特高压输电线路的耐雷性能分析及防雷措施

特高压输电线路的耐雷性能分析及防雷措施

张慧慈文斌姜伟国石能森

（1.山东电力工程咨询院有限公司250011;2.国网山东省电力公司250001）

摘要：于特高压输电线路在电网建设领域的广泛应用，雷击成为危害输电线路稳定性的重要原因，本文分析了特高压输电线路雷害形成原因，介绍了几种常用的耐雷分析的方法及其优缺点，结合差异化防雷概念，提出了几种常用的防雷措施，对当前特高压输电线路的耐雷设计具有参考意义。

关键字：特高压输电线路；耐雷性能；防雷措施

一、特高压输电线路雷害事故分析

特高压输电线路有其本身特点，到目前为止，雷击仍然是造成线路跳闸停电事故的主要原因。同时，雷击过程中输电线路形成的雷电过电压波，会沿线路进入变电设备，危害变电设备的安全。随着输电线路的电压等级越来越高，其杆塔高度也势必增加，输电线路的轮廓越来越大，引雷半径也随之增大，最终导致遭受自然雷害的机率也增加。

近年来，随着特高压输电线路的长度不断增加和线路电压的不断提高，输电线路的雷害事故又呈现出新的特点：一方面，由于超/特高压输电线路绝缘水平相比传统输电线路已经有很大提高，使其遭受雷电反击而引起跳闸的可能性大大降低，但其本身特点决定了更易遭受雷电绕击的威胁；另一方面，线路走廊经过区域不尽相同，所以线路各段区域的雷电活动参数的也不尽相同，使得输电线路防雷保护必须综合考虑其差异性，进行针对性防雷。

二、特高压输电线路耐雷性能分析

雷电绕击输电线路的耐雷性能与多方面因素有关，根据以往研究结果，主要有雷电流幅值、地线保护角、线路走廊地形、线路绝缘水平等，目前主要的研究方法主要有两种[2]：一是根据以往经验验证的经验公式；二是利用间隙放电模型得到的绕击试验成果。目前，我国通常用到如下几种方法有：规程法、电气几何模型(EGM)、改进型电气几何模型、先导发展模型(LPM)等。

2.1规程法

规程法是国内在进行防雷工程设计时主要采用的方法，属于上文提到的第一种研究方法，主要由经验得来，其经验公式式如下:

该法能虽然能宏观上反映具路的耐雷特性，但不能从微观中反映线路实际结构、雷电特性参数和地形地貌对绕击的影响。同时，由于没有考虑特高压杆塔还可能发生雷电从导线侧下方绕击的情况，故计算的结果与实际运行情况可能会有明显不符。

2.2经典电气几何模型(EGM)和改进电气几何模型

经典电气几何模(EGM)型是由Gilman和Whitehead两人根据前人的绕击研究结果，将雷电活动参数跟线路结构尺寸一并考虑，经过改进而建立的一种基于几何分析的模型。该模型改善了规程计算方法的效果，在国内外雷电绕击工程计算中也有较广泛的应用，但没有考虑雷电放电的分散性，而仅仅根据雷击电流的大小来确定击距大小。它是假定杆塔高度在60m以下、保护角在，且线路接地良好，所以其使用范围有限，对特高压输电线路的绕击研究适用性不强。

针对经典电气几何模型的缺点，Eriksson引入吸引半径的概念，给出了一个的新电气几何模型。该模型认为:吸引半径是与雷电流幅值和结构物高度相关的函数，如图3所示。

图3输电线路绕击改进电气几何分析模型

该模型的绕击耐雷性能分析更接近实际。但该模型未能区分吸引半径和击距的区别，也没有考虑雷击分散性和导线工作电压对绕击耐雷性能的影响。

2.3先导发展模型(LPM)

Rizk、Dallera和Garbagnati等在上世纪90年代，根据研究雷电放电的物理过程形成了先导发展模型。先导发展模型法通过对雷电放电过程空间电场动态变化的模拟计算，得到导线、地线或大地上的场强和感应电压数据，当导地线上的场强或感应电压超过上行先导的阈值时，导、地线上产生上行先导，如图4所示。

图4先导发展过程

同时该模型给出了上行先导起始、上下行先导相对发展和最终击穿的条件。与传统分析法相比，由于先导发展模型考虑了多种复杂因素对雷电绕击耐雷性能的影响，故该模型的计算结果更贴近实际，对于超特高压输电线路的防雷设计具有重要的参考价值。但现行先导发展模型也有一定的不足:1、图4中先导发展模型下行先导的发展方向垂直于地面，这与实际的雷电先导发展过程不一致；2、相关参数和判据没有明确；3、导线上瞬时电压会影响到实际的引雷效果。

三、特高压交流输电线路传统防雷措施研究

输电线路防雷设计是针对雷击线路故障的原因，采用多种技术手段来降低雷击灾害的发生概率，从而减小雷击危害的防雷技术[3]。雷击输电线路造成跳闸故障通常有四个阶段:雷电击中架空线路并产生幅值很高的雷电过电压；发生冲击闪络；建立起稳定的工频电弧；断路器跳闸。在防雷设计实践中，我们要设法限制上述四个阶段的出现或者减少出现的概率。特高压输电线路的绝大多数雷电灾害是由绕击导线造成的，从某种意义上来讲，特高压输电线路的耐雷性主要指绕击耐雷性能，所以绕击防雷保护是特高压输电线路防雷保护的重点。

3.1架设避雷线

架设避雷线是防止雷电直击配电线路的直接保护措施。主要原理是通过架设避雷线对各个线柱分流雷电流，增强耐雷水平[4]。对感应雷来说，避雷线可屏蔽、抑制其在相导线中产生的过电压。采用同杆架设架空避雷线对架空线路进行屏蔽保护，可使感应雷过电压大幅降低。如果导线高度为10m，导线间距为0.7m，设雷击点距离导线50m，雷电流幅值为100kA，则没有装设架空避雷线时，感应雷过电压最大值约为500kV，装设一根平均高度为11m的架空避雷线时，感应雷过电压最大值可降低为300kV。然而由于国内10kV配电线路网络比较复杂，且受到交叉跨越距离及对地高度等条件的限制，配电线路中避雷线的应用并不广泛。

3.2提高线路绝缘水平

线路绝缘有两部分组成：一部分是绝缘子串；另一部分是导线与杆塔或大地间的空气间隙。后面一部分又分为四种:1、杆塔跟导线之间的空气间隙；2、导线之间的空气间隙；3、档距中间导线对地的空气间隙；4、档距中间导线对地面上运输工具或传动机械的空气间隙。

通过增加绝缘子片数量、合理确定线路绝缘子爬电距离、加大塔头之间空气间隙等加强线路绝缘的措施能够提高绝缘子的冲击放电电压，从而提高线路的耐雷水平，降低线路雷击建弧率，最终降低雷击跳闸概率。

调整线路绝缘子串爬电距离后，串长增加，保护角减小，所以小电流绕击的概率将下降。表1给出了各级电压线路绝缘子串应采用的绝缘子片数。

表1各等级电压线路绝缘子串应有绝缘子片数

此方法主要采用绝缘性能较高的瓷横担以提高线路绝缘水平，因为瓷横担的耐雷水平是传统绝缘子的3倍，所以早期的配电线路中，往往采用瓷横担加强线路的绝缘。随着近几年开展绝缘化改造工作，瓷横担不再适用于绝缘线路，因此需要研发新的绝缘子以适应线路的实际运行要求。

3.3加装避雷器

线路避雷器的工作原理为:将线路避雷器与绝缘子串并联安装，当发生雷电绕击线路，绝缘子串两端的过电压超过避雷器门限阈值时，避雷器利用阀片的伏安特性，限制绝缘子串的闪络电压；经过避雷器泄放后的雷电波尾部电流仅为毫安级，工频电弧在其第一次过零时熄灭，线路两端断路器不会跳闸，系统恢复到正常状态[5]。

线路避雷器可分为:带串联间隙型线路避雷器和无间隙型线路避雷器。图7所示为带串联间隙线路避雷器和无间隙型线路避雷器。

线路避雷器有以下几个特点:1、线路避雷器的作用范围有限。一个杆塔上的线路避雷器的作用范围一般为塔头及前后各半个档距内，这样就需要事先结合运行经验和理论分析，科学选择安装地点、位置和数量；2、根据需要安装避雷器，比如只需要在易绕击相安装线路避雷器，并根据易绕击数目确定数量，由于一相放电多，两相放电次之，三相都放电最少，所以在不同相安装不同数量的避雷器；3、带串联纯空气间隙型线路避雷器可靠性较高。在可能的条件下尽量使用串联型避雷器。4、安装线路避雷器必须考虑性价比，以最少的投入达到最好的效果，在尽可能少的避雷器数量下达到最优的防雷效果。

图7线路避雷器

3.4降低杆塔接地电阻

降低杆塔接地电阻技术工作原理是通过降低杆塔的冲击接地电阻来提高输电线路反击耐雷水平。传统的降低杆塔接地电阻的方法主要分为物理降阻和化学降阻[6]。物理降阻包括改善周围接地电阻属性，延长、深埋接地电极，使用复合接地体等；化学降阻主要是指在接地电极周围敷设降阻剂，通过化学方法降低土壤电阻率来达到降低接地电阻的目的。

在实际运用中，人们采用了铜材、钢材、热镀锌材料等多种方法降低电阻，并通过改善材料耐腐性来防止接地体腐蚀延长接地体寿命。要解决输电线路中接地电阻偏高的问题，应在施工前进行认真的勘探测量和计算设计，制定出科学有效的降阻措施，一般来说要做好以下工作:1、实地测量。要对杆塔所处地域的地形、地势、地质等技术指标进行准确勘探，测量杆塔四周的土壤电阻率。2、调查接地土壤对接地体的腐蚀性和土壤的酸碱度。3、根据以上2项内容进行测算，制定切合实际的降阻措施和施工方案。

四、差异化综合防雷措施

在实际的防雷措施中，应充分考虑输电线路和走廊雷电活动的特点，结合线路杆塔结构特点，进行针对性的、差异化的防雷设计，同时提高技术经济性[9]。

4.1差异化防雷概念的提出

2008年，国家电网公司对部分区域的220kV及以下等级的线路雷击闪络情况进行了调查分析，之后提出了输电线路差异化防雷策略。通过对雷电参数、线路结构、绝缘配置、地形地貌、计算方法的建模仿真，综合提出基于不同情况的防雷措施。差异化防雷就是根据上述差异针对性的进行防雷治理。输电线路差异化防雷治理策略是为有效提高输电线路防雷性能评估水平与治理能力，根据输电线路重要程度、走廊雷电活动、绝缘配置、线路结构和地形地貌、防雷计算方法、防雷措施等差异性，从技术经济性方面出发，针对性地提出输电线路防雷综合治理策略。

4.2差异化防雷整体流程

在差异化防雷措施的制定过程中，应充分考虑线路防雷工作中各影响因素的作用原理及影响程度，以各项因素的比重指标为依据，科学选择适当的防雷分析方法，实现对输电线路的差异化防雷性能评估[10]。差异化防雷技术的整体流程可分为四个阶段:1、参数统计。主要包括线路所经区域的雷电参数和线路构造特征参数统计，使用雷电定位系统得到雷电参数分布，线路特征参数统计主要是线路的基本信息，包括线路结构特征以及线路所经区域的地形地貌特征；2、在前述参数统计的基础上，综合考虑线路的地形地貌特征、绝缘特征等因素，筛选出可能遭到雷击影响的重点地段，采用上文分析的差异化防雷模型进行仿真实验，有针对性的、差异化的对线路中的“易击段”进行计算，得到每基杆塔的雷击跳闸率；3、防雷性能评估。根据设定的防雷性能指标，结合上文得到的逐基杆塔雷击跳闸率，对杆塔的性能进行逐个防雷性能评估，并结合杆塔所处地区的特点及对防雷性能的影响，分析杆塔防雷性能薄弱的原因；4、配置防雷措施。以防雷性能评估结果为依据，结合杆塔易闪络的原因，分析各种防雷措施的优缺点，有针对性的制定防雷措施并逐步完善改进，在防雷措施投运后，保持对雷击跳闸率进行跟踪分析，及时修正防雷击配置方案，分析防雷改造的效果，评价改造方案的效果，为以后的线路防雷工作提供借鉴和依据。

六、结语

本文分析了特高压输电线路雷害产生的原因和造成的主要后果，通过对几种耐雷性能研究方法的比对，对输电线路的耐雷性能分析研究进行了总结，综合提出了特高压线路中常见的防雷措施，最后介绍了国家电网对差异化防雷模型的研究，分析了差异化防雷的特点，对特高压线路的耐雷分析和防雷措施制定有一定的现实意义。

参考文献：

[1]关志根.高电压工程基础[M」.北京:中国电力出版社,2003.

[2]文习山,彭向阳,解广润.架空配电线路感应过电压的数值计算.中国电机工程学报,1998,18(4):299-301.

[3]文武.感应雷电磁干扰及防护研究[D].武汉大学,2004.

[4]谭湘海.输电线路的防雷设计[J].湖南大学,2004.

[5]康宽政.江门市区10kV架空线路雷击分析和防治措施[J].广东电力,2008,21(5):59-61.

作者简介：

张慧（1984.6-），女，山东济南人，山东大学电气工程学院硕士，单位：山东电力工程咨询院有限公司，中级工程师，目前从事线路设计工作

慈文斌（1983.7-），男，山东潍坊人，山东大学工学硕士，工程师。单位：国网山东省电力公司。研究方向：电力系统稳定与控制。

姜伟国（1986.3-），男，山东潍坊人，华中科技大学学士，单位：山东电力工程咨询院有限公司

石能森（1985.8-），男，山东德州人，山东科技大学工学学士，工程师，单位：山东电力工程咨询院有限公司，研究方向：高压输电线路设计