關于高海拔地區500 kV輸電線路防雷保護的探討

袁春成

（國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095）

1 項目概況

阿里與藏中電網聯網工程是繼藏中與昌都電網聯網工程之后西藏自治區又一大型聯網工程，其起自日喀則市桑珠孜區已建多林220 kV變電站，途經查務、吉隆500 kV變電站，薩嘎、仲巴、霍爾220 kV變電站，止于阿里地區噶爾縣新建巴爾220 kV變電站。多林—查務—吉隆段線路長約2×488.3 km，采用2個單回路架設，除多林變出線段2×20.5 km按220 kV線路建設外，其余2×467.8 km按500 kV線路建設，本期降壓至220 kV運行。線路整體呈東西走向，途經日喀則市桑珠孜區、薩迦縣、拉孜縣、定日縣、聶拉木縣、吉隆縣，共計1市6縣（區），海拔高度為3700～5300 m。線路設計基本風速29 m/s、33 m/s，設計覆冰10 mm。500 kV線路導線采用4×JL/G1A-500/45鋼芯鋁絞線，220 kV線路導線采用2×JL/G1A-240/30鋼芯鋁絞線。地線一根采用OPGW-120光纜，另一根在變電站進出線段采用JLB20A-100鋁包鋼絞線，其余段采用GJ-100鍍鋅鋼絞線。

2 高海拔地區500 kV輸電線路耐雷水平影響因素及防雷保護設計思路

2.1 耐雷水平影響因素

結合目前國內外輸電線路運行情況及線路耐雷水平的相關研究來看，影響線路耐雷水平的因素包括桿塔高度、雷電波入射角、地面傾角、保護角、檔距、風速、絕緣配置方式、工作電壓、土壤電阻率、地形地貌、區域雷電活動情況及輸電線路系統運行方式等[1]。

2.2 防雷保護設計思路

本項目中，根據西藏自治區落雷密度分布圖及沿線各氣象臺站的統計數據，判斷日喀則市地區及阿里地區落雷密度為0～0.265次/km2，日喀則雷暴日數為72.6 d。通過對附近運行輸電線路進行了解，并參考青藏鐵路電源線防雷研究結論“高原上的雷電強度比平原地區要弱”，本項目線路防雷保護可按常規輸電線路來進行防雷設計。

相關研究表明，安裝線路避雷器是目前提升線路耐雷水平的最佳方式，其實踐效果良好[2]，若本項目全線安裝避雷器，從理論上而言，因雷擊造成的跳閘風險可以降到零。但線路避雷器造價相對較高，若全線安裝避雷器，項目成本會大幅增加，同時，考慮到本期500 kV線路均降壓至220 kV運行，因此，本項目暫不考慮加裝避雷器。經綜合分析研究，考慮到單一防雷措施的效果有限，決定在本項目中采用架設避雷線、縮小避雷線保護角、桿塔橫擔上安裝側向避雷針、加強導線絕緣性能及安裝可控放電避雷針等方式進行防雷保護設計。通過采用多種防雷保護措施，不僅可以起到良好的保護效果，還能有效控制項目成本。

3 高海拔地區500 kV輸電線路防雷保護措施

輸電線路防雷保護設計的主要目的是提升線路耐雷水平，將線路跳閘率控制在合理范圍，從而保障輸電線路運行的穩定性與安全性。本項目為新建500 kV輸電線路，但全線均降壓至220 kV運行，同時考慮到全線地形地貌、雷電強度及土壤電阻率等多方面因素，決定采用以下防雷保護措施。

3.1 架設避雷線

架設避雷線是輸電線路防雷設計的基本措施。避雷線一般位于塔頂導線之上的位置，可對導線起到很好的屏蔽作用。高電壓等級輸電線路一般架設雙側導線，形成對導線較小的保護角，能有效屏蔽雷電繞擊。而對于110 kV及以下電壓等級，由于桿塔較低且導線與避雷線間距較小，一般架設單根導線就可以有效防止雷擊。本項目為500 kV高壓輸電線路，因此，采用雙側避雷線以起到良好的防護效果。

3.2 桿塔橫擔上安裝側向避雷針

在桿塔橫擔上安裝側向避雷針是一種施工較為簡單且具有良好防護效果的防雷保護措施，可以有效增加避雷線保護范圍，進一步控制線路繞擊跳閘率。側向避雷針的作用原理如下：在桿塔橫擔上安裝側向避雷針可以強化桿塔引雷能力，相較于線型物而言，避雷針更容易產生迎面先導，進而有效攔截下行先導。對于滲透到較低空間的弱雷，避雷針能夠對其有效吸引，進而防止出現繞擊跳閘情況。

側向避雷針由桿塔橫擔端部橫向延伸，對導線形成負角保護，其模型如圖1所示（其中，k為導線至地面的高度；l為避雷線長度；rs為避雷針保護球域半徑）。當發生雷擊事故時，避雷針通過自身引雷作用，可將原本集中在導線上的繞擊雷引入桿塔，并經過桿塔引到地面，進而達到防護目的。避雷針放電主要集中在針尖部位，擊距曲面是以針尖為球心，以擊距為半徑的球面，即圖1中球體O，由圖可知，球面O與導線的暴露曲面存在交集，按擊距理論，避雷針能屏蔽O內導線暴露曲面，該段導線受到雷擊時，會先對避雷針放電，而非導線，從而起到良好防護效果。這種防雷保護設計可有效彌補避雷線的不足，進一步提高線路耐雷水平。

圖1 側向避雷針線路屏蔽模型圖示

3.3 縮小避雷線保護角

相關研究表明，500 kV輸電線路繞擊跳閘事故發生率與避雷線保護角的關系如圖2所示，由圖可知，避雷線的保護角對于線路繞擊跳閘事故發生率具有顯著影響，當保護角變化幅度較小時，線路繞擊跳閘事故發生率變化不明顯；而隨著保護角增大，線路繞擊跳閘事故發生率明顯上升；當保護角為零甚至為負角時，避雷線可完全屏蔽線路，即線路繞擊跳閘事故發生率為零。理論上來說，縮小避雷線的保護角是增強線路屏蔽效果最為顯著、最為直接的方式，但這需嚴格論證塔形設計，同時還需增加地線支架寬度，提高桿塔應力，從而使得桿塔耗鋼量增加，增加線路架設成本。本項目中，經過綜合論證分析，決定在全線易擊點及多雷區的桿塔上采用該設計，兼顧技術性與經濟性，在提升線路耐雷水平的同時合理控制項目成本。

圖2 避雷線保護角和線路繞擊跳閘事故發生率的關系

3.4 加強線路絕緣性能

設計輸電線路時，可根據實際情況考慮增加絕緣子數量，這種方法可直接降低導線高度，同時縮小避雷線保護角，從而達到防雷保護目的。

3.5 安裝可控放電避雷針

相關研究表明，雷云對地表物體的放電方式有兩種，分別是上行雷閃與下行雷閃，當發生上行雷閃時，電流幅值相對較小，平均值在7 kA以下，陡度較低，不超過5 kA/μs，一般不會造成繞擊跳閘事故。當發生下行雷閃時，電流幅值相對較大，平均值超過40 kA，且陡度較高，在30 kA/μs以上。上行雷閃所產生的上行先導對地表物體能夠起到屏蔽作用，從而降低雷云放電時物體上的感應過電壓。而可控放電避雷針正是利用該原理，使避雷針的針尖所處電場強度在特定條件下極高，從而快速產生放電脈沖，引發上行雷閃放電，而上行雷閃不會造成繞擊跳閘事故，即可達到保護線路目的。可控放電避雷針具有以下兩方面特性：（1）可控放電避雷針在線路系統上可形成一個范圍較大且基本不會受到繞擊的區域，可顯著降低線路繞擊跳閘事故發生率；（2）可控放電避雷針接地電阻較小，在安裝時可直接利用桿塔接地裝置，不需新增接地裝置，可節約部分成本。

3.6 合理控制線路檔距

當桿塔受到雷擊時，雷電波會沿著導線傳播，從桿塔傳播到塔基需要一定時間，因此，若線路檔距不同，則對線路的耐雷水平也會產生不同影響。當線路檔距較小時，由于避雷線向相鄰桿塔分流的雷電流較多，線路避雷器殘壓對相鄰桿塔上絕緣子串作用電壓能夠形成鉗制作用，因此，線路耐雷水平處于較高狀態；當線路檔距增加時，避雷線的分流作用明顯下降，無法及時分流雷電流，同時，鉗制作用也明顯減弱，因此，線路耐雷水平受到明顯影響。綜上所述，合理控制線路檔距也能在一定程度上保障線路耐雷水平，降低繞擊跳閘事故發生率，保護輸電線路運行安全。

3.7 其他措施

其他線路防雷保護措施主要包括以下方面：（1）全線架設雙地線作為防雷保護措施之一，單回路鐵塔地線對邊導線的保護角不大于10°；（2）2根地線間的距離不超過導線和地線間垂直距離的5倍；（3）檔距中央導線與地線間的距離為S，在15℃無風時滿足下式要求：S≥0.015L+1（L為檔距長度，m）。而且該距離值不宜太大，以免雷暴繞擊導線事故上升。

4 高海拔地區500 kV輸電線路防雷保護經濟性分析

本項目全線呈東西走向，途經日喀則市桑珠孜區、薩迦縣、拉孜縣、定日縣、聶拉木縣、吉隆縣，共計1市6縣（區），海拔高度3700～5300 m，地形比例為河網2.1%，平地13.3%，丘陵16.5%，山地39.8%，高山18.3%，峻嶺10.1%。項目整體施工難度較大，需投入大量資金，因此，線路防雷保護設計方案要在確保防護效果的基礎上兼顧經濟性。由于本項目為安裝避雷器，全線以雙側避雷線為主要防類措施，同時采用了多種防雷保護措施，在易擊點以及多雷區通過在桿塔橫擔上安裝側向避雷針提高保護力度，有效控制了線路繞擊跳閘故障發生率，保障了線路運行安全。

5 結語

綜上所述，雷害作為目前威脅輸電線路運行安全的主要因素，為確保線路安全，需采取多種防護措施，高海拔地區相較于普通地區具有一定特殊性，因此，在線路防雷保護設計時要綜合考慮多方面因素，全面提升線路耐雷水平。