110kV輸電線路防雷保護分析

馬文英

摘要：雷擊線路造成的雷電過電壓波是影響電氣設備安全運行的一個主要因素，且可能會由線路入侵變電所和發電廠，輸電線路上出現的雷電過電壓主要有直擊雷過電壓和感應雷過電壓[1]。本文研究的110kV輸電線路必須采取防護措施，通過合理的防雷措施降低雷擊跳閘率，提高線路的耐雷性能，保證安全供電。

Abstract： Lightning overvoltage waves caused by lightning strikes are a major factor affecting the safe operation of electrical equipment， and ta may invade substations and power plants through lines. The lightning overvoltages appearing on transmission lines mainly include direct lightning overvoltages and induced lightning overvoltage. The 110kV transmission line studied in this paper must take protective measures to reduce the lightning trip rate through reasonable lightning protection measures， improve the lightning resistance of the line， and ensure safe power supply.

關鍵詞：耐雷性能;雷電過電壓;輸電線路

Key words： lightning resistance;lightning overvoltage;transmission line

中圖分類號：TM726? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0153-03

1? 研究的意義

發電廠、變電所是電力系統的中心環節，而輸電線路是各個環節之間的連接，它相當于電力系統的血管，輸電線路的安全運行，直接影響到電網和向用戶可靠供電的穩定性，所以輸電線路的安全運行在電網中占舉足輕重的地位[2]。雷擊事故不僅會造成大面積停電，影響人們的生活和經濟發展，還會將事故擴大，因此必須設置可靠的防雷保護。在實際運行中，雷擊輸電線路是造成電網及電力系統故障的主要原因，經過統計，雷擊所造成的斷路器跳閘事故又是輸電線路上發生次數最為頻繁的，尤其是架設于山區的線路，地形造成的限制，使得線路故障大多是由于雷擊跳閘引起的，基本占總跳閘次數的40%-70%，因此對輸電線路的防雷應該極為重視。

2? 國內外現狀

在眾多輸電線路的防雷措施中，防雷保護基本分為四個階段，期初主要是對感應雷的防護;隨著電壓等級的增加，直擊雷的危害被考慮進來，同時也對雷電參數進行歸納，并利用計算機進行模擬試驗，使得防雷有了很大進步;隨后的發展使得對引起跳閘的原因起了沖突，反擊和繞擊的影響成為爭議點;發展至今，研究方法逐漸進步，計算機的仿真結合理論算法研究，電壓等級的升高，防雷保護的問題也在增加。現在國外提供了一種新型復合材料，能夠解決桿塔線路存在的故障問題，玻璃纖維增強樹脂基類的復合材料的優勢很明顯，也是今后發展趨勢。我國地處溫帶，雷電活動與其它國家相比較活躍，輸電線路在輸送過程中比較長，有可能穿山、越嶺，導致輸送過程中要面對更加復雜的地理和氣象條件，而架設避雷線是最常見也是最常用到的防雷保護，基本能夠適應我國地形的復雜性。

3? 輸電線路防雷計算

架空輸電線路的雷電保護通常可設為4個防線，有裝設避雷線防止雷電過電壓，提高耐雷水平防止絕緣子閃絡，降低建弧率以防止建弧，裝設自動重合閘裝置防止停電事故。

云對地放電的實質是雷云電荷向大地的突然釋放，提高耐雷水平，降低線路雷擊跳閘率是非常必要的。從雷擊線路接地部分引起的絕緣子串閃絡的角度來看，雷擊塔頂是最嚴重的情況。

3.1 反擊過電壓

當雷擊輸電線路桿塔塔頂或接近塔頂的一段避雷線時，由于塔頂電位比導線電位高得多，會引起絕緣子串閃爍，可能發生反擊，使得導線接地短路，引起線路跳閘，同時會在導線上形成高幅值的反擊過電壓行波向導線兩側傳播，侵入變電所并危及電氣設備安全[3]。在雷擊桿塔塔頂的先導放電階段，會感應出束縛電荷，一般來看，先導放電速度并不快，若忽略工頻工作電壓，則導線、避雷線、桿塔都可看作零電位。在主放電階段，先導通道中負電荷和正電荷迅速中和，形成由上到下的雷電沖擊波，而沿桿塔向下及避雷線向兩側傳播的為負雷電沖擊波，如圖1所示。使桿塔頂部電位不斷升高，

先導電荷被中和后，在導線上還感應出正極性感應過電壓，這一電壓一旦超過絕緣子串的沖擊放電電壓就會發生反擊。

某地有110kV輸電線路，如圖2所示，架設在平原地區，桿塔沖擊接地電阻Rch=12Ω，絕緣子串由7只X-4.5組成，其正沖擊50%放電電壓U50%=700kV，全線裝有避雷線，電網中性點直接接地，避雷線的半徑rs為3.9mm，避雷線與導線的弧垂fs和fc分別為2.8m和5.3m。

3.2 繞擊過電壓及耐雷水平

我國110kV及以上線路一般都架設有避雷線保護，這對直擊雷有很好的防護作用，但有時也可能發生避雷線屏蔽失效，尤其是地形復雜的特殊地段，雷繞過避雷線而擊中導線，則產生雷繞擊。由于避雷線的存在，使得線路的繞擊事故概率較小，但是它會產生很大的沖擊電壓波，使線路絕緣子串閃絡或侵入變電所危及電氣設備，嚴重時甚至會造成線路跳閘。

3.3 雷擊跳閘率

反擊和繞擊過電壓的形成可能引起線路跳閘停電，但是否能發生這種情況，需有條件，首先雷電流超過線路的耐雷水平，絕緣子串會發生閃絡，再有是沖擊閃絡后能否轉化為穩定的工頻電弧，若沖擊閃絡時間只有很短的幾十微秒，線路斷路器來不及跳閘。將沖擊閃絡轉變為穩定工頻電弧的概率作為衡量線路防雷性能的優劣，稱為建弧率。

線路因雷擊而跳閘，有可能由反擊引起的，也可能由繞擊引起，一般由兩部分組成雷擊跳閘率。

反擊跳閘率n1一般是由雷擊塔頂及塔附近的避雷線，雷電流流入大地，造成塔頂較高電位，使絕緣子閃絡來決定。雷擊避雷線檔距中央一般不會發生閃絡，故不會引起反擊跳閘。

繞擊跳閘率n2由輸電線路的落雷次數和繞擊率共同決定的，因為線路架設在平原地區，且單根避雷線，查得雷擊桿率g=1/4，又知雷電流幅值超過I1=41.24kA的概率pI1為35%，超過I2=7kA的概率pI2為85%。而繞擊率pa由

4? 防雷仿真分析

現在國內國外計算防雷性能的方法主要是規程法和仿真分析法，我們以PSCAD軟件作為仿真平臺，根據實際數據建立輸電線路的防雷系統進行仿真。需要收集數據搭建各元件的模型，模擬、預測雷電對系統的暫態效應，分析運行波形。

可看到雷電流的輸出波形上升速度較快，但到達峰值后變化較緩慢，需要較長時間才會達到最小值，可用雙指數函數表示它們的關系，如圖4所示。

將桿塔的接地電阻選擇為10Ω進行仿真，絕緣子串兩端電壓變化狀態如圖5所示，10Ω對應的閃絡電壓為0.343MV。

根據分析，絕緣子串的閃絡電壓隨著接地電阻的減少而增加，但是對于復雜地形，接地電阻很難降低。此時應利用線路避雷器防止跳閘率，但線路避雷器運行成本較高，且只能保護安裝處的絕緣，因此在安裝時要根據具體運行情況來分析。

5? 結論

輸電線路的防雷保護，既要提高耐雷水平，又要降低雷擊跳閘率，同時要滿足經濟性。依據多年實際運行經驗，線路受雷擊的概率不同，在選擇時要避開易擊區或加強保護，架設避雷線時最基本的措施，且線路電壓越高效果越好。避雷線與桿塔接地電阻相配合，能起到大幅度的降壓作用，尤其在電阻率小于300Ω·m的土壤中，降低電阻容易實現，投資也少。安裝線路避雷器、裝設自動重合閘裝置等等都可降低事故率，應根據實際情況來考慮。

參考文獻：

[1]邱林.湖南省輸電線路的防雷研究與設計[D].湖南大學，2010.

[2]宮杰.輸電線路防雷研究與設計[D].華北電力大學（北京），2008.

[3]胡勁松.貝杰龍算法在墨江500kV變電站雷擊過電壓計算中的應用[D].四川大學，2005.

[4]李悅.110kV輸電線路復合材料桿塔防雷仿真研究[D].中國礦業大學，2017.

[5]沈培坤，劉順喜.防雷與接地裝置[M].化學工業出版社，2006：12-15.