高压线路雷电绕击防护措施讨论

高压线路雷电绕击防护措施讨论

史永文

国网山西省电力公司检修分公司山西太原030000

摘要：针对雷电绕击对特高压输电线路运行可靠性的影响，在总结分析特高压交直流输电线路雷电绕击影响因素的基础上，结合现场运行数据及雷击观测对绕击防护措施的适用性及研究重点进行分析。结果表明，对交直流特高压线路绕击产生影响的因素有运行电压、保护角、地面倾角、杆塔塔型、线路弧垂等；根据地形选取合适的保护角可以将线路整体绕击跳闸率控制在较低水平，但个别塔位仍存在绕击风险；线路避雷器可大幅提升绕击耐雷水平，但大绕击电流、多次回击下避雷器能否承受雷电能量尚需进一步研究；杆塔侧针能大幅减小杆塔附近的绕击概率，但其保护范围能否覆盖线路绕击危险区域是确定其适用性的关键，亦需进一步研究。

关键词：特高压；绕击；保护角；线路避雷器；杆塔侧针

1引言

由于我国发电资源与电力负荷中心地域距离较远，特高压输电作为解决能源大范围配置的重要手段，在电网中的比重越来越大，其安全稳定对保障电网安全可靠运行至关重要。雷电绕击是影响特高压线路运行可靠性的重要因素。如2015、2017年，1000kV都榕线均发生雷电绕击跳闸；2010-2015年±800kV三条线共计发生雷电绕击重启11次，占上述３条线路总故障的73.33%。因此，降低特高压线路的绕击跳闸率对提升线路运行可靠性意义重大。本文在综合分析当前特高压线路绕击规律的基础上，对线路绕击防护措施的有效性进行分析，指出特高压线路绕击防护后续重点研究方向。

2特高压线路雷电绕击影响因素分析

1）运行电压

直流特高压线路的绕击极性效应显著。原因在于自然界大部分地闪为负极性，负极性先导向导线附近时，正极性电压有助于导线上行先导的产生、发展，同时抑制避雷线表面先导的形成，从而导致正极导线更易遭受绕击。

2）保护角

对于交流特高压线路，随着保护角增大，杆塔绕击跳闸率显著增加。采用负保护角或零保护角时，绕击跳闸率保持为0，保护角从5°增至20°时，跳闸率迅速增加４倍以上。直流特高压线路对保护角的要求更为严苛，保护角为0时小幅值雷电流绕击概率依然存在，而当地线保护角为正时，绕击闪络率将随保护角增加而急剧增大。缩比模型试验表明，随着保护角减小，总体绕击概率显著降低，当保护角为-5°时，绕击概率为0，由此可知需采用负保护角才能取得满意的防绕击性能。

3）杆塔塔型

在1000kV特高压线路典型绝缘子、导线排列方式下计算了绕击跳闸率。结果表明，相同杆塔高度、保护角下，绝缘子M型排列比3V型排列的绕击跳闸率要小，且M型和3V型各自的导线三角排列与水平排列相比时，三角排列的绕击闪络率比水平排列小。

塔型较高、保护角较大时，地面和地线屏蔽作用减弱，更易遭受绕击。特高压交流线路ZMP2型猫头塔高度达88.6mｍ、保护角为正，ZBS2型酒杯塔高度为68.0mｍ、采用负保护角，计算比较显示ZBS2型酒杯塔的绕击跳闸率计算结果仅为ZMP2型猫头塔的1/2，±800kV线路ZV2塔在高度大于55m时，避雷线对正极性导线保护作用显著下降。

4）线路弧垂

地线、导线的弧垂分布不同导致档距内不同位置保护角的变化，绕击雷电流范围可相差10kA，足以导致不同位置绕击概率的差异。有文献利用分形模型对±800kV直流线路一个档距内的雷击落点分布情况进行模拟，不考虑弧垂时，正极性导线档距中央绕击概率比两侧高约10%；设置避雷线和导线弧垂分别为15、10m时，正极性导线档距中央的绕击概率比两侧高约50%，即避雷线弧垂大。

3特高压线路雷电绕击防护措施分析

1）特高压线路绕击防护措施适用性

架空线路常用绕击防护措施有减小保护角、使用并联间隙、装设线路避雷器、装设杆塔侧针、安装耦合地线或旁路地线等，由于特高压线路的特殊性，并非所有防护措施均适用。原因在于：①特高压线路输送功率大，一旦跳闸电网将被迫在短时间内进行大量备用投入，同时特高压线路往往是大区电网之间的联络线，对电网稳定性十分重要，因此特高压线路绕击防护的目标是尽量使绕击跳闸接近０。并联间隙虽能保护绝缘子，但在不增加串长的情况下会增加线路跳闸率，不适合特高压线路。②特高压线路塔高串长，电磁环境复杂，线路运维尚处于积累经验期，从运维角度而言线路结构越简单越好，因此架设耦合地线、旁路地线尽量不予使用。综合考虑，减小保护角、使用线路避雷器、安装杆塔侧针对特高压线路绕击防护较为适用。

2）选取合适的保护角

地线保护角的选取直接关系到特高压线路整体绕击跳闸率的高低。综合理论和计算结论，交流特高压线路保护角需接近0°，直流特高压线路需采用负保护角，不同区段保护角数值需考虑具体地形、线路架设形式选取。

3）安装线路避雷器

线路避雷器能钳制绝缘子两端电压防止绝缘子闪络，大幅提升绕击耐雷水平。1000kV交流特高压线路加装线路避雷器后绕击耐雷水平增至120kA以上，远大于一般的最大绕击电流，可保障线路不发生绕击跳闸。

4）安装杆塔侧针

利用针电极尖端比导线表面更易产生先导的特性，在线路易击区段安装侧向避雷针，利用侧针表面先导拦截雷电先导，可降低绕击概率。侧针分杆塔侧针和地线侧针，考虑到地线侧针长期运行可靠性存疑，目前线路上杆塔侧针应用较多。

5）特高压线路绕击防护措施选择

目前架空线路防雷措施的选择一般依据国网公司差异化防雷指导意见进行，并取得了良好效果。但特高压线路绕击防护有自身特点，因此有必要考虑针对特高压线路的绕击防护措施选择方法。本文根据对避雷器、杆塔侧针等各类绕击防护措施的分析，建议对特高压线路采用以下思路选择合适的绕击防护措施：①计算单基杆塔装设避雷器或装设杆塔侧针后该杆塔的绕击跳闸率，计算时考虑雷电多重回击对避雷器防护性能的影响、杆塔侧针有效保护范围；②对需要进行防雷改造的杆塔，设置不同避雷器杆塔占比的改造方案；③计算每一种防雷改造方案的雷击跳闸率和改造造价；④根据每种方案改造后的跳闸率和造价，选择最优方案。最优方案可根据运维单位条件决定，如希望在最经济的条件下达到跳闸率控制目标，或达到尽量低的跳闸率等。

4结论

交直流特高压线路雷电绕击受到运行电压、保护角、地面倾角、杆塔塔型等因素的影响。线路避雷器可有效提升线路绕击耐雷水平，但大绕击电流、多次回击下避雷器能否承受雷电能量尚需进一步研究。杆塔侧针在特高压线路上需要进一步积累运行经验，侧针的有效保护范围尚需进一步研究。

参考文献：

[1]张志劲，司马文霞，蒋兴良，等.超/特高压输电线路雷电绕击防护性能研究[J].中国电机工程学报，2005，25（10）：1-6.

[2]王少华，金祖山，李特，等.特高压输电线路雷电绕击影响因素及防护措施[J].水电能源科学，2018（6）.