拓新路 楊 博

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司 2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院）

特高壓輸電線路防雷技術探討

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行的主要因素，尤其在雷電活動強烈地區(qū)面臨的防護壓力很大，本文對特高壓輸電線路的雷擊特點、耐雷性能研究方法與影響因素、防雷措施進行了探討。

特高壓輸電線路；防雷

0 引言

我國將直流±800kV、交流1000 kV及以上的電壓等級定義為特高壓。眾所周知，我國能源分布很不均衡，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)。遠距離輸電是解決發(fā)電與用電異地分布的關鍵策略，然而500kV超高壓電網(wǎng)已難以滿足大容量、高效率、遠距離輸電需要，采用特高壓輸電成為我國能源發(fā)展政策的必然選擇。雷擊是影響遠距離輸電安全可靠性的重要因素，中外運行經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1,2]已證實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又不同于常規(guī)輸電線路，因此本文對特高壓輸電線路防雷技術進行了探討。

1 特高壓輸電線路雷擊特點與耐雷性能的影響因素

1.1 雷擊形式與特征

雷電現(xiàn)象是由于太陽輻射使地表受熱造成含水汽空氣產(chǎn)生對流，水珠在運動、碰撞、分裂、融合過程中帶上電荷。雷云放電就產(chǎn)生光（閃）和聲（雷），并在輸電線路上形成過電壓。雷過電壓有直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩種形式，前者是指雷云直接對線路放電并在設備上產(chǎn)生沖擊電壓，后者是由于雷電先導在設備上感應出電荷而形成的過電壓。感應雷過電壓只對沒有避雷線的35kV及以下線路有威脅，110kV及以上線路受到的威脅主要來自直擊雷過電壓。直擊雷過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地線擊中導線。根據(jù)運行經(jīng)驗，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、桿塔結構尺寸大，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現(xiàn)場觀測、模擬實驗、理論分析等手段實現(xiàn)。雷電觀測是了解雷電參數(shù)和雷電特性的主要方法，目前我國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。模擬實驗是獲得雷電數(shù)據(jù)及驗證理論分析結果不可或缺的手段，然而實驗室放電試驗與實際雷電放電存在較大差異，模擬實驗結論需要通過實際工程驗證[4]。理論分析主要有規(guī)程法、電氣幾何模型（EMG）、先導發(fā)展模型（LMP）三個途徑。規(guī)程法基于多年運行經(jīng)驗和模擬實驗結果，如DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》附錄C中給出的繞擊率計算公式，該方法對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通過幾何作圖方法分析雷電先導擊中目的物的情形，以明確雷電活動與線路結構尺寸的關系，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EMG通過引入吸引半徑并考慮復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從發(fā)展到擊穿目的物整個過程的分析機制，比EMG更準確描述雷擊過程，但也因此使模型更加復雜，相關參數(shù)和判據(jù)不完善，影響實際應用。

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綜復雜，包括：線路結構因素，如地線對導線的保護角、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，如風速、氣溫等；線路運行因素，如線路電壓與極性等?，F(xiàn)根據(jù)EMG對部分影響因素進行分析。

圖1中，雷電先導頭部到達線路上方，在擊向?qū)Ь€之前會先遇到地線（避雷線）形成的屏蔽弧（綠色?。帘位⊥鈧?cè)未得到保護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分別為地線和導線的擊距。

圖1a為平地情形。其中α、α1、α2為地線保護角，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)移動地線，保護角減小，并且繞擊弧地面投影寬度也減小，說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，它們對坡面投影的寬度t1＜t2。可見，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)山坡對水平面的傾角，α為地線保護角。兩側(cè)繞擊弧都比平地變大了，相應地對坡面投影的寬度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為峽谷坡面對水平面的傾角，α為地線保護角。兩側(cè)繞擊弧都比平地減小了，相應地對坡面投影的寬度t1、t2比平地小，表明雷電繞擊概率減小了。

通過EMG圖形很容易解釋相同地線保護角情況下山區(qū)比平原更容易遭受雷電繞擊，而峽谷地形因為有兩側(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角、架設多根避雷線、架設耦合地線、架設避雷針、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、安裝自動重合閘等，然而線路防雷性能評估主要依據(jù)典型地貌及雷擊跳閘率的統(tǒng)計結果，沒有根據(jù)各級桿塔耐雷性能差異采取針對性的措施，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、線路走廊雷電活動規(guī)律、線路結構、絕緣配置水平、防雷方法等差異性，綜合考慮技術經(jīng)濟效果所采取的針對性策略。

2.2 差異化防雷策略實施流程

差異化防雷一般要經(jīng)過參數(shù)統(tǒng)計、各基桿塔雷擊跳閘率計算、桿塔防雷性能評估、防雷措施配置幾個步驟。充分評估每基桿塔差異化特征，針對防雷薄弱性環(huán)節(jié)，再采取針對性措施是非常重要的。例如特高壓同塔雙回線路通常架設2根地線，并且地線對邊相導線保護角不應小于－5°（山區(qū)），但可能因為地形因素造成兩地線間距過大（超過導地線垂直距離5倍），以致中相導線遭到繞擊閃絡，對此應通過架設第三根地線或另設耦合地線加以防范。

2.3 差異化防雷策略配置方法

實施差異化防雷策略應當綜合考慮各種情況，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；但對于山脊可進一步降低保護角或增設耦合地線；山坡下坡處可減小保護角或通過增加邊相導線絕緣子片數(shù)來減小保護角。

3 結束語

根據(jù)運行經(jīng)驗，雷電繞擊是特高壓輸電線路跳閘的主要原因，尤其山區(qū)雷擊閃絡威脅更為直接。特高壓輸電線路防雷除了減小地線保護角，還應采取綜合防雷措施，因為特高壓輸電線路運行時間、數(shù)據(jù)相對不足，應結合實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行。

[1] 胡毅，劉凱，吳田，等. 輸電線路運行安全影響因素分析及防治措施[J]. 高電壓技術，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估技術研究進展[J]. 南方電網(wǎng)技術，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，2014.

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

2017-09-17）