110 kV架空輸電線路綜合防雷方案研究與應用

趙建剛

供用電

110 kV架空輸電線路綜合防雷方案研究與應用

趙建剛

（武鋼股份公司能源動力總廠供電廠，湖北武漢430080）

武鋼電網(wǎng)110 kV架空輸電線路近年來雷擊跳閘率較高，為了減少雷害事故對武鋼生產(chǎn)的影響，對武鋼110 kV架空線路的防雷現(xiàn)狀、雷害成因進行分析研究，提出了綜合防雷的改造方案并予以實施，效果明顯。

架空輸電線路；雷擊跳閘；防雷解決方案

1 引言

武鋼110 kV電網(wǎng)由72條110 kV輸電線路（含8條電力電纜線路）、28座110 kV降壓變電站及2座大型發(fā)電廠（CCPP電站和自備電廠）、4座220 kV變電站共同構(gòu)成。武鋼110 kV電網(wǎng)主要通過架空線路以放射狀向武鋼青山廠區(qū)內(nèi)的鐵前、冶煉、軋鋼和公輔動力等區(qū)域變電所供電，為武鋼連續(xù)自動化生產(chǎn)提供電力。由于絕大部分以架空線路形式輸電，受氣候環(huán)境影響較大，特別是線路走廊密集，共計64條架空輸電線路，總長203 km。雷雨季節(jié)遭受雷擊的幾率較大，容易發(fā)生雷擊跳閘事故，造成武鋼110 kV電網(wǎng)電壓凹陷，引起電網(wǎng)電壓波動，影響公司的正常生產(chǎn)。通過對2005年至2009年武鋼110 kV電網(wǎng)架空輸電線路雷害事故統(tǒng)計，架空輸電線路每百公里年雷擊跳閘率如下：

2005年0.99次/100 km·a

2006年0.99次/100 km·a

2007年0.49次/100 km·a

2008年2.96次/100 km·a

2009年0.99次/100 km·a

國外及我國標準、國網(wǎng)公司對110 kV架空線路雷擊跳閘率控制標準及數(shù)據(jù)如下：

美國：1.04次/100 km·a

俄羅斯：0.76次/100 km·a

日本：0.98次/100 km·a

國標DL/T620：1.18～2.01次/100 km·a

國網(wǎng)公司期望值：0.525次/100 km·a

從以上數(shù)據(jù)可以看出，武鋼電網(wǎng)110 kV架空輸電線路2005年到2009年雷擊跳閘率整體超出了國網(wǎng)公司的期望值0.525次/100 km·a，其中2008年值還超出了電力行業(yè)標準值。為降低武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路雷擊跳閘率，達到減少雷電災害事故，需對武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路防雷進行分析研究，找出防雷方面存在的薄弱環(huán)節(jié)，制定加強線路綜合防雷的整改方案并予以實施。

2 雷害發(fā)生的成因及主要形式

雷電是一種雷云放電的自然現(xiàn)象。雷云放電的大部分是在云間或云內(nèi)進行，只有小部分是對地發(fā)

生的。當雷云較低、周圍又沒有帶異性電荷的云層，就會對地面突出物如架空線路鐵塔或?qū)Ь€放電，產(chǎn)生很大的雷電流，可達幾十甚至幾百千安。雷電流能在幾個滋s內(nèi)達到最大值，然后在幾十滋s內(nèi)衰減下去，它為2.6/40滋s的沖擊波。表征雷電流的參數(shù)主要是雷電流幅值和雷電流波頭的陡度（即雷電流變化的速度）。雷云對地放電時，不但會在受雷電直擊的線路上產(chǎn)生直擊雷過電壓，也會在雷擊點附近未受雷擊的線路上形成感應雷過電壓。當雷擊過電壓高于線路絕緣50%沖擊耐受電壓U50%時，線路絕緣擊穿發(fā)生跳閘事故，嚴重時會發(fā)生電網(wǎng)大面積停電事故，威脅電網(wǎng)安全。如2005年5月17日發(fā)生的冶金變電站110 kV架空出線雷擊事故造成武鋼電網(wǎng)110 kV 5條架空線路跳閘，使公司大部分生產(chǎn)單位能源介質(zhì)供應中斷，生產(chǎn)暫時停頓。110 kV架空線路設(shè)計的耐雷水平，用線路遭受雷擊時線路絕緣不發(fā)生閃絡的最大雷電流幅值（kA）來衡量。包括架空線桿塔的反擊耐雷水平I1和繞擊耐雷水平I2。

110 kV架空線路發(fā)生雷害的主要形式是雷電的反擊和繞擊。感應雷對110 kV架空線路沒有危害，但會對35 kV及以下架空線路造成損害。

（1）雷電擊中架空地線或桿塔頂時，雷電流下泄中會引起塔頭電位升高，其電位大于絕緣子串U50%時，雷電流沿絕緣子串對導線放電，造成架空線路雷電反擊閃絡跳閘。若遭受雷擊架空線某桿塔高度h為24 m，雷電強度I為40 kA，桿塔接地電阻R為10 Ω。根據(jù)公式：

則遭受雷擊塔頂?shù)碾娢桓哌_1017 kV即離地為24 m的塔頂出現(xiàn)1017 kV的過電壓。

（2）雷電擊中架空輸電線路導線時，雷電流在導線上傳輸，雷電流能量一般通過導線上的電暈損失與相鄰導線的耦合作用消減雷電波波峰。但在導線上傳輸過程中，由于導線波阻抗的存在，在導線上形成一個雷電流引起的高電位。當雷電引起的電壓大于線路絕緣子串雷電耐受沖擊電壓時，雷電流沿絕緣子串對橫擔放電，該絕緣子串發(fā)生繞擊閃絡，造成線路跳閘。若導線繞擊點的雷電流i為12 kA，線路波阻抗Z為500 Ω。根據(jù)公式：

則雷電繞擊點的過電壓高達1500 kV。

（3）感應雷公式中的雷擊中和（節(jié)距）點大于65 m，即雷云距線路小于65 m時，會被架空線路的避雷線或桿塔所吸引而擊中線路本體，由鐵塔自身中和入地。當雷云對65 m外的凸出物放電中和后，導線上會產(chǎn)生雷電感應過電壓。感應過電壓輻值Ug按下式計算：

式中，I——雷電流幅值，kA；

hd——導線懸掛的平均高度，m；

S——雷擊點距線路的距離，m；

k——導線與避雷線之間的耦合系數(shù)。

經(jīng)計算和有關(guān)文獻中的實測值，雷電感應過電壓最大為300～400 kV，遠小于110 kV架空輸電線路絕緣子串700 kV的耐雷沖擊強度，不存在感應雷害。

3 武鋼電網(wǎng)110 kV架空輸電線路防雷現(xiàn)狀

武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路設(shè)計時按不低于40 kA耐雷水平進行防雷設(shè)計，武鋼線路所經(jīng)區(qū)域位于武漢中心城區(qū)東北部，年平均雷暴日為27.8天，屬一般落雷區(qū)。110 kV架空線路全線架設(shè)有架空避雷線，對同塔雙回、三回、四回線路架設(shè)雙架空地線，單回路架空線路懸掛一根避雷線。桿塔上架空地線防雷保護角在25°及以下。桿塔接地裝置工頻接地電阻設(shè)計不超過30 Ω。懸垂絕緣子串選用7片XP-70瓷絕緣子、耐張絕緣子串考慮零值絕緣子選用8片XP-70瓷絕緣子，絕緣子串雷電沖擊耐受電壓U50%在700 kV以上。

提供典型的桿塔資料利用國網(wǎng)武漢高壓研究院ATP數(shù)值仿真軟件，進行了110 kV架空線路桿塔耐雷水平（I1）仿真計算，計算結(jié)果見表1和見表2。

表1 鐵塔耐雷水平（I1）的仿真計算結(jié)果kA

表2 鋼管塔耐雷水平（I1）的仿真計算結(jié)果kA

從表中計算結(jié)果可知，桿塔耐雷水平（I1）在40 kA及以上，要求桿塔接地裝置工頻接地電阻在15 Ω以下；若提高桿塔耐雷水平在60 kA及以上，必須將桿塔接地裝置的工頻接地電阻改造為7 Ω以下。接地裝置的工頻接地電阻是影響線路桿塔耐雷水平的重要因素。

110 kV架空線路繞擊耐雷水平I2可由下式計算求出：

取線路波阻抗Z=400 Ω，式（4）變?yōu)椋?/p>

武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路絕緣子串雷電沖擊耐受電壓至少為700 kV，根據(jù)式5計算出繞擊耐雷水平（I2）僅為7 kA。因此，線路的繞擊耐雷水平較低，較易發(fā)生雷電繞擊閃絡。

武鋼電網(wǎng)110 kV架空輸電線路全部裝設(shè)有自動重合閘，以防止線路雷擊跳閘后造成線路長時間停電。

4 線路防雷方面存在的不足

通過對武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路的防雷現(xiàn)狀進行實測、計算和分析，防雷方面存在的問題如下：

（1）線路防雷水平設(shè)計雖然符合國家標準要求，但整體設(shè)計水平偏低，滿足不了武鋼生產(chǎn)對供電高可靠性的要求。線路雷擊跳閘屬概率事件，作為線路防雷重要措施的自動重合閘，并不能從根本上解決雷擊跳閘引起的武鋼110 kV電網(wǎng)電壓凹陷對生產(chǎn)的影響，必須提高110 kV線路整體耐雷水平，減小線路發(fā)生雷擊跳閘的概率。

（2）武鋼110 kV線路所處區(qū)域相對武漢城區(qū)其他地方，落雷密度較高。根據(jù)省氣象中心提供的資料，武鋼青山廠區(qū)地處武漢中心城區(qū)東北部，平均雷暴日為28天，屬中雷區(qū)。由省電力試驗研究院雷電定位分析系統(tǒng)提供的近5年落雷數(shù)據(jù)表明：武鋼電網(wǎng)的落雷密度為3.0個/km2·a，高于武漢市平均值2.8個/km2·a。尤其是武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路途徑的自備電廠東南部、石化廠東北部、20#門以東張家田東部以及青化橋附近為落雷較多區(qū)，重點加強防雷措施。

（3）深入廠區(qū)的110 kV架空線路，要跨越廠房和管廊，桿高超過40 m的高桿塔較多，達232基。而雷電易擊地面突出物，架空線路對地愈高，遭受雷擊頻率愈大。當雷電雷擊桿塔時，塔頂電位隨著桿塔高度增加而增大，較易發(fā)生雷擊跳閘事故。

（4）110 kV架空線路中有39基桿塔的接地裝置存在缺陷。其中有5基塔存在接地引下線銹斷或接地網(wǎng)腐蝕、另34基桿塔的工頻接地電阻偏大超過10 Ω，影響線路桿塔的耐雷水平。

（5）部分110 kV架空線路同塔多回線路的架空避雷線防雷保護角偏大。雖小于25°但大于10°，易遭受雷電繞擊。

（6）武鋼110 kV架空線路遭受的雷害事故根據(jù)歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析來看繞擊多于反擊。從2005年~2009年5年統(tǒng)計來看，繞擊事故占62%、反擊事故占48%。

5 加強防雷的解決方案

武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路發(fā)生的雷擊跳閘主要是雷電繞擊和反擊，且繞擊多于反擊。線路發(fā)生雷電繞擊主要與架空線路地線保護角大小、雷電流大小、和絕緣子串耐受電壓有關(guān)；線路發(fā)生雷電反擊主要與雷電流大小、線路桿塔形式、接地電阻、絕緣子空氣間隙及塔頂電壓有關(guān)。防雷解決方案還要考慮經(jīng)濟性和可實施性，比如降低線路架空地線防雷保護角只適于新建線路，對土壤電阻率高的桿塔接地裝置，降低接地電阻有困難的只能另辟新徑采取其他防雷措施。

（1）桿塔接地網(wǎng)改造

武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路所處地形為平原，經(jīng)測量線路大部分地區(qū)土壤電阻率較低為50 Ω· m，只有較少的桿塔區(qū)域土壤電阻率在1000 Ω·m以上。對于線路桿塔高度在40 m以下時，工頻接地電阻控制在10 Ω及以下；對于線路桿塔高度達到或超過40 m時，工頻接地電阻控制在5 Ω及以下。對桿塔接地電阻偏高及部分桿塔接地引下線、接地連接螺栓銹蝕銹斷、接地網(wǎng)腐蝕的缺陷進行整改修復。對易遭雷擊的桿塔進行接地裝置改造，提高線路的耐雷水平。

（2）在滿足架空線路空氣間隙和對地距離情況下，增加線路絕緣子串片數(shù)。

根據(jù)線路桿塔耐雷水平計算公式：

當桿塔高度（導、地線高度）一定，電感系數(shù)、分流系數(shù)等也一定，桿塔接地電阻值一定時，增加絕緣子串片數(shù)，相當于加大絕緣子串U50%，提高了桿塔耐雷水平。如110 kV線路桿塔高度24 m，呼高18 m，弧垂5.4 m，接地電阻6 Ω，由原來的7片/串絕緣子（結(jié)構(gòu)高度1022 mm），增加到8片/串絕緣子

（結(jié)構(gòu)高度1168 mm），經(jīng)計算，桿塔耐雷水平由73 kA提高到83.6 kA，即增加1片絕緣子其耐雷水平約提高10 kA。

（3）雷電繞擊頻繁的線路桿塔安裝可控放電避雷針和線路密集的高桿塔下層導線的下方架設(shè)耦合地線。

加強110 kV架空線路防雷的重要措施是將“繞擊轉(zhuǎn)化為反擊”。根據(jù)電網(wǎng)線路運行經(jīng)驗和省電力試驗研究院雷電定位儀檢測歷年的落雷記錄，地閃雷的雷電流在30 kA及以下約占50%以上。根據(jù)前面的計算，線路桿塔的反擊耐雷水平遠高于其繞擊耐雷水平，武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路以往的雷害事故也表明反擊雷跳閘要比繞擊雷跳閘少，在雷雨季節(jié)出現(xiàn)低幅值的雷電流的概率大大高于高幅值的雷電流，即出現(xiàn)足以引起線路沿絕緣子串閃絡（反擊）大雷電流可能性較小。因此，盡可能地將小雷電流的雷引到避雷線或塔頂、塔身或橫擔上來，由于線路反擊耐雷水平較高，此時引到塔身上的小雷電流在桿塔上產(chǎn)生的電位不可能造成線路絕緣子串的閃絡，從而可大幅度地減小線路遭受雷擊（繞擊）跳閘概率。防范雷電繞擊最有效的措施在桿塔頂部加裝可控放電避雷針、在導線下方架設(shè)耦合地線及減小架空地線保護角（該措施適用新建線路）。

（4）武鋼110 kV架空線路多雷區(qū)、易擊點、高土壤電阻率地區(qū)、大跨越檔距高桿塔上安裝線路型氧化鋅避雷器。

安裝的氧化鋅避雷器與相導線絕緣子串是并聯(lián)，防護線路絕緣雷擊閃絡（包括反擊和繞擊閃絡）。線路氧化鋅避雷器分為帶外部串聯(lián)間隙和不帶外部串聯(lián)間隙兩種結(jié)構(gòu)型式。外部串聯(lián)間隙起隔離相導線上運行電壓的作用，避雷器本體氧化鋅電阻片起限制工頻續(xù)流的作用，使外串間隙自動熄弧恢復正常。在線路正常運行時，避雷器不承受持續(xù)的工頻電壓作用，因而不存在電老化和熱穩(wěn)定問題。外串間隙僅在雷擊時導通時間很短，氧化鋅電阻片吸收能量很小，減少了避雷器本體因受潮和表面污穢引起的線路故障問題。

6 綜合防雷方案的實施及效果

我們根據(jù)制定的綜合防雷方案從2009年開始實施，按費用情況分步組織落實，于2011年實施完畢。具體實施情況如下：

（1）對所有64條110 kV架空線路桿塔接地電阻進行了普測。將接地電阻較大的34基桿塔和5基桿塔接地裝置腐蝕、銹斷的問題安排了整改，接地電阻測試值均達到要求。并對易遭雷擊的12條線路共計18基桿塔的接地電阻進行了降阻處理，接地電阻由原來的10 Ω降低到5 Ω以下，提高了線路桿塔耐雷水平。

（2）對廠區(qū)110 kV架空線路的每串絕緣子進行了加掛絕緣子片的改造。在滿足桿塔空氣間隙和對地距離的情況下，將線路懸垂串由7片增加到8片、而耐張串由原來的8片增加到9片。加大了線路絕緣子串U50%雷電沖擊耐受電壓。將桿塔整體耐雷水平提高了10 kA。

（3）在處于多雷區(qū)、水塘邊容易發(fā)生雷電繞擊的4條110 kV架空線路的11基桿塔頂部安裝了型號為CFG-X3可控放電避雷針。安裝可控避雷針的桿塔見表3。

表3 安裝了可控放電避雷針的線路桿塔

（4）在跨越廠房、線路通廊密集的高桿塔線路的最下層導線下方加掛了一根耦合地線。武鋼變電站110 kV東出線共計8回架空線出線，其中有6回跨越三熱軋廠房，跨越桿塔呼高60 m，較易遭受雷擊。原設(shè)計在塔頂懸掛有雙避雷線，為加強防雷效果，我們另在每條線路導線下方加掛一根耦合地線，使雷電雷擊桿塔時耦合地線起到分流和耦合作用，大大降低線路雷擊跳閘率。

（5）110 kV架空線路上廣泛安裝線路避雷器。線路避雷器采用外帶串聯(lián)間隙的線路型氧化鋅避雷器。安裝原則是：①遭受過雷擊的桿塔；②落雷較多地域的線路桿塔；③易遭受雷電反擊的桿塔；④變電站進出線桿塔；⑤對于同塔雙回、三回、四回線路的桿塔，線路避雷器安裝在線路最上端的兩相導線上；⑥對單回路線路桿塔，三相導線均安裝避雷器。到2011年雷雨季節(jié)前，在武鋼電網(wǎng)110 kV全部64條架空線路的148基桿塔上按上述原則共計安裝了廊坊電科院東芝公司生產(chǎn)的型號為YH10CX1型帶空氣間隙的氧化鋅避雷器248只。

通過對以上方案的實施，武鋼電網(wǎng)110 kV架空線路從2010年~2011年2年間未發(fā)生一起雷擊跳閘事故，雷擊跳閘率遠遠優(yōu)于國網(wǎng)公司0.525次/100 km·a的期望目標值。

110 kV線路雷擊故障統(tǒng)計情況見表4。

Research and Application of Lightning Protection Design of the 110 kV Power System in WISCO’s Overhead Power Transmission Lines

ZHAO Jiangang
（Power Supply Branch of Energy&Power Plant,Wuhan Iron and Steel（Group）Co.，Wuhan，Hubei 430080,China）

The 110 kV overhead power transmission lines of WISCO’s power grid has suffered high lightning trip-out rate in recent years.To reduce the impact of lightning accident on production,the present situation of lightning protection for the 110 kV lines and the causes of lightning disturbances were analyzed and studied.Then a comprehensive reformation plan for lightning protection was put forward,which has brought significant effect.

overhead transmission line;lightning trip-out;lightning protection solution

TM7

B

1006-6764(2013)10-0001-04