±800 kV輸電線路雷電繞擊防護(hù)性能研究

韓秋健 李 毅 蔡鴻吉

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源需求的增長，電力工程的規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壓輸電線路的建設(shè)也越來越普及[1]。然而，在輸電線路的日常運行中，雷電是不可避免的自然災(zāi)害之一，精確地評估輸電線路的雷電防護(hù)性能，并采取有效的防護(hù)措施，能夠有效保障輸電線路的安全運行和設(shè)備的正常使用[2]。目前，對于高壓輸電線路的雷電防護(hù)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。大多數(shù)研究是基于理論模擬和實際場測相結(jié)合的方式，減少了傳統(tǒng)場地試驗的成本和投資，提高了研究的效率和準(zhǔn)確性[3]。然而，隨著輸電線路電壓等級的逐步提高和線路環(huán)境的復(fù)雜性增加，對于新型輸電線路的雷電防護(hù)性能仍需進(jìn)一步展開研究。

本文選取高電壓等級的±800 kV輸電線路為研究對象，通過理論分析和模擬計算，從地面傾角、工作相位、塔型和塔高、地線保護(hù)角等方面對輸電線路的雷電繞擊防護(hù)方案進(jìn)行了研究，探討了影響輸電線路耐雷性能的關(guān)鍵因素，通過實測結(jié)果的對比分析，得到了雷電繞擊防護(hù)優(yōu)化方案。

1 輸電線路雷電繞擊問題分析

1.1 輸電線路雷電繞擊危害

雷電是大自然中一種非常常見的自然災(zāi)害，通常出現(xiàn)在高溫、高濕等大氣環(huán)境中。雷電所引起的問題很多，當(dāng)在輸電線路中發(fā)生時，將會帶來一系列的危害。在輸電線路中，雷電侵襲主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）設(shè)備損壞：雷電繞擊會產(chǎn)生高電壓脈沖，容易對輸電線路設(shè)備造成損壞，例如燒毀電纜、斷路器、開關(guān)等。

（2）電力系統(tǒng)故障：雷電繞擊會引起電力系統(tǒng)瞬時過電壓，可能導(dǎo)致輸電線路短路、跳閘等故障，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）安全事故：雷電繞擊可能會引起火災(zāi)、爆炸等安全事故，危及人員生命和財產(chǎn)安全。

（4）經(jīng)濟(jì)損失：輸電線路遭受雷電繞擊后，需要維修和更換設(shè)備，會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。同時，電力系統(tǒng)故障可能會導(dǎo)致停電或停產(chǎn)，給企業(yè)和社會帶來不良影響。

綜上，輸電線路雷電繞擊時，如果能量過于巨大，可能會直接損壞輸電設(shè)備和附屬設(shè)備，造成財產(chǎn)損失，同時也可能給人們的生命財產(chǎn)帶來威脅。即使在未造成直接損壞的情況下，雷電侵襲也容易對輸電線路及其設(shè)備產(chǎn)生間接影響，如引發(fā)機(jī)械故障、縮短設(shè)備壽命等，對輸電線路生產(chǎn)、運行造成嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致局部區(qū)域的大面積停電，危及公共生活和經(jīng)濟(jì)秩序。

1.2 輸電線路雷電繞擊機(jī)理

輸電線路雷電繞擊的機(jī)理是由于雷電云與地面間存在電勢差，空氣中的電荷會通過空氣中的電離和擊穿機(jī)制來形成閃電，而閃電通常會通過大氣中的最短路徑來釋放電荷，可能會擊中輸電線路[4]。當(dāng)閃電擊中輸電線路時，電流會以極快的速度通過導(dǎo)線傳輸，產(chǎn)生的電場和磁場也會產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，從而在輸電線路中產(chǎn)生高電壓脈沖，這些高電壓脈沖可能會對輸電線路中的設(shè)備和元件造成損壞，導(dǎo)致設(shè)備燒毀或損壞[5]。此外，由于輸電線路長距離輸送電能，電線和地面之間的電勢差會產(chǎn)生靜電場，這種靜電場也會引起雷電繞擊。因此，在設(shè)計輸電線路時，需要采取相應(yīng)的防雷措施，以減少雷電繞擊對輸電線路的影響。不僅如此，雷電繞擊還可能引發(fā)電磁感應(yīng)效應(yīng)，這將增加線路中的電壓和電流，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。輸電線路在雷電天氣下具有非常復(fù)雜的電磁響應(yīng)特性，因此需要制定可靠的防護(hù)措施。

2 輸電線路的特性及影響耐雷性能的因素

2.1 輸電線路的特性

輸電線路主要由導(dǎo)線、塔架、絕緣子和接地系統(tǒng)等組成。其中，導(dǎo)線是輸送電能的核心部件，塔架是支撐和固定導(dǎo)線的主要結(jié)構(gòu)部件，絕緣子是導(dǎo)線與塔架、地面之間的電介質(zhì)隔離部件，接地系統(tǒng)則是將輸電線路接地，形成電地聯(lián)通[6]。

2.2 影響耐雷性能的因素

（1）導(dǎo)線直徑、高度和間距等幾何參數(shù)：導(dǎo)線的直徑、高度和間距是影響導(dǎo)線自身放電特性和與周圍環(huán)境相互作用的關(guān)鍵因素，其參數(shù)設(shè)置對于導(dǎo)線的耐雷性能有著重要影響。

（2）絕緣子形式、材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)：絕緣子的種類、材料以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對于防止導(dǎo)體與接地的介質(zhì)直接接觸或擊穿故障的發(fā)生具有重要作用。

（3）接地電阻值和接地方式：接地引線、接地網(wǎng)、電感耦合等接地方式的設(shè)立直接關(guān)系到線路終端處的大地電勢，對于線路的耐雷性能有著重要影響。

（4）氣象環(huán)境參數(shù)：雷電活動頻度、平均電場強(qiáng)度等氣象環(huán)境參數(shù)直接影響著輸電線路的雷電繞擊情況，是輸電線路耐雷性能評估的重要參數(shù)[7]。

3 輸電線路的雷電繞擊特性分析

3.1 地面傾角對輸電線路雷電繞擊特性的影響

地面傾角的變化會影響特高壓輸電線路的雷電繞擊特性。當(dāng)?shù)孛鎯A角變化較大時，線路的繞擊頻率會發(fā)生變化，繞擊頻率的變化會導(dǎo)致線路的振動特性和傳輸特性發(fā)生變化，對線路的穩(wěn)定運行和安全性產(chǎn)生影響。針對繞擊概率最高的±800 kV正極性導(dǎo)線，分別選取0°、+8°、-8°和-15°保護(hù)角進(jìn)行雷電繞擊閃絡(luò)率統(tǒng)計分析，如圖1所示。

圖1 不同地面傾角下±800 kV輸電線路正極性導(dǎo)線繞擊閃絡(luò)率

通過圖1可以看出，地面傾角對±800 kV輸電線路正極性導(dǎo)線的繞擊特性影響較大，負(fù)保護(hù)角的增加明顯減弱了地面下導(dǎo)線屏蔽作用，擴(kuò)大了繞擊電流范圍。為此得出結(jié)論：±800 kV輸電線路繞擊跳閘頻率隨地面傾角的增加而增大。

3.2 工作相位對輸電線路雷電繞擊特性的影響

3.2.1 工作相位對繞擊振動的影響

工作相位是指輸電線路兩個相間電纜的電壓相位差，通常為0°、180°、270°、360°。在雷電天氣下，工作相位的不同會影響輸電線路的繞擊振動。當(dāng)工作相位為0°和360°時，線路的繞擊振動較小；當(dāng)工作相位為180°時，線路的繞擊振動較大。因此，工作相位的不同會影響線路的穩(wěn)定運行和安全性。

3.2.2 工作相位對繞擊頻率的影響

工作相位的變化還會影響輸電線路的繞擊頻率，當(dāng)工作相位變化時，線路的繞擊頻率會發(fā)生變化。對±800 kV高壓塔在0°、90°、180°、270°、360°等不同相位下的繞擊跳閘率進(jìn)行仿真評估，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同工作相位下±800 kV線路繞擊跳閘率

從圖2中可以看出，工作相位90°、270°時，線路繞擊閃絡(luò)率幾乎等于0?！?00 kV線路在工作相位0°～180°正半周繞擊閃絡(luò)率呈下降趨勢；在工作相位180°～360°負(fù)半周繞擊閃絡(luò)率呈上升趨勢，即跳閘率高。

3.3 塔型、塔高對輸電線路雷電繞擊特性的影響

塔上絕緣子和導(dǎo)線的布置、保護(hù)角度和高度都會影響繞擊跳閘率。實際上，絕緣子和導(dǎo)線排列布置主要通過保護(hù)角起到相關(guān)作用。

±800 kV線路絕緣子和導(dǎo)線排列方式如圖3所示。相同塔高、保護(hù)角和絕緣子的M型排列布置與3V型排列布置相比，M型排列布置繞擊跳閘率比3V型排列布置小。而M型與3V型導(dǎo)線三角形排列與水平排列對比，3V型三角形排列的繞擊閃絡(luò)率更小。如此，可以得出結(jié)論，塔的高度和保護(hù)角度對繞擊特性有顯著影響。如果塔形高，保護(hù)角度大，大地與地線之間的屏蔽作用會減弱，增加繞擊的可能性。因此，需要通過驗證來保證鐵塔防繞擊性能。

圖3 ±800 kV線路桿塔絕緣子及導(dǎo)線排列型式

3.4 地線保護(hù)角對輸電線路雷電繞擊特性的影響

架空地線是±800 kV線路常常采用的一種防雷手段，而地線保護(hù)角是影響架空地線對導(dǎo)線保護(hù)屏蔽性能的重要因素[8]。通過圖4不同保護(hù)角下±800 kV線路繞擊跳閘率可以看出，保護(hù)角小于0°時，雷電繞擊閃絡(luò)率很低，即在負(fù)保護(hù)角時防繞擊性能較好，而在正保護(hù)角時繞雷擊閃絡(luò)概率呈現(xiàn)遞增的趨勢。

4 結(jié)束語

本文針對±800 kV輸電線路在雷電環(huán)境中的防護(hù)問題，通過評估不同工況下輸電線路的耐雷性能，探討了對其影響的關(guān)鍵因素，并對±800 kV輸電線路進(jìn)行了測試，測試對象包括輸電線路的地面傾角、工作相位、塔型和塔高、地線保護(hù)角等。通過對計算結(jié)果的對比分析，找到了有效、實用的雷電繞擊防護(hù)優(yōu)化方案。