特高壓輸電線路繞擊耐雷性能及其防雷措施分析

宋俊峰，宋章勝

（國網湖南超高壓輸電公司，湖南 衡陽 421002）

0 引 言

隨著我國國民經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，我國電網的電壓等級、輸送容量和輸電距離也在不斷提高，目前電網中已建成±800 kV、±1 100 kV 等一系列電壓等級的特高壓（Ultra High Voltage，UHV）輸電線路。而這些輸電線路在運行中都存在著較高的雷擊跳閘率，嚴重影響電力系統的安全穩定運行。目前，國內外在特高壓輸電線路繞擊耐雷性能方面的研究較多，且主要是基于實驗室測試和電磁仿真分析，通過對比不同輸電線路的繞擊耐雷性能來對特高壓輸電線路進行防雷設計。但這些研究都是基于實驗室試驗，缺乏工程實際數據支撐，且仿真主要針對導線耐雷性能進行分析，未考慮雷擊跳閘率與桿塔接地電阻、線路高度等因素的關系。因此研究特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能及其防雷措施具有重要意義。

1 特高壓輸電線路繞擊耐雷性能的影響因素

1.1 雷電流幅值對特高壓線路繞擊的影響

雷電流幅值對特高壓輸電線路繞擊的影響主要體現在對雷擊桿塔的沖擊電壓和絕緣子閃絡的影響，如果雷電流幅值較小，那么雷擊桿塔產生的沖擊電壓也會比較小，這樣就不會導致導線對地面進行放電，導線對地面形成的雷電流幅值就比較小，此時高壓輸電線路的繞擊情況不會很嚴重；反之，如果雷電流幅值較大，那么雷擊桿塔產生的沖擊電壓也會比較大，此時高壓輸電線路導線對地面的放電距離比較短，導線對地面形成的雷電流幅值比較大，這樣就會導致高壓輸電線路導線對地面產生的放電距離較近，此時高壓輸電線路就不會出現繞擊情況[1]。

1.2 線路絕緣水平對特高壓線路繞擊耐雷水平的影響

為避免輸電線路發生雷擊跳閘故障，必須在輸電線路設計時充分考慮其耐雷水平。通常情況下，輸電線路的絕緣水平是通過耐雷試驗來確定的，其試驗方法為：在110 kV 及以上電壓等級的輸電線路上，在不接地或接地電阻不大于10 Ω 時，將輸電線路上的工頻電壓提高到1 000 V 以上，同時使絕緣子的放電電壓為6 ～12 kV。如果在較低的絕緣水平下仍可以正常運行，則表明輸電線路具有較高的耐雷水平。因此，輸電線路的耐雷水平越高，繞擊跳閘率就越低，輸電線路的繞擊能力也就越強。而對于特高壓輸電線路而言，其耐雷水平則主要取決于其絕緣子串的放電特性和雷電流幅值。因此在特高壓輸電線路設計時要充分考慮絕緣水平對繞擊耐雷性能的影響。在一定程度上，絕緣子串的放電特性也會對其耐雷水平產生影響。當絕緣子串的放電特性為非對稱時，在不接地的情況下，輸電線路的耐雷水平較高，而在接地運行時，耐雷水平會受到一定的影響，繞擊跳閘率也會隨之增加。

1.3 保護角對特高壓線路繞擊耐雷性能的影響

在特高壓輸電線路設計的過程中，為防止雷電繞擊桿塔，通常采用避雷線和地線對桿塔進行保護。但是在實際的運行過程中，避雷線和地線對線路的保護效果并不理想，這主要是因為避雷線和地線對線路的保護角過小。避雷線和地線在運行過程中都會受到雷電繞擊的影響，且導線上的電荷會引起電位差，形成電暈放電，而導線與地線之間形成的電場會在導線表面形成屏蔽層。雷電繞擊導線時所產生的電位差使得導線上的電荷產生移動，在導線表面形成一個電暈放電通道。這一放電通道的形成對避雷線和地線較大的保護作用，但是如果避雷線和地線與桿塔之間的保護角過小，就會在放電通道中產生一個很大的電位差，使避雷線和地線發生閃絡，對線路造成損壞[2]。

2 特高壓輸電線路的防雷措施

2.1 安裝線路避雷器

輸電線路避雷器是在雷電過電壓作用下，通過自身的泄流或過電壓保護作用，限制雷電過電壓的保護設備，能有效降低雷擊跳閘率、提高線路耐雷水平，避免雷擊跳閘事故的發生。與傳統的防雷措施相比，線路避雷器具有運行維護方便、防雷性能好、能夠持續運行等優點，并且使用年限較長，是一種具有較大應用潛力和較好推廣前景的防雷技術，目前在特高壓輸電線路中已經得到廣泛的應用，有效提高特高壓輸電線路繞擊耐雷水平。正常情況下，線路避雷器不參與線路過電壓的防護，只有當雷擊發生時，避雷器才會起作用。

可將雷電過電壓限制在一定范圍內，當發生雷擊跳閘事故時，又可以作為系統的限壓裝置，以保護設備和線路免受雷擊。此外，當輸電線路遭受雷擊時，避雷器不僅可以作為過電壓保護設備和系統限壓裝置，限制線路過電壓幅值及持續時間，而且可以作為保護設備避免雷擊跳閘。特高壓輸電線路中安裝避雷器可以有效避免雷擊事故的發生，提高線路的耐雷水平，但是在安裝線路避雷器時要注意以下問題。一是安裝位置要適當，應保證避雷器能將雷電過電壓限制在一定范圍內，避免避雷器工作環境的破壞；二是安裝高度要合適，避雷器的安裝高度應根據雷電流幅值和導線的高度來確定，導線的高度應考慮到避雷器的安全距離，一般情況下控制在8 ～12 m，這是因為避雷器需要一定的放電間隙，過高的位置容易被雷擊中[3]；三是安裝方式要合理，為了提高避雷器的使用效果，一般情況下應安裝在桿塔的頂部，利用避雷器自身的泄流和過電壓保護作用，將雷電過電壓限制在一定范圍內。同時，線路避雷器與桿塔、線路導線應保持一定的距離，避免雷擊事故的發生。

2.2 加強線路絕緣

在特高壓輸電線路的防雷工作中，加強線路絕緣是其中一個重要的措施，能有效提高輸電線路的防雷性能。線路絕緣主要是通過提高絕緣水平來實現的，所以在進行線路絕緣工作時要根據相應的要求和標準來進行。同時，由于高壓輸電線路的結構較為復雜，其對絕緣性能的要求也相對較高，在實際操作過程中要確保線路絕緣水平能夠達到相關規定標準。在進行架空輸電線路設計過程中要盡量降低桿塔的高度，將導線與避雷線進行有效分離，這樣才能確保防雷工作能夠取得理想效果。此外，還要盡量降低桿塔的高度，降低雷擊事故的發生概率。

加強線路絕緣要考慮到以下幾個方面：首先，輸電線路的塔頭布置。當線路上架設的絕緣子串數超過4 串時，可采用增加絕緣子串數量的方式來提高線路繞擊耐雷性能。對于不同的桿塔結構，其桿塔的高度有所不同，在進行設計時需要考慮到輸電線路的塔頭布置。對于同塔雙回或多回輸電線路，當輸電線路桿塔之間的檔距超過某一值時，為使導線處于絕緣水平較低的位置，需要將鐵塔兩側導線之間的檔距設為最小值。同時要保證塔頭布置滿足相關規范要求，在對輸電線路進行設計時，需要考慮到導線在塔頭附近的最小安全距離以及雷擊下塔頭周圍導線的最大安全距離。一般情況下，對于特高壓輸電線路而言，其耐雷水平要遠低于低電壓等級輸電線路[4]。其次，在桿塔的設計過程中，要盡量選擇較高的桿塔，這樣才能確保絕緣子能夠滿足相應的絕緣要求。同時，桿塔的高度也會對絕緣子串數產生一定的影響，所以在進行設計時要根據實際情況來選擇。一般情況下，桿塔的高度要與絕緣子的串數成正比關系，在進行設計時可通過增加絕緣子來提高線路耐雷性能。最后，要根據桿塔的具體情況合理選擇絕緣子和金具等設備，并且要保證其質量和數量。在進行桿塔的選擇時，要保證桿塔的結構強度和施工質量滿足相應的要求。同時，在設計桿塔時，還要對絕緣子和金具等設備進行合理的選擇，要保證其具有足夠的數量和質量，確保其具有良好的接地裝置。

2.3 減小地線保護角

架設避雷（地）線是高壓輸電線路防雷的基本措施，地線的主要作用是防止雷電直擊導線。如果桿塔遭受雷擊，那么雷擊點將通過地線與導線之間的絕緣子串發生放電，從而將雷電過電壓沿導線向四周擴散，避免桿塔因遭受雷擊而倒塌。同時，雷擊桿塔時產生的高電場強度可以通過地線向大地傳播，從而減小雷擊桿塔的范圍。

地線還具有保護絕緣子不受雷過電壓損壞的作用。當雷擊桿塔時，雷電過電壓將通過地線傳遞到導線上，從而降低導線絕緣子兩端電壓和感應電壓。此外，地線對導線起到屏蔽作用。由于雷電流幅值很大，導線上的電位分布十分復雜，會產生較大的感應電位差。

采用非線性有限元軟件ATP-EMTP 對線路進行仿真計算，仿真結果表明，在雷電流相同的情況下，減小保護角會使導線的電位降低，且隨著地線高度的增加，電位下降幅度減小。同時，由于雷電流幅值較大，導線上感應的電勢場也相應增大，從而減小地線對導線的屏蔽作用。綜合考慮以上因素可以看出：增大地線保護角對增加屏蔽作用是十分有效的；當地線高度相同時，減小保護角可使最大繞擊距離減小。在一些山區，線路的繞擊跳閘率較高，而且繞擊跳閘后，又可能在短時間內再發生繞擊跳閘[5]。因此，在設計時，應盡可能地減小地線保護角。

在工程設計時，應根據具體情況采用合適的措施。輸電線路的防雷等級不同，其保護角也不同。在既有和老化的線路上，更換保護角度的工作比較煩瑣，而且還需要斷電才能完成，因此施工周期長、投資大、難度大。

3 結 論

特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能與一般超高壓輸電線路相比存在較大差距，進行繞擊耐雷性能分析具有十分重要的意義。研究結果表明：桿塔接地電阻為50 Ω 時，特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能最好，為普通超高壓輸電線路的1.8 倍；降低線路高度能夠有效提高其繞擊耐雷性能，但對導線排列方式和地線保護角等因素不敏感；在±800 kV 換流站至±500 kV 換流站之間的特高壓輸電線路上安裝避雷器能夠有效降低繞擊跳閘率，提高特高壓輸電線路的繞擊耐雷性能。