊概率見表1。

表1 1 000 kV特高壓輸電線路雷電繞擊率

3 工程概況

淮南—南京—上海1 000 kV交流特高壓輸變電工程線路工程全長759.414 km，途經(jīng)安徽省181.061 km(一般線路178.4 km、淮河大跨越2.661 km）、江蘇省519.053 km（一般線路514 km、長江大跨越5.053 km）、上海市59.3 km。其中，一般線路全長751.7 km，淮河大跨越2.661 km，長江大跨越5.053 km（后來改為管廊）。全線除滬蘇省界—華新站段21.8 km采用1 000/500 kV同塔四回路、上海青浦油墩港段13.8 km采用1 000/220 kV同塔四回路外，其余均為同塔雙回路。在忽視大跨越的情況下[2]，全線路徑長度見表2。

表2 全線路徑長度

結(jié)合沿線的歷史氣象數(shù)據(jù)，全線年平均雷暴日數(shù)統(tǒng)計(jì)值在25～40 d/a，沿線運(yùn)行線路雷電活動(dòng)統(tǒng)計(jì)在30 d/a的水平，本工程推薦雷暴日數(shù)為40 d/a。從保證線路運(yùn)行安全性角度，需做好防雷工程的設(shè)計(jì)工作。

4 1 000 kV特高壓輸電線路防雷工程設(shè)計(jì)

4.1 耐雷特性計(jì)算

本工程采用了I形、V形和Y形3種絕緣子串塔形，其中，I形絕緣子串塔采用皖電東送塔形；V形絕緣子串在塔頭布置方案采用，對上方橫擔(dān)的間隙距離7.0 m布置，層間距20.8 m。本工程Y形串空氣間隙取值與V形串基本一致。在對線路耐雷特性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要計(jì)算的參數(shù)有3個(gè)：（1）反擊跳閘率，線路運(yùn)行于1 000 kV，桿塔工頻接地電阻在10～30Ω時(shí)，單回線路的反擊耐雷水平為235～228 kA，和我國1 000 kV單回線路的反擊耐雷水平計(jì)算值相當(dāng)。雙回線路同時(shí)發(fā)生反擊閃絡(luò)的概率極小。當(dāng)1 000 kV同塔雙回線路采用V形絕緣子串、桿塔呼高65 m、桿塔工頻接地電阻在1～5Ω時(shí)，一回線路的反擊耐雷水平為182～195 kA。雙回線路同時(shí)發(fā)生反擊閃絡(luò)的概率較小。（2）繞擊跳閘率。采用電氣幾何模型法（EGM）計(jì)算特高壓V形串同塔雙回輸電線路的雷電繞擊性能。對典型桿塔的線路繞擊跳閘率進(jìn)行計(jì)算，按線路沿線地形全為平原考慮，即地面傾斜角取0°。計(jì)算得到65 m典型桿塔的繞擊跳閘率為0.013次/（100 km·a）。（3）雷擊跳閘率。線路繞擊跳閘率和反擊跳閘率之和就是線路雷擊跳閘率。我國交流500 kV超高壓輸電線路雷擊跳閘率的運(yùn)行值是0.14次/(100 km·a)，交流500 kV同塔雙回輸電線路雷擊跳閘率的運(yùn)行值是0.17次/(100 km·a)，特高壓輸電線路的雷擊跳閘率宜不高于500 kV交流輸電線路，暫推薦特高壓同塔雙回輸電線路的雷擊跳閘率為0.14～0.17次/(100 km·a)。

4.2 周邊區(qū)域規(guī)劃

在對特高壓輸電線路防雷工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要做好線路周邊區(qū)域的合理規(guī)劃，將線路周邊40 m范圍內(nèi)體積相對較大的物體，包括山坡、建筑、樹木等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，改變?nèi)菀滓l(fā)雷電繞擊現(xiàn)象的物體，避免出現(xiàn)雷擊問題。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將雷電沖擊作用下電流可能沿垂線方向直接擊穿特高壓導(dǎo)線及避雷線間空氣間隙的問題考慮在內(nèi)，確保避雷線與特高壓導(dǎo)線能夠與垂線方向保持水平。

4.3 設(shè)置避雷裝置

對于1 000 kV特高壓輸電線路，在精細(xì)防雷工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要合理設(shè)置避雷裝置，在不大幅度改變桿塔電位的情況下，避免出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)情況。一般情況下，適用于特高壓輸電線路的避雷器有很多，結(jié)合該工程實(shí)際情況，可供選擇的避雷器有2種：（1）無間隙型避雷器，可以直接與導(dǎo)線連接，屬于電站型避雷器的升級版本，能夠?qū)讚舢a(chǎn)生的沖擊進(jìn)行有效吸收，也可以避免出現(xiàn)電氣設(shè)備老化問題；（2）帶串間隙型避雷器，主要是利用空氣間隙與導(dǎo)線連接，其本身的功能需要在雷電流作用下才能真正發(fā)揮出來，避免雷擊的可靠性極高，使用壽命長。這種避雷器在高壓、超高壓以及特高壓輸電線路中被廣泛使用，具備相應(yīng)的間隙隔離功能，而且在設(shè)置時(shí)不需要考慮電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓，即便避雷器發(fā)生故障，也不會(huì)影響輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.4 做好接地工作

接地設(shè)計(jì)中，應(yīng)做好以下工作：（1）應(yīng)結(jié)合輸電線路實(shí)際情況，設(shè)置雙地線，在條件允許的情況下，OPGW（光纖復(fù)合架空地線）外層單絲直徑可以選擇較大截面；（2）應(yīng)嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)程中的接地電阻標(biāo)準(zhǔn)來對接地裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果在山區(qū)土壤電阻率較高時(shí)，則可以通過使用降阻劑或者設(shè)置降阻模塊的方式降低接地電阻；（3）可以結(jié)合線路實(shí)際運(yùn)行情況，在一些容易發(fā)生雷擊的地點(diǎn)，設(shè)置耦合地線、旁路地線等接地措施，以提升防雷接地效果；（4）依照電科院《淮南—南京—上海1 000 kV特高壓交流線路防雷深化研究》確定部分塔位采用塔基自然接地，不裝設(shè)人工接地裝置（推薦在少人區(qū)或無人區(qū)試用）。

4.5 優(yōu)化桿塔規(guī)劃

在輸電線路中，桿塔形式多種多樣，桿塔本身也是最容易發(fā)生雷電繞擊的部分。因此，工程中實(shí)際使用的塔形都要結(jié)合具體工程進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后確定，其目的是既能保證線路安全運(yùn)行又經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)前期研究成果，本工程桿塔規(guī)劃需要堅(jiān)持幾個(gè)基本原則：（1）根據(jù)工程線路的實(shí)際斷面，進(jìn)行無約束條件的桿塔排位，合理規(guī)劃桿塔設(shè)計(jì)條件和直線塔搖擺角系數(shù)；（2）地線對導(dǎo)線的保護(hù)角在平地不大于-3°，山地不大于-5°，耐張塔地線對跳線保護(hù)角不大于0°。導(dǎo)地線水平位移滿足相應(yīng)規(guī)程要求；（3）一般地區(qū)桿塔為同塔雙回路導(dǎo)線垂直排列，I形串懸掛布置；在走廊擁擠地區(qū)，根據(jù)實(shí)際情況，分別為同塔雙回路垂直排列V形絕緣子串或Y形絕緣子串懸掛布置，以及同塔四回路V串懸掛布置，盡量降低走廊寬度，以此分別規(guī)劃桿塔系列。在工程全線，共規(guī)劃塔形76種，27 m/s風(fēng)區(qū)、10 mm冰區(qū)平地段共規(guī)劃14種塔形；30 m/s風(fēng)區(qū)、10 mm冰區(qū)平地段共規(guī)劃17種塔形；30 m/s風(fēng)區(qū)、10 mm冰區(qū)山地段共規(guī)劃9種塔形；32 m/s風(fēng)區(qū)、10 mm冰區(qū)平地段同塔雙回路V串/Y串共規(guī)劃24種塔形；32 m/s風(fēng)區(qū)、10 mm冰區(qū)平地段同塔四回路V串共規(guī)劃12種塔形；其中，采用皖電東送桿塔成果35個(gè)，新設(shè)計(jì)塔形41個(gè)。

4.6 減少地線保護(hù)角

要最大限度地提升1 000 kV特高壓輸電線路的防雷性能，需要減少輸電線路繞擊引發(fā)的跳閘現(xiàn)象，而地線本身的屏蔽性會(huì)直接影響輸電線路的防雷性能，降低雷電繞擊現(xiàn)象發(fā)生的概率。通過減少地線保護(hù)角的方式，能夠有效降低雷電繞擊現(xiàn)象引發(fā)的1 000 kV特高壓輸電線路故障。另外，在針對1 000 kV特高壓輸電線路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要重視塔形的設(shè)計(jì)工作，結(jié)合實(shí)際情況，選擇最佳塔形，而這需要花費(fèi)大量時(shí)間和成本。從縮減地線保護(hù)角的角度，在具體操作中，應(yīng)該對地線支架的寬度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，但在這種情況下，線路桿塔承受的壓力會(huì)不斷增大，引發(fā)材料浪費(fèi)和成本增加問題。這種情況下，設(shè)計(jì)人員需要對輸電線路地線保護(hù)角縮減的可行性進(jìn)行分析，制訂出最佳設(shè)計(jì)施工方案后，再對其進(jìn)行施工。綜合考慮線路走廊及耐雷水平，優(yōu)化塔形設(shè)計(jì)，推薦傘形布置，鐵塔設(shè)計(jì)中不考慮導(dǎo)地線水平位移。保護(hù)角在平原丘陵地區(qū)不宜大于-3°，在山區(qū)不宜大于-5°；耐張塔地線對跳線保護(hù)角，平原單回路不大于6°，山區(qū)不大于0°；變電站2 km進(jìn)出線段不宜大于-4°。

5 結(jié)語

對于1 000 kV特高壓輸電線路，雷擊是一種常見問題，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)電網(wǎng)局部癱瘓，影響正常電力供應(yīng)?；诖耍姎饧夹g(shù)人員需要制定出合理的防雷工程設(shè)計(jì)方案，最大限度地減少雷擊現(xiàn)象發(fā)生的概率，同時(shí)，也需要結(jié)合1 000 kV特高壓輸電線路實(shí)際運(yùn)行情況，對照電力系統(tǒng)運(yùn)行方式，制訂最佳防雷方案，以提升輸電線路對于雷擊的防范和應(yīng)對效果，減少雷擊造成的損失，切實(shí)保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。