1 000 kV特高壓輸電線路防雷工程設計

袁春成

（國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095）

1 引言

近幾年，伴隨著經濟的快速發展，人們的生活水平得到了顯著提高，各種家用電器的普及使社會對電能需求持續增長，對電力事業提出了新的要求。輸電線路是電能傳輸的通道，與配電線路共同構成了電網系統，其運行情況將會對電網系統整體的電能輸送產生直接影響。1 000 kV特高壓輸電線路一旦遭受雷擊，會對電力系統的穩定可靠運行帶來巨大影響，電氣技術人員需要做好輸電線路防雷工程的設計，以提升線路對于雷擊的防范和抵抗能力。

2 1 000 kV特高壓輸電線路雷擊的特點

1 000 kV特高壓輸電線路本身具有很好的絕緣性，因此，設置的避雷線很少會被雷電直接擊中，但是，從防范觸電風險角度，輸電線路本身桿塔高度較高，使雷電繞擊的概率大大增加。一般情況下，在1 000 kV特高壓輸電線路中，引發線路跳閘是最為常見的原因之一就是在桿塔位置出現了雷電繞擊的情況，保護角的大小會對輸電線路避雷線的性能產生直接影響[1]。1 000 kV特高壓輸電線路雷電繞擊概率見表1。

表1 1 000 kV特高壓輸電線路雷電繞擊率

3 工程概況

淮南—南京—上海1 000 kV交流特高壓輸變電工程線路工程全長759.414 km，途經安徽省181.061 km(一般線路178.4 km、淮河大跨越2.661 km）、江蘇省519.053 km（一般線路514 km、長江大跨越5.053 km）、上海市59.3 km。其中，一般線路全長751.7 km，淮河大跨越2.661 km，長江大跨越5.053 km（后來改為管廊）。全線除滬蘇省界—華新站段21.8 km采用1 000/500 kV同塔四回路、上海青浦油墩港段13.8 km采用1 000/220 kV同塔四回路外，其余均為同塔雙回路。在忽視大跨越的情況下[2]，全線路徑長度見表2。

表2 全線路徑長度

結合沿線的歷史氣象數據，全線年平均雷暴日數統計值在25～40 d/a，沿線運行線路雷電活動統計在30 d/a的水平，本工程推薦雷暴日數為40 d/a。從保證線路運行安全性角度，需做好防雷工程的設計工作。

4 1 000 kV特高壓輸電線路防雷工程設計

4.1 耐雷特性計算

本工程采用了I形、V形和Y形3種絕緣子串塔形，其中，I形絕緣子串塔采用皖電東送塔形；V形絕緣子串在塔頭布置方案采用，對上方橫擔的間隙距離7.0 m布置，層間距20.8 m。本工程Y形串空氣間隙取值與V形串基本一致。在對線路耐雷特性進行計算時，需要計算的參數有3個：（1）反擊跳閘率，線路運行于1 000 kV，桿塔工頻接地電阻在10～30Ω時，單回線路的反擊耐雷水平為235～228 kA，和我國1 000 kV單回線路的反擊耐雷水平計算值相當。雙回線路同時發生反擊閃絡的概率極小。當1 000 kV同塔雙回線路采用V形絕緣子串、桿塔呼高65 m、桿塔工頻接地電阻在1～5Ω時，一回線路的反擊耐雷水平為182～195 kA。雙回線路同時發生反擊閃絡的概率較小。（2）繞擊跳閘率。采用電氣幾何模型法（EGM）計算特高壓V形串同塔雙回輸電線路的雷電繞擊性能。對典型桿塔的線路繞擊跳閘率進行計算，按線路沿線地形全為平原考慮，即地面傾斜角取0°。計算得到65 m典型桿塔的繞擊跳閘率為0.013次/（100 km·a）。（3）雷擊跳閘率。線路繞擊跳閘率和反擊跳閘率之和就是線路雷擊跳閘率。我國交流500 kV超高壓輸電線路雷擊跳閘率的運行值是0.14次/(100 km·a)，交流500 kV同塔雙回輸電線路雷擊跳閘率的運行值是0.17次/(100 km·a)，特高壓輸電線路的雷擊跳閘率宜不高于500 kV交流輸電線路，暫推薦特高壓同塔雙回輸電線路的雷擊跳閘率為0.14～0.17次/(100 km·a)。

4.2 周邊區域規劃

在對特高壓輸電線路防雷工程進行設計時，需要做好線路周邊區域的合理規劃，將線路周邊40 m范圍內體積相對較大的物體，包括山坡、建筑、樹木等進行統一規劃，改變容易引發雷電繞擊現象的物體，避免出現雷擊問題。同時，設計人員應將雷電沖擊作用下電流可能沿垂線方向直接擊穿特高壓導線及避雷線間空氣間隙的問題考慮在內，確保避雷線與特高壓導線能夠與垂線方向保持水平。

4.3 設置避雷裝置

對于1 000 kV特高壓輸電線路，在精細防雷工程設計時，需要合理設置避雷裝置，在不大幅度改變桿塔電位的情況下，避免出現絕緣子閃絡情況。一般情況下，適用于特高壓輸電線路的避雷器有很多，結合該工程實際情況，可供選擇的避雷器有2種：（1）無間隙型避雷器，可以直接與導線連接，屬于電站型避雷器的升級版本，能夠對雷擊產生的沖擊進行有效吸收，也可以避免出現電氣設備老化問題；（2）帶串間隙型避雷器，主要是利用空氣間隙與導線連接，其本身的功能需要在雷電流作用下才能真正發揮出來，避免雷擊的可靠性極高，使用壽命長。這種避雷器在高壓、超高壓以及特高壓輸電線路中被廣泛使用，具備相應的間隙隔離功能，而且在設置時不需要考慮電力系統的運行電壓，即便避雷器發生故障，也不會影響輸電線路運行的穩定性。

4.4 做好接地工作

接地設計中，應做好以下工作：（1）應結合輸電線路實際情況，設置雙地線，在條件允許的情況下，OPGW（光纖復合架空地線）外層單絲直徑可以選擇較大截面；（2）應嚴格依照相關規程中的接地電阻標準來對接地裝置進行設計，如果在山區土壤電阻率較高時，則可以通過使用降阻劑或者設置降阻模塊的方式降低接地電阻；（3）可以結合線路實際運行情況，在一些容易發生雷擊的地點，設置耦合地線、旁路地線等接地措施，以提升防雷接地效果；（4）依照電科院《淮南—南京—上海1 000 kV特高壓交流線路防雷深化研究》確定部分塔位采用塔基自然接地，不裝設人工接地裝置（推薦在少人區或無人區試用）。

4.5 優化桿塔規劃

在輸電線路中，桿塔形式多種多樣，桿塔本身也是最容易發生雷電繞擊的部分。因此，工程中實際使用的塔形都要結合具體工程進行技術經濟綜合比較后確定，其目的是既能保證線路安全運行又經濟合理。根據前期研究成果，本工程桿塔規劃需要堅持幾個基本原則：（1）根據工程線路的實際斷面，進行無約束條件的桿塔排位，合理規劃桿塔設計條件和直線塔搖擺角系數；（2）地線對導線的保護角在平地不大于-3°，山地不大于-5°，耐張塔地線對跳線保護角不大于0°。導地線水平位移滿足相應規程要求；（3）一般地區桿塔為同塔雙回路導線垂直排列，I形串懸掛布置；在走廊擁擠地區，根據實際情況，分別為同塔雙回路垂直排列V形絕緣子串或Y形絕緣子串懸掛布置，以及同塔四回路V串懸掛布置，盡量降低走廊寬度，以此分別規劃桿塔系列。在工程全線，共規劃塔形76種，27 m/s風區、10 mm冰區平地段共規劃14種塔形；30 m/s風區、10 mm冰區平地段共規劃17種塔形；30 m/s風區、10 mm冰區山地段共規劃9種塔形；32 m/s風區、10 mm冰區平地段同塔雙回路V串/Y串共規劃24種塔形；32 m/s風區、10 mm冰區平地段同塔四回路V串共規劃12種塔形；其中，采用皖電東送桿塔成果35個，新設計塔形41個。

4.6 減少地線保護角

要最大限度地提升1 000 kV特高壓輸電線路的防雷性能，需要減少輸電線路繞擊引發的跳閘現象，而地線本身的屏蔽性會直接影響輸電線路的防雷性能，降低雷電繞擊現象發生的概率。通過減少地線保護角的方式，能夠有效降低雷電繞擊現象引發的1 000 kV特高壓輸電線路故障。另外，在針對1 000 kV特高壓輸電線路進行設計的過程中，需要重視塔形的設計工作，結合實際情況，選擇最佳塔形，而這需要花費大量時間和成本。從縮減地線保護角的角度，在具體操作中，應該對地線支架的寬度進行優化調整，但在這種情況下，線路桿塔承受的壓力會不斷增大，引發材料浪費和成本增加問題。這種情況下，設計人員需要對輸電線路地線保護角縮減的可行性進行分析，制訂出最佳設計施工方案后，再對其進行施工。綜合考慮線路走廊及耐雷水平，優化塔形設計，推薦傘形布置，鐵塔設計中不考慮導地線水平位移。保護角在平原丘陵地區不宜大于-3°，在山區不宜大于-5°；耐張塔地線對跳線保護角，平原單回路不大于6°，山區不大于0°；變電站2 km進出線段不宜大于-4°。

5 結語

對于1 000 kV特高壓輸電線路，雷擊是一種常見問題，可能會導致整個電網系統出現各種故障，嚴重時甚至會引發電網局部癱瘓，影響正常電力供應。基于此，電氣技術人員需要制定出合理的防雷工程設計方案，最大限度地減少雷擊現象發生的概率，同時，也需要結合1 000 kV特高壓輸電線路實際運行情況，對照電力系統運行方式，制訂最佳防雷方案，以提升輸電線路對于雷擊的防范和應對效果，減少雷擊造成的損失，切實保證電力系統穩定可靠運行。