110kV顆珠山大跨越輸電線路的絕緣配合與防雷措施簡析

張輝

（上海同盛電力有限公司 上海市 200122）

1 概況

在電力生產中，高壓輸電線路是電力系統的大動脈，其安全運行是重中之重。在我國的高壓輸電線路跳閘事故里面，雷擊事故比重很大，嚴重影響著電網正常運行，故需要對高壓輸電線路特別是大跨越線路做好防雷保護措施。

洋山深水港是上海國際航運中心的重要組成部分，其四期工程屬全球最大、最先進的集裝箱自動化碼頭。四期碼頭用電容量大，對供電要求高，其配套建設的110kV顆珠山站電源采用雙回路“電纜+架空線”方式接自110kV洋山站，線路跨越顆珠山汊道，采用大跨越型式，跨越長度約2km，根據地形、地物條件選擇“耐-直-直-耐”獨立耐張段方式，錨塔呼高80m，跨越塔呼高192m，全高218m。下面就來具體探討110kV顆珠山大跨越輸電線路的絕緣配合和防雷保護措施。

2 輸電線路的雷擊故障形式及原因分析

在輸電線路中，其遭受雷擊的主要有直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩種形式。直擊雷過電壓是雷電直擊中桿塔以及避雷線或是導線而引起的。感應雷過電壓是在雷擊輸電線路附近區域時，產生電磁感應，對線路產生威脅。

高壓輸電線路遭受雷擊的原因有：

（1）可能是線路的絕緣水平低，其絕緣子串數不足，或者是絕緣子串中的低值、零值絕緣子沒有能夠及時更換。

（2）避雷線設置不當，其保護角不能有夠效地保護高壓輸電線路，容易造成繞擊，在氣候、地形等因素的影響下造成雷擊。

（3）高壓輸電線路建造時避雷線接地不良，或者是避雷線和導線間的距離不夠，這樣就會導致高壓輸電線路的耐雷水平下降，容易發生線路的雷擊事故。

（4）高壓輸電線路的防雷環節薄弱，在雷電多發區并沒有做好積極有效的防雷措施。

3 顆珠山大跨越輸電線路的絕緣配合

在工頻電壓作用下，選擇絕緣子片數的方法有各類污穢條件下絕緣子串的成串污閃電壓選擇或爬電比距選擇。根據區域污穢類型、我國電網的防污閃經驗，《華東電力系統污區分布圖（2011版）》查出本輸電線路工程經過地區為D2污穢區，泄露比距為2.8cm/kV。

3.1 絕緣子串選擇

根據《110～750kV架空輸電線路大跨越設計技術規定》條文：為保持高塔的耐雷性能，全高超過40m有地線的桿塔，高度每超過10m，應比表7.0.2增加一片相當于高度為146mm的絕緣子，全高超過100m的桿塔，絕緣子片數應根據運行經驗結合計算確定。本輸電線路工程采用普通型瓷絕緣子，型號為U300B/195。

計算得懸垂絕緣子片數為：

n＝｛7＋〔﹙218-40﹚÷10〕〕｝×﹙146÷195﹚＝18.57

根據運行經驗，我國已建成的國內大跨越工程實際所采用的絕緣子片數與工程計算值較為接近，差異在1～2片。由于工程計算值較大，部分大跨越線路實際采用的絕緣子片數甚至小于工程計算值。

故結合本輸電線路工程跨越塔高度和所處的污穢條件，以及絕緣配合的裕度配置，本工程跨越塔懸垂絕緣子串采用20片U300B/195型瓷絕緣子雙聯成串，滿足爬距要求。

3.2 空氣間隙

輸電線路的空氣間隙包括：導線之間、導線與地線之間、導線與桿塔之間。在運行中，為使絕緣子串和空氣間隙的絕緣能力都得到充分的發揮，應使空氣間隙的擊穿電壓大致與絕緣子串的閃絡電壓配合（按絕緣子串放電電壓的0.85配合）。塔頭在空氣間隙上可能出現的電壓幅值，一般雷電過電壓最高、操作過電壓次之，工頻過電壓最低，但就作用時間來說，工頻過電壓時間最長，操作過電壓次之，雷電過電壓最短，情況剛好相反。所以，一般先算出以上三種情況下的凈空氣間距，并考慮適當裕度，保證人體活動時的安全距離，即可算出絕緣子串在垂直狀態下對桿塔應有的水平距離。因本工程采用20片U300B/195型瓷絕緣子，考慮金具及阻尼線，絕緣子串長度約為6m。

按檔距中導線接近條件考慮，導線水平間距離D=0.4λ+u/110+K√fmax計算得D=14.46m，同時結合國外相關計算經驗取平均值D=16m。

導線垂直線間距離根據設計規范中規定采用同意賄賂水平線間距離的75%，即Dv=16×75=12m，但考慮水平位移因素及結合干他橫擔構造尺寸，經計算及作間隙原圖，大氣過電壓控制下的導線垂直距離為15m。

檔距中央導線與地線的空氣間隙，根據《110～750kV架空輸電線路大跨越設計技術規定》條文選擇，為防止雷擊檔距中央地線時反擊導線，根據110kV電壓等級檔距中央的耐雷水平為I＝120kA，其距離S≥0.1I＝12m。

4 顆珠山大跨越輸電線路的有效防雷措施

在大跨越輸電線路中，由于塔頂電位高、落雷機會多、繞擊電流大等因素，其遭受雷擊的概率隨高度的平方增大，提高輸電線路的雷擊故障次數，增加線路的雷擊跳閘率。且大跨越桿塔雷擊單相閃絡概率超過常規線路，并且可能發生多相閃絡，造成絕緣子串及其金具永久性損害，危害大跨越線路的安全穩定運行，所以顆珠山大跨越架空線必須采用適當的防雷措施，避免成為輸電線路的薄弱環節。

4.1 加強絕緣

為了降低線路的跳閘率，可以在輸電線路高桿塔上面，以增加絕緣子串長度的方式來加大導線與接地之間的距離，加強輸電線路的絕緣水平。不僅可以防止雷擊導線，還可以避免雷電流流入桿塔的危害，降低高壓輸電線路的雷擊故障次數，降低雷電對輸電線路的雷擊危害，提高輸電線路的耐雷水平。

4.2 降低雷擊跳閘率

4.2.1 架設避雷線

架設避雷線是對于高壓輸電線路來說最基本的防雷保障，避雷線可以使導線避免遭受直擊雷。利用避雷線的分流作用，可以減少流經桿塔的雷電流；利用避雷線的耦合作用，可以降低絕緣子串上的電位；利用避雷線的屏蔽作用，可以降低導線上的感應過電壓；在輸電線路上架設避雷線是提高線路耐雷水平的主要措施。顆珠山大跨越采用雙避雷線配置。

4.2.2 降低反擊跳閘率

反擊跳閘是指因雷擊桿塔后引起對導線的逆向閃絡發生跳閘。顆珠山大跨越檔距較大，跨越塔高度高，遭受雷擊的可能性最大，因此跨越塔的耐雷水平決定整條線路的耐雷水平。根據計算，顆珠山大跨越選擇的絕緣子在桿塔接地電阻為15Ω時的耐雷水平為75.76kA，滿足《電力工程高壓送電線路設計手冊》要求，但整體水平不高，應增加相應措施。

因大跨越線路桿塔較高，絕緣子串長，塔頂電位高，110kV系統的工頻電壓對引起絕緣子閃絡所需的過電壓中所占的比例非常小，故導線排列方式對于防雷設計影響不大。架設耦合地線或第三根地線增強導線與地線的耦合作用，降低絕緣子串上的過電壓幅值，可以提高線路的耐雷水平，降低反擊跳閘率。但是對于大跨越線路來說，在工程上存在一些問題不易實現，本工程不考慮。

為確保防雷設施可靠有效，每一桿塔均裝設接地裝置，必要時深埋、并采取加長水平射線、增設接地極或降低土壤接地電阻等方式，有效降低桿塔的沖擊接地電阻，確保雷電流通過較低的接地電阻泄入大地，因此降低桿塔接地電阻是提高耐雷水平和降低雷擊跳閘率較為直接的方法。雖然在大跨越輸電線路中，跨越塔高度高，反射波在桿塔中往返一次的時間較長，桿塔接地電阻對限制雷電反擊過電壓的作用不太明顯，但降低跨越塔接地電阻可適當提高線路的耐雷水平。

4.2.3 降低繞擊跳閘率

根據大跨越塔導地線布置方式的特點，桿塔很容易獲得5°以內的保護角，如果再小就需要通過增加塔材來實現。而解決繞擊的最經濟有效的方式就是減小地線保護角，降低繞擊跳閘率，保護角越小，塔頭要求越高，對大跨越實現難度就越大。顆珠山大跨越地線保護角按0°考慮。

4.3 不平衡絕緣配置

高壓輸電線路的絕緣配置中，對于雙回路桿塔或多回路桿塔的線路可以采用不平衡絕緣方式，即其中一回線路中增加3～5片絕緣子，或者采用合成絕緣子、棒性絕緣子等方式增大其中一回線路的招弧角之間的距離，來提高該回線路的耐雷水平，而另一回線路保持原有絕緣水平不變。這雷擊桿塔時正常絕緣的一回線路先閃絡，閃絡后的導線相當于地線，對雷電流進行分流，降低了桿塔的電位，同時加強了高絕緣回路導線的耦合作用，提高了高絕緣回路導線的耐雷水平，使其不跳閘，這樣才能夠降低雙回線路或多回線路的同時跳閘率。但大跨越導地線之間距離較大，耦合作用明顯減弱，不平衡絕緣方式的效果不如常規線路。

4.4 安裝線路避雷器

在大跨越塔塔頂安裝帶有間隙的線路避雷器，在產生雷電過電壓時，避雷器就會開始工作，把雷電過電壓降低到絕緣子閃絡電壓的接受范圍之內，等到雷電過電壓消失之后，線路上的避雷器又會恢復正常工作狀態。安裝線路避雷器雖不能降低導線遭受雷擊的概率，但它可以降低絕緣子閃絡的概率，避免絕緣子損壞和降低雷擊跳閘率。其防雷效果特別是在一些雷電高發地區是很有限的。

5 結論

110kV顆珠山大跨越架空線采用20片U300B/195型瓷絕緣子及采用適當的空氣間隙，滿足工程跨越塔所處的污穢條件，同時具備一定的絕緣裕度。通過加強絕緣方式、架設雙避雷線、降低桿塔接地電阻等措使導線施獲得足夠的耐雷水平，采用0°地線保護角設計，同時在大跨越鋼塔塔頂安裝帶間隙的線路避雷器，降低絕緣子閃絡的概率，降低導線的雷擊跳閘率，有效保證110kV顆珠山大跨越輸電線路安全運行。

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