高 嵩，周志成，陶風(fēng)波，張星煒

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103)

雷擊是引起架空輸電線路跳閘的主要原因之一。根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，江蘇電網(wǎng)每年因雷擊引起的跳閘約占線路跳閘總數(shù)的1/4，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

造成輸電線路雷擊故障的原因是雷擊時(shí)在輸電線路上形成的雷電過電壓超過線路絕緣的耐受水平，使線路絕緣遭到破壞并發(fā)生閃絡(luò)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)跳閘或設(shè)備損壞。國(guó)內(nèi)外多年來的雷擊跳閘故障分析經(jīng)驗(yàn)表明[1，2]，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)輸電線路的耐雷水平是做好線路防雷工作的必要前提。防雷計(jì)算模型是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)輸變電設(shè)備耐雷性能的重要工具和手段。目前，反擊計(jì)算模型主要有行波法、ATP 程序、電磁場(chǎng)法、蒙特卡洛法等，繞擊計(jì)算模型主要有電氣幾何模型（EGM）、先導(dǎo)發(fā)展模型（LPM）、雷電屏蔽模型等，這些模型的建立和提出，一定程度上解決了輸電線路的防雷計(jì)算問題，但也各有其適用范圍，還需進(jìn)一步對(duì)這些模型進(jìn)行相應(yīng)地比較研究，充分考慮線路走廊雷電活動(dòng)的強(qiáng)度、線路結(jié)構(gòu)特征的以及地形地貌特點(diǎn)[3]，在計(jì)算雷擊跳閘率時(shí)，根據(jù)需要和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的模型進(jìn)行計(jì)算，從而合理評(píng)估輸電線路雷害風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)運(yùn)行部門采取適宜的防雷技術(shù)措施，減少雷擊故障的發(fā)生。

1 雷電活動(dòng)特征

1.1 江蘇雷電活動(dòng)總體情況

江蘇省位于長(zhǎng)江流域，境內(nèi)地勢(shì)平坦，湖泊河流眾多，雷電活動(dòng)比較活躍。根據(jù)江蘇2005～2013年的雷電樣本數(shù)據(jù)，繪制出江蘇省9年平均地閃密度分布圖，如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，江蘇地區(qū)雷電活動(dòng)較為頻繁，江蘇全省大部分地區(qū)處于多雷區(qū)（C 級(jí)），無少雷區(qū)（A 級(jí)），另外中雷區(qū)（B 級(jí)）、強(qiáng)雷區(qū)（D 級(jí)）面積較少。中雷區(qū)（B 級(jí)）主要分布在徐州北部、連云港和鹽城的東北部。多雷區(qū)（C 級(jí)）面積最大，其中C1 級(jí)面積最廣，主要分布在蘇北大部分區(qū)域、沿海及蘇南局部區(qū)域，C2 級(jí)主要分布在蘇南和蘇中。強(qiáng)雷區(qū)（D 級(jí)）面積較小，主要分布在淮安、南京、無錫等地。

圖1 蘇電網(wǎng)9年平均地閃密度分布圖

1.2 雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2013年省內(nèi)雷電活動(dòng)總體保持平穩(wěn)，強(qiáng)落雷天氣主要集中在無錫、蘇州以及徐州、連云港局部地區(qū)。全年雷暴日為146 天，平均地閃密度為2.87 次/（km2·a），較往年有所下降，年均地閃密度值為近5年來的最低水平，如圖2 所示。

圖2 2009～2013年江蘇全省地閃密度統(tǒng)計(jì)情況

2 雷擊跳閘情況分析

2.1 雷擊跳閘基本情況

2013年江蘇電網(wǎng)220 kV 及以上輸電線路雷擊跳閘數(shù)量如圖3 所示。省220 kV 及以上線路雷擊跳閘22 起；其中，500 kV 線路7 起，220 kV 線路15 起。以每年40個(gè)雷暴日計(jì)算，500 kV 和220 kV 線路雷擊跳閘率分別為0.077 6 次/（100 km·a）和0.065 6 次/（100 km·a），雷擊重合成功率為80%左右。雷擊跳閘率統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

圖3 近五年同期雷擊跳閘情況變化

表1 雷擊跳閘率統(tǒng)計(jì)

2.2 雷擊故障特征分析

（1）故障類型。根據(jù)雷電流幅值和防雷計(jì)算分析結(jié)果判斷，2013年220 kV 及以上線路全部為繞擊引起。從歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，江蘇省220 kV 及以上輸電線路繞擊跳閘比例均在96%以上，反擊跳閘次數(shù)較少，僅發(fā)生在個(gè)別500 kV 線路。主要原因是多數(shù)引起跳閘的雷電流幅值不高，另一方面則與江南地區(qū)土壤電阻率較低有關(guān)。

（2）故障地形。對(duì)雷擊故障地形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，2013年線路雷擊跳閘中，除1 起發(fā)生在邊坡地形外，其余均發(fā)生在平原地帶，約占總雷擊數(shù)95%，表明江蘇地區(qū)220 kV 及以上線路雷擊跳閘地形以開闊平原為主。

（3）故障塔型。從雷擊桿塔類型上看，2013年線路雷擊跳閘中，13 起發(fā)生在同塔雙（四）回線的鼓型塔，占全部故障塔型的59.1%，且雷擊多發(fā)生在中相，這主要是因鼓型塔結(jié)構(gòu)下，地線對(duì)中相導(dǎo)線的保護(hù)角偏大導(dǎo)致的，易引起繞擊。故障塔型統(tǒng)計(jì)如表2 所示。從故障桿塔高度上看，桿塔呼高h(yuǎn) 超過30 m 以上的桿塔占跳閘數(shù)的68.1%；30 m 以下故障桿塔比例為31.9%；表明江蘇省220 kV 及以上線路呼高超過30 m的桿塔發(fā)生繞擊概率相對(duì)較高，如圖4 所示。

表2 220 kV 及以上線路雷擊故障塔型

圖4 220 kV 及以上線路雷擊故障桿塔呼高情況

（4）外絕緣配置。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，江蘇電網(wǎng)220 kV 及以上線路雷擊故障桿塔中復(fù)合絕緣子和長(zhǎng)棒形瓷絕緣子使用率為90.9%，其中復(fù)合絕緣子比例達(dá)70%以上。江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)不同型式絕緣子進(jìn)行了雷電沖擊放電試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子和長(zhǎng)棒形瓷絕緣子的雷電沖擊性能均低于雙傘型瓷絕緣子，相同結(jié)構(gòu)高度下，瓷雙傘絕緣子的雷電沖擊放電電壓較長(zhǎng)棒形瓷絕緣子高6.7%，較復(fù)合絕緣子高11.7%，如表3 所示。

表3 不同型式絕緣子（正極性）雷電沖擊U50%

3 防雷措施與對(duì)策分析

根據(jù)江蘇電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，雷擊重合不成一直是引發(fā)220 kV 及以上線路故障停運(yùn)的主要原因。采取有效的防護(hù)措施來提高線路防雷性能是控制雷擊故障率的關(guān)鍵。目前，常用的防雷措施總體上有“疏”與“堵”兩大類方式。

3.1 “堵塞型”防雷措施

（1）減小地線保護(hù)角。為降低線路雷電繞擊跳閘率，新建220 kV 雙回路垂直排列線路桿塔全高超過40 m時(shí)，架空地線對(duì)各相線的最大保護(hù)角應(yīng)從現(xiàn)行設(shè)計(jì)的20°左右降低到5°以下[4]；500 kV 同塔雙回路線路和大跨越塔應(yīng)進(jìn)一步降低架空地線對(duì)各相線的保護(hù)角應(yīng)不大于0°。

（2）架設(shè)旁路架空地線。架設(shè)旁路架空地線可有效防止500 kV 輸電線路的側(cè)面來雷繞擊導(dǎo)線的情況。這種措施對(duì)于側(cè)面來雷的情況效果非常好，如在山坡外側(cè)架設(shè)旁路架空地線，則可攔截從側(cè)面過來繞擊。

（3）增加復(fù)合絕緣子長(zhǎng)度?？紤]到復(fù)合絕緣子在江蘇電網(wǎng)的巨大使用量，為降低雷擊閃絡(luò)故障，對(duì)于多雷、強(qiáng)雷區(qū)新建線路以及塔窗口尺寸允許的老舊線路，應(yīng)選用干弧距離較長(zhǎng)的復(fù)合絕緣子，并在兩端加裝均壓環(huán)。

（4）安裝塔頭側(cè)向避雷針。塔頭側(cè)向避雷針可安裝在較易遭受繞擊導(dǎo)線相所在橫擔(dān)上，如雙回路桿塔中相橫擔(dān)、四回混壓線路下層雙回路的長(zhǎng)橫擔(dān)上。側(cè)向避雷針的保護(hù)范圍為15～20 m，線路實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，繞擊多發(fā)生于桿塔兩側(cè)約30 m 范圍內(nèi)[5]，因此側(cè)向避雷針保護(hù)范圍可達(dá)50%以上。

（5）安裝可控放電避雷針。由于線路弧垂使中間段保護(hù)角小于近桿塔段，加之桿塔位置也較高，繞擊多發(fā)生在近桿塔段?？煽胤烹姳芾揍樦饕糜谏絽^(qū)保護(hù)易受雷電繞擊的桿塔，但對(duì)于檔距中央的保護(hù)有限[6]。

3.2 “疏導(dǎo)型”防雷措施

除采用“堵塞型”方法來降低線路的雷擊跳閘率外，還可采取“疏導(dǎo)型”辦法，即適當(dāng)降低輸電線路的耐雷水平。通過定位雷擊閃絡(luò)和疏導(dǎo)工頻電弧保護(hù)絕緣子串，以提高重合閘的成功率，不造成雷擊停運(yùn)故障。

（1）加裝絕緣子串并聯(lián)間隙。采用保護(hù)間隙裝置與絕緣子串并聯(lián)，其距離小于絕緣子串的干弧距離。架空線路遭受雷擊時(shí)，保護(hù)間隙因雷電沖擊放電電壓低于絕緣子串的放電電壓首先放電，并將接續(xù)的工頻電弧引至間隙端部，從而保護(hù)絕緣子免于電弧灼燒[4]。應(yīng)當(dāng)注意的是，絕緣子串并聯(lián)間隙不適用于220 kV 及以上線路耐張塔，推薦在同塔雙回線路使用，選擇雷害風(fēng)險(xiǎn)較高的一回線進(jìn)行安裝。

（2）安裝線路型氧化鋅避雷器。線路型氧化鋅避雷器可以使輸電線路的繞、反擊耐雷水平得到大幅度提高，顯著降低500 kV 輸電線路的繞擊跳閘率。由于單支避雷器僅能保護(hù)安裝相，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，可在500 kV 及以上核心骨干網(wǎng)架、大型電源（如核電）送出等戰(zhàn)略性輸電通道、過江大跨越、轉(zhuǎn)角塔、高塔、山區(qū)、接地電阻大及其他雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高的重要線路的易擊相安裝線路避雷器。

4 典型500 kV 雷擊故障案例分析

4.1 泰斗5293 線易擊段故障原因分析

雷擊故障與輸電線路所處地形有密切關(guān)聯(lián)。一般而言，山（風(fēng)）口、山谷、河流、湖泊等地形的雷電活動(dòng)比較劇烈，這類區(qū)域如建有大型輸電線路則往往反復(fù)發(fā)生雷擊，呈現(xiàn)出雷電易擊段的特點(diǎn)。例如江蘇500 kV泰斗5293 線，該線路在泰州、江陰段跨越長(zhǎng)江，總長(zhǎng)度80.8 km。近5年來，該線路頻繁遭受雷擊，且絕大多數(shù)雷擊點(diǎn)集中位于在56～73 號(hào)過長(zhǎng)江區(qū)段8 km 范圍內(nèi)，如表4 所示。

表4 泰斗5293 線雷電易擊段跳閘情況

（1）根據(jù)雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出500 kV泰斗5293 線過江段桿塔2008～2013年平均地閃密度。數(shù)據(jù)顯示，500 kV 泰斗5293 線過長(zhǎng)江段近6年的平均地閃密度值高于11.14 次/（km2·a），即表明該線路過長(zhǎng)江段桿塔均處在D2 級(jí)強(qiáng)雷區(qū)，其落雷數(shù)量明顯高于江蘇全省平均水平，雷電活動(dòng)十分活躍，屬雷擊故障多發(fā)地區(qū)。其雷電活動(dòng)情況如表5 所示。

表5 泰斗5293 線過江段2008～2013年雷電活動(dòng)情況

（2）根據(jù)故障記錄，泰斗5293 線過長(zhǎng)江段的雷擊塔型主要為SZT1，SZT2，SKT 三類雙回直線塔型。在統(tǒng)計(jì)雷電、地形、線路等相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，為校核泰斗5293 線故障桿塔的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)近年來發(fā)生過雷擊的57 號(hào)、60 號(hào)、66 號(hào)、68 號(hào)、73 號(hào)五基桿塔進(jìn)行防雷性能計(jì)算，獲得了各基桿塔的雷擊跳閘率。其中繞擊計(jì)算采用更能反應(yīng)具體線路的地形特點(diǎn)的改進(jìn)電氣幾何模型（EGM），反擊計(jì)算則采用仿真方法，利用EMTP-ATP 程序建模計(jì)算，具體結(jié)果如表6 所示。

表6 泰斗5293 線歷史故障桿塔防雷性能計(jì)算結(jié)果

從表6 可知，各基故障桿塔的雷擊跳閘率均明顯高于國(guó)網(wǎng)公司運(yùn)行規(guī)范要求的0.14 次/（100 km·a）（歸算到40 雷電日）。一般而言，影響輸電線路雷擊跳閘率的因素很多，包括地閃密度、雷電流幅值、線路保護(hù)角、線路絕緣水平、桿塔高度、桿塔接地電阻、地面傾角、地形地貌等。

（3）通過上文分析，引起泰斗5293 線雷擊跳閘率偏高的原因可歸結(jié)為：

①該條線路易擊段毗鄰長(zhǎng)江寬闊水域，局部風(fēng)力較大；且江水水面電阻率低，起到引雷作用，大幅加強(qiáng)了局部落雷數(shù)量和地閃密度。

②線路易擊段因跨江需要，塔身設(shè)計(jì)相對(duì)較高，過長(zhǎng)江段除大跨越塔和錨塔外，各基桿塔平均高度達(dá)到64.93 m。隨著導(dǎo)線距離地高度增加，大地的屏蔽作用減弱，線路受到雷電繞擊的概率相應(yīng)增加。

③泰斗5293 線的絕緣子設(shè)計(jì)時(shí)采用了長(zhǎng)棒形瓷絕緣子，由于安裝引弧環(huán)，使得絕緣子干弧距離縮短，降低了桿塔耐雷水平。

4.2 防雷改造措施建議

綜合考慮上述雷擊故障原因和各類防雷措施的使用范圍，建議對(duì)泰斗5293 線過長(zhǎng)江易擊段桿塔選取“疏”、“堵”結(jié)合的防雷措施：

（1）對(duì)SZT1，SZT2，SKT型桿塔安裝線路避雷器。2011年國(guó)家電網(wǎng)公司《架空輸電線路差異化防雷工作指導(dǎo)意見》規(guī)定：500（330）kV 及以上核心骨干網(wǎng)架、大檔距高塔及其他雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高的重要線路，可考慮安裝線路避雷器。泰斗5293 線為同塔雙回線路，全線直線桿塔基本均為鼓型塔，根據(jù)線路結(jié)構(gòu)、地形地貌情況以及桿塔耐雷水平分析結(jié)果，建議在泰斗5293 線過江段56～73 號(hào)桿塔中全部SZT1，SZT2 和SKT 型桿塔的兩側(cè)中相各加一個(gè)帶間隙氧化鋅避雷器，可切實(shí)降低這一區(qū)段線路的雷擊跳閘率。

（2）逐基桿塔安裝可控放電避雷針。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，泰斗5293 線過長(zhǎng)江段雷擊跳閘均為繞擊引起，因此建議對(duì)泰斗5293 線56～73 號(hào)逐基桿塔安裝可控放電避雷針，可控放電避雷針的引雷能力比傳統(tǒng)避雷針強(qiáng)，而且有較大的保護(hù)角，這樣就可以降低被保護(hù)桿塔遭受繞擊的概率，用于保護(hù)易受雷電繞擊的桿塔。

5 結(jié)束語(yǔ)

線路雷擊跳閘對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行影響巨大。隨著江蘇電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展和通道及電磁環(huán)境相關(guān)要求的變化，220 kV 及以上線路桿塔的高度和同桿架設(shè)數(shù)量不斷增加，總體防雷性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此線路運(yùn)行維護(hù)部門應(yīng)積極開展線路雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，有針對(duì)性地才采取“疏”與“堵”相結(jié)合的防雷改造措施，降低線路雷擊跳閘率，提高雷雨季節(jié)供電可靠性。

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