国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200002
摘 要：以某220kV架空线工程为依托，利用差异化防雷设计和雷击风险等级控制评估的方法，对架空线路的反击、绕击跳闸率进行了仿真计算，通过经济性和适用性比选，提出相应的防雷措施，因地制宜地提升杆塔的防雷性能，经济有效地减少雷击造成的跳闸停电事故。
关键词：架空线工程；差异化；防雷评估
中图分类号：TM75
输电线路防雷是整个电力系统防雷工作的重要组成部分，由于超高压线路地处旷野、地形复杂、点多线长，很容易遭受雷击。国内外统计表明，雷击是造成输电线路故障的主要原因。美国、前苏联等12国对220-500kV总长3.27×104km输电线路三年运行统计资料表明，60%的线路故障由雷击造成；在我国，运行情况表明线路的雷害事故也比较严重，500kV及其以下的输电线路雷害事故占总事故的50%左右。因此高压输电线路由雷击引起的事故不容忽视。
雷击跳闸由反击跳闸（雷击杆塔和档中地线）和绕击跳闸组成，与标称电压等级和架空线路结构（杆型、地线根数和布置，接地电阻）等有关。在电压等级较低的线路，反击跳闸占总雷击跳闸的大部分，随着电压等级的提高，绝缘水平增强，反击跳闸的机率愈来愈小，而绕击跳闸率却随之增加。因此根据工程的具体情况，选用合适的计算方法，准确地评价输电线路的耐雷水平，并有针对性的采取防雷措施，能够有效地提高线路耐雷水平、降低线路雷击跳闸率，提高运行可靠性，对电网安全稳定运行具有重要意义，也具有良好的社会效益。
雷击现象是大自然中一个普遍现象，雷击线路引起的线路跳闸主要有三种：反击、绕击和雷击档距中央。
我国运行单位对220～500kV线路故障都进行了巡线寻找故障点的工作，并有统计分析。特别是随着雷电定位系统的广泛使用，使我们的雷击故障巡线以及分析雷击点和雷电闪络点更加便捷，但未发现闪络点的因素较多，没有充分的理由将其确定为雷击档距中央发生的反击闪络。高压和超高压线路的雷击跳闸闪络基本上是发生在杆塔处的，在档中发生导地线间的闪络情况则很少，因此本文后续计算反击跳闸率时不计列该种情况的影响。
目前，国内用于输电线路反击雷电性能的计算方法主要采用规程法，其计算原理和使用效果分别说明如下：
2.1 反击计算规程法方法
《电力工程高压送电线路手册》[1]推荐用下式计算杆塔承受反击的耐雷水平：
（1）
式中：
-绝缘子串50%冲击闪络电压，kV；
-导线线间耦合系数；
-导线与地线间的耦合系数；
-杆塔分流系数；
-杆塔冲击接地电阻，Ω；
-杆塔电感，μH；
-地线平均高度，m；
-导线平均高度，m；
-杆塔高度，m；
-横担对地高度，m。
规程法中的反击跳闸率计算方法，工程上使用起来方便简单，而且规程法经过了实践的检验，能满足现在我国一般线路的反击防护设计要求。
2.2 绕击计算规程法
目前，国内外用于输电线路绕击雷电性能的计算方法主要采用规程法。其计算原理和使用效果分别说明如下：
当雷电绕过避雷线直接打在导线上的概率，可按下式计算
对平地线路 （2）
对山区线路 （3）
ht——杆塔高度
——保护角
规程法认为，雷电绕过避雷线直击导线的概率与地线对边相导线保护角、杆塔的高度以及线路经过的地形和地质条件相关，提供了平原、山区两种地形下绕击率的计算公式，规程法中给出的绕击率公式，工程上使用起来方便简单，而且它基于实践检验，能够满足一般输电线路防雷设计的要求。
某220kV工程途径地区地处丘陵地带，雷暴日较多，据资料统计历年年平均雷暴日为63天，最多年为79天，最少年为45天，3-9月为雷暴季节，7-8月为多雷月份。结合本工程附近已有线路运行情况，推荐本工程雷暴日甲县取65.0日，地闪密度等级为C2级，属于多雷区；线路途经区域反击雷灾害比绕击雷灾害严重。
3.1 计算参数
3.1.1导地线
本工程直线塔采用国网通用设计2A1-ZM2模块，导线采用JL1X/LHA1-600/240铝合金芯铝绞线，全线地线采用2根OPGW-120光缆，直径15.2mm。
防雷计算时导线弧垂12.87m，地线弧垂5.46m。
3.1.2绝缘配合
本工程直线塔悬垂串采用单联、双联120kN级瓷绝缘子，盘径146mm，结构高度255mm，爬电比距450mm。
耐张串采用双联120kN级瓷绝缘子，盘径146mm，结构高度255mm，爬电比距450mm。
3.1.3杆塔尺寸
本工雷电计算时2A1-ZM2取杆塔平均呼高27米。
3.1.4.落雷密度
本工程线路位于甲县，落雷密度取5.23次/（km2•a）。
3.1.5 接地电阻
根据当地运行经验“110kV、220kV线路地处水田、平地、丘陵地段的杆塔接地电阻不得超过10，地处岩石地带杆塔接地电阻不得超过20”，由于本工程线路全线基本处于丘陵地区，故本工程工频接地电阻不宜小于10，冲击接地电阻系数取0.7，平均冲击接地电阻为7左右。
3.2 雷击风险等级的判断依据
3.2.1 雷击风险水平控制参考值
根据《架空输电线路防雷导则》Q/GDW 11452-2015雷击风险水平控制参考值S可按以下公式计算：
S=S’Ngav/2.78 （4）
其中Ngav为线路走廊实际平均地闪密度，单位次/（km2•a）
S’为控制参考值，对220kV单回线路取值为0.315
3.2.2 雷击风险等级划分
根据《架空输电线路防雷导则》Q/GDW 11452-2015雷击风险等级划分如下表：
表1 雷击风险等级划分标准
雷击风险等级 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ |
杆塔雷击 跳闸率 | Ri | S×0.5≤Ri | S×1.5≤Ri | Ri≥S×1.5 |
线路雷击 跳闸率 | R | S×0.5≤R | S×1.5≤R | R≥S×1.5 |
其中Ri某一杆塔对应水平档距的雷击跳闸率
R为计算得到的线路平均雷击跳闸率
3.2.3 本工程雷击风险等级参考值
根据上述标准，本工程雷击风险等级参考值取值见表2和表3。
表2 雷击风险水平控制参考值值
地名 | 雷暴日（d） | 地闪密度 （次/km2·雷暴日） | 雷击风险水平控制参考值S |
甲县 | 65.0 | 5.23 | 0.59 |
表3 雷击风险等级划分标准
地名 | 雷击风险等级 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ |
甲县 | 杆塔雷击 跳闸率 | Ri<0.3 | 0.3≤Ri<0.59 | 0.59≤Ri<0.89 | Ri≥0.89 |
线路雷击 跳闸率 | R<0.3 | 0.3≤R<0.59 | 0.59≤R<0.89 | R≥0.89 |
3.3 计算结果及分析
3.3.1 反击计算结果
根据计算，得到反击耐雷水平和跳闸率如下表所示。
表4 反击计算结果
甲县 杆塔型式：ZM2 | ||
杆塔呼高 m | 杆塔工频接地电阻（） | 反击跳闸率 次/（100km·年） |
24 | 10 | 0.349 |
27 | 10 | 0.469 |
30 | 10 | 0.615 |
27 | 7 | 0.307 |
10 | 0.469 | |
15 | 0.795 | |
由数据结果可知，本工程反击雷灾害对线路影响较大，雷击跳闸率较高，而降低杆塔高度和杆塔电阻可有效降低反击跳闸率。
3.3.2 绕击计算结果
根据计算，得到本工程绕击跳闸率如下表所示。
表5 绕击计算结果
甲县 杆塔型式：ZM2 | ||
杆塔呼高 m | 地线保护角（度） | 绕击跳闸率 次/（100km·年） |
24 | 15 | 0.020 |
27 | 15 | 0.023 |
30 | 15 | 0.025 |
27 | -5 | 0.003 |
0 | 0.007 | |
15 | 0.023 | |
由数据结果可知，本工程绕击跳闸率水平较低，而降低线路保护角可有效提高线路防绕击水平。
根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》规定，年平均雷暴日超过15d的220kV输电线路应全线架设双地线，对于单回路，330kV及以下线路的保护角不宜大于15°，本工程15°下防绕击效果较好，绕、反击跳闸比值普遍小于0.8，雷击灾害主要环节为防反击，因此本工程推荐地线保护角按规程允许值15°设计。
3.3.3 综合雷击跳闸率
反击闪络跳闸率取接地电阻10、地线保护角为15度的情况下的闪络跳闸率，根据地形比例加权得到全线综合雷击跳闸率如下表所示。
表6 综合雷击跳闸率计算结果（次/100km.年）
塔型：ZM2 | |||||
反击跳闸率 次/（100km·年） | 绕击跳闸率 次/（100km·年） | 绕、反击跳闸率比值 Krf | 综合跳闸率 次/（100km·年） | 反击耐雷水平 （kA） | 雷击风险等级 |
0.561 | 0.027 | 0.048 | 0.588 | 116.69 | Ⅱ |
从上表可知，当接地电阻10，地线保护角取15°时，反击耐雷水平为116.69kA，满足规程要求；全线综合雷击跳闸率为0.588次/100km.年，满足规范220kV线路跳闸率0.43-0.95次/100km.年的要求，并且雷击风险等级为Ⅱ级，满足规程要求。
本工程线路经过丘陵、平原地区，雷害作为主要故障原因，需要在设计阶段引起足够重视。本节采取差异化综合防雷措施优化设计，对雷击风险进行评估，有针对性地优化防雷措施，合理降低雷击跳闸率。
4.1 差异化防雷指标
根据《架空输电线路防雷导则》Q/GDW 11452-2015线路防雷设计原则，一般线路强雷区的山区区段和特殊区段（如架空转电缆等）以及重要线路，应逐塔进行雷击风险评估，对高风险杆塔采取防雷优化措施。
强雷区的山区线路区段和特殊线路区段（如架空转电缆等）应逐塔进行雷击风险评估，对雷击风险等级为I、II的杆塔可保持设计方案不变，对雷击风险等级为III、IV的杆塔（简称雷击高风险杆塔）宜采取防雷优化措施。根据雷击高风险杆塔的绕、反击跳闸率比值 Krf选择防雷优化措施。
总结《架空输电线路防雷导则》Q/GDW 11452-2015、《架空输电线路差异化防雷工作指导意见》（国家电网生〔2011〕500号），并结合本工程情况，可以得出本工程差异化防雷选择流程图及防雷指标见下：
图1 防雷措施选择流程图
表7 本工程差异化防雷指标
防雷优化类型 | 绕、反击跳闸率比值 Krf | 附属条件 | 差异化防雷措施 |
反击 | ≤1.2 | | 降低接地电阻 |
≤1.2 | 降低接地电阻困难 | 加装线路避雷器 | |
绕击 | ≥1.2 | 满足保护角 | 加装线路避雷器 |
绕击 | ≥0.8 | | 减小保护角 |
≥0.8 | 减小保护角困难 | 加装线路避雷器 | |
反击 | ≤0.8 | 满足接地电阻 | 加装线路避雷器 |
其他防雷保护措施需综合考虑经济效益、当地线路运行经验和线路的适应性，针对性优化比选。
4.2 防雷电反击专项设计
4.2.1 降低杆塔接地电阻
降低杆塔的接地电阻是减少雷击反击故障最有效的方法之一。降低杆塔的接地电阻值，从而限制杆塔地电位升高，提高线路耐雷水平。为了减少高压输电线路的雷击跳闸率，必须对新建杆塔的接地电阻进行限制。
从反击计算结果可知，采用较低的接地电阻，可以提高线路防雷性能，尤其是对于较低的塔高情况，效果更为明显。
在一些地形受限，射线布置困难地区，可以采用一种或多种的组合方案实现降阻目的，或者考虑其他降阻措施，主要有添加降阻材料，接地模块、离子接地系统、长垂直接地极、带刺接地电极和引伸接地等。此外，考虑到目前土壤污染腐蚀情况越来越严重，接地线腐蚀速度加快；腐蚀后的接地线大大影响接地电阻值，这是造成刚投运线路接地电阻满足要求，运行几年后接地电阻超标的原因。在土壤腐蚀严重地区可采用防腐蚀的新型接地材料。
根据前文，本工程接地电阻取10具有较好的效果和经济效益。
4.3 防雷电绕击专项设计
4.3.1 减小避雷线保护角
根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》规定，年平均雷暴日超过15d的220kV输电线路应全线架设双地线，对于单回路，330kV及以下线路的保护角不宜大于15°。根据本文计算结果，减小地线保护角能有效降低绕击跳闸率。
根据前文，本工程保护角取15°是合理且适用的。
4.3.2 加装负角保护针
杆塔侧针技术是通过在杆塔上安装水平侧针，以增强避雷线对弱雷的吸引能力，增加避雷线的保护范围而达到降低输电线路绕击率的一种防雷技术。
根据相关文献论述，侧向避雷针对处于杆塔附近危险区的易绕击线路可起到很好的保护作用，在横担上安装一根3m的侧向避雷针可保护两侧21m范围内的导线。因此可在易遭雷击杆塔横担上加装侧向避雷针。
根据工程特点，虽然本工程绕击概率处于较低水平，但由于该区为多雷区，绕击雷灾害天气发生概率较大，且雷闪存在历史奇点，此外，考虑电网220kV线路加装负角保护针运行经验较好，本工程接地电阻在10以下，加装负角保护针是有积极效果的，故建议本工程在个别高塔上（呼高大于39米）加装负角保护针。
4.4 防雷电综合设计
4.4.1 合理选择输电线路路径
大量运行经验表明，线路遭受雷击往往集中于线路的某些地段。我们称之为选择性雷击区，或称为易击区。线路若能避开易击区，或对易击区线段加强保护，则是防止雷害的根本措施。一般下列地段易遭受雷击：
（1）雷暴走廊，如山区风口以及顺风的溪谷和峡谷等处；
（2）杆塔周围有鱼塘、水库、湖泊、沼泽地、森林或灌木、附近又有蜿蜒起伏的山丘等处；
（3）土壤电阻率有突变的地带，如地质断层地带，岩石与土壤、山坡与稻田的交界区，岩石山脚下有小河的山谷等地，雷易击与低土壤电阻率处；
（4）地下有导电性矿的地面和地下水位较高处；
（5）当土壤电阻率差别不大时，例如有良好的土层和植被的山丘，雷易击于突出的山顶、山的向阳坡等。
本工程线路若能避开以上这些易击区，或对以上易击区线段加强保护，则能有效地防止雷害。
4.4.2安装并联间隙
“绝缘子串并联间隙防雷保护装置”防雷方式的核心思想是允许线路有一定的雷击跳闸率，通过采用间隙装置与绝缘子串并联，定位雷击闪络，疏导工频电弧，避免绝缘子串损坏，降低雷击事故率。这种方式虽有雷击闪络，但无永久性故障，绝大部分都能重合闸成功。
目前，35kV～220kV架空线路并联间隙产品在我国部分输电线路上已挂网运行，积累了宝贵的运行经验。
根据相关文献[2]，加装并联间隙会使耐雷水平降低，欲维持耐雷水平需增加绝缘子，从而增大杆塔尺寸，增加线路投资，故本工程不建议采用。
4.4.3安装线路避雷器
为减少线路的雷击事故，提高供电可靠性，可以选择在线路上安装氧化锌避雷器的方法来减少线路雷击事故。理论计算分析和实践都证明，将线路避雷器应用到线路雷电活动强烈或土壤电阻率高、降低接地电阻有困难及易受雷电绕击的地形线段，可较大地提高线路耐雷水平，降低线路雷击跳闸率。线路避雷器虽然防雷效果较好，但是价格较高，安装复杂，建议在个别易遭受雷击和接地电阻较高的杆塔上安装。
根据前文差异化防雷标准和相关文献[2]，线路避雷器是最有效的防雷措施，建议本工程在大跨越和个别高塔（呼高大于39米）上加装线路避雷器。
4.5 工程防雷措施优化比选
根据前文绕击计算结果分析和差异化防雷指标的比照，绕击跳闸率处于相对较低的水平，本工程采用双地线和将防雷保护角依据规程控制在15°是合理且有效的。依照工程特点虽然本工程绕击概率处于较低水平，但由于该区为多雷区，绕击雷灾害天气发生概率较大，且雷闪存在历史奇点，此外，考虑电网220kV线路加装负角保护针运行经验较好，本工程接地电阻在10以下，加装负角保护针是有积极效果的，故建议本工程在个别高塔上（呼高大于39米）加装负角保护针。
根据前文反击计算结果分析和差异化防雷指标的比照，本工程线路主要雷击灾害类型为反击，风险水平为II级，整体防雷水平较好，需在线路个别高塔上进行防雷优化设计。根据工程绕、反击跳闸率比值 Krf为0.048，建议防雷方案为降低接地电阻和加装线路避雷器。从前文分析中可知，本工程接地电阻取10对线路是兼顾经济性和有效性的，对个别高塔在实施时可优先通过优化路径方案和调整呼高的方式降低线路反击跳闸率，当上述方法难以做到时建议加装线路避雷器。
综合以上结论，本工程防雷措施比选见下表。
表8 工程防雷措施比选
内容 | 工程可行性 | 推荐情况 |
路径优化 | 避开易击区，能有效地防止雷害。 | 推荐 |
降低塔高 | 降低呼高能比较经济有效地降低雷击跳闸率，但需注意本工程对树木高跨的要求。 | 推荐 |
降低接地电阻 | 本工程接地电阻取10对线路是经济可行的。 | 推荐 |
采用双地线 | 本工程采用双地线和将防雷保护角控制在15°是合理且有效的。 | 推荐 |
加装负角保护针 | 工程处于多雷区，雷闪存在历史奇点，绕击雷灾害天气发生概率较大，故需加强对绕击的保护措施；考虑220kV线路加装负角保护针运行经验较好，本工程接地电阻在10以下，加装负角保护针是有积极效果的，故建议本工程在个别高塔上（呼高大于39米）加装负角保护针。 | 推荐 |
加装线路避雷器 | 根据工程差异化防雷标准指标和运行经验，线路避雷器是最有效的防雷措施，建议本工程在大跨越和个别高塔（呼高大于39米）上加装线路避雷器。 | 推荐 |
安装并联间隙 | 加装并联间隙会使耐雷水平降低，欲维持耐雷水平需增加绝缘子，从而增大杆塔尺寸，增加线路投资，故本工程不建议采用。 | 不推荐 |
本文以220kV架空线工程当地的雷电参数为设计依据，对全线杆塔进行雷害风险评估，用差异化防雷设计和雷击风险等级控制评估的方法取代典型杆塔的防雷性能计算，从中找出整段线路中防雷性较差的“易击段、易击点”，通过经济性和适用性比选，提出相应的防雷措施，因地制宜地提升杆塔的防雷性能，经济有效地减少雷击造成的跳闸停电事故。
[1]中国电力工程顾问集团有限公司，中国能源建设集团规划设计有限公司.电力工程设计手册.架空输电线路设计[M]．北京：中国电力出版社，2019．
[2]陈家宏，吕军，钱之银等．输电线路差异化防雷技术与策略[J]．高电压技术，2009，35(12):2891-2902．
作者简介：
解鹏程（1989），男，工程师，主要从事电力线路设计工作。
9
客服QQ：30444492琼网文【2021】1550-113号
增值电信业务经营许可证：琼B2-20210322
出版物经营许可证：新出发龙华出字第(2021)009号
广播电视节目制作经营许可证：(琼)字第00779号
版权所有 ©2002-2025 期刊网(www.qikanchina.com) 琼ICP备2021005105号
