山區高壓輸電線路雷擊跳閘分析和改進措施

曹 炯，余長水

（寧波電業局，浙江 寧波 315010）

寧波地區境內主要山脈有四明山和天臺山，山地和丘陵約占總面積的60%。110 kV以上線路多分布于山區，地形起伏變化較大，地質復雜，天氣多變，為典型的華東Ⅰ級氣象區，年平均雷暴日38天，線路架設雙避雷線保護。

近年來，山區高壓輸電線路因雷擊而引起的故障日益增多，對線路的安全運行造成了嚴重威脅，有部分500 kV線路又是跨區線路，每次事故巡視不但浪費了巨大的人力、物力而且加大了運行維護人員的勞動強度，因此線路的防雷保護成了運行維護的重中之重。

1 山區輸電線路雷擊成因分析

1.1 雷擊跳閘統計

根據2006-2010年雷擊統計數據（表1），寧波地區位于山區的桿塔雷擊跳閘次數占總雷擊跳閘次數的67.2%，其中500 kV線路占95%，220 kV線路占63.8%，110 kV線路占63.5%，可以看出線路電壓等級越高，山區的桿塔雷擊跳閘比例越高，這是因為電壓等級高的線路多處于高山區。

表1 輸電線路雷擊跳閘次數統計次

輸電線路上出現的雷閃過電壓有2種：一種是雷擊線路附近地面，由于電磁感應所引起的感應過電壓；另一種是雷直接擊中線路引起直擊雷過電壓。直擊雷又可分為反擊雷和繞擊雷2種：當雷落在桿塔頂部和避雷線上，由此造成雷擊的線路跳閘故障，稱為反擊雷；當雷繞過避雷線，即避雷線保護失效，直接擊在導線上，由此造成的雷擊線路跳閘故障，稱為繞擊雷。

1.2 線路繞擊成因分析

根據高壓線路的運行經驗、現場實測和模擬試驗均證明，雷電繞擊率與避雷線對邊導線的保護角、桿塔高度以及高壓送電線路經過的地形、地貌和地質條件有關。

計算山區的繞擊率Pa：

式中：α為保護角；h為桿塔高度。

根據式（1）可以推算出山區的繞擊率在5%左右，但山區線路的繞擊率約為平地線路的3倍。山區線路不可避免會出現大跨越、大高差檔距，這是線路耐雷水平的薄弱環節。一些地區雷電活動相對強烈，使某一區段的線路較其它線路更容易遭受雷擊。

1.3 線路反擊成因分析

雷擊桿、塔頂部或避雷線時，雷電電流流過塔體和接地體，使桿塔電位升高，同時在相導線上產生感應過電壓。如果升高塔體電位和相導線感應過電壓合成的電位差超過高壓送電線路絕緣閃絡電壓值，即Uj＞U50%時，導線與桿塔之間就會發生閃絡，這種閃絡就是反擊閃絡，閃絡電流I1為：

式中：U50%為絕緣子串50%沖擊閃絡電壓；k為導線線間耦合系數；k0為導線與地線間的耦合系數；β為桿塔分流系數；Rch桿塔沖擊接地電阻；Lt為桿塔電感；hg為地線平均高度；hb為導線平均高度；hd為桿塔高度；hh為橫擔對地高度。

由式（2）可以看出，降低桿塔接地電阻Rch、提高耦合系數k、減小分流系數β、加強高壓送電線路絕緣都可以提高高壓送電線路的耐雷水平。應著重考慮降低桿塔接地電阻Rch的方法作為提高線路耐雷水平的主要手段。

1.4 線路繞擊和反擊對比

線路遭受反擊或繞擊雷的特點對比見表2，由表2可以看出，山區的雷擊線路故障主要是雷擊桿塔，即反擊率比例在95%左右。因此，山區線路防雷工作的重點應放在防雷擊桿塔上。

表2 反擊或繞擊雷與線路狀態的對比

為了有效防止山區輸電線路雷害故障的頻繁發生，針對山區輸電線路以反擊雷為主的特點，采取降低桿塔接地電阻的方法來提高線路耐雷水平。對于繞擊易發點、高山跨越桿塔以及難降低接地電阻的線路，裝設線路型氧化鋅避雷器。

2 降低桿塔接地電阻

2.1 桿塔接地電阻

輸電線路桿塔接地裝置通過桿塔或引下線與避雷線連接，將直擊于輸電線路的雷電流引入大地，以減少雷擊引起的跳閘故障。無疑降低接地電阻是提高線路耐雷水平防止反擊雷最有效、經濟的方法。對于桿塔接地裝置，它的沖擊接地電阻值越低，雷擊時加在絕緣子串上的電壓就越低，發生雷擊閃絡的幾率就越小。根據有關規定，有避雷線的線路桿塔，解開避雷線時的工頻接地電阻在雷季干燥時不宜超過表3所列數值。

表3 輸電線路接地電阻

由于線路途徑的地理條件比較復雜，通常的施工方法很難使接地電阻達到要求，有的接地電阻甚至高達幾百歐姆，導致在雷雨季節線路頻繁遭雷擊。而大部分桿塔位于高山的山頂上，又增加了遭受雷擊的幾率。針對這種現象，根據當地的氣象條件和線路的耐雷水平模擬計算結果，確定了桿塔接地裝置接地電阻改造的預期目標是：在地質條件較惡劣，如巖石上的桿塔或土壤電阻率為1 000 Ω·m以上的桿塔，其接地電阻控制在20 Ω以下，并要求沖擊電阻控制在15 Ω以內；對于地質條件特別惡劣的典型桿塔，在采取多種改造措施后仍達不到20 Ω以下時，必須采取其他措施提高線路的耐雷水平。

2.2 降低桿塔接地電阻的措施

（1）對于有表層土壤下面是巖石的桿塔，充分利用表層土壤的散流作用，增加射線占地面積，在原有地網的基礎上采用雙股Φ10 mm圓鋼，延長水平接地射線長度（不超過100 m）和增加射線數量（不多于8根），保證埋深0.6～0.8 m。當土層厚度小于0.6 m時要求在地溝內填充長效防腐阻劑、草木灰等低阻物質，并采取防雨水沖刷措施。同時，根據具體桿塔的地形地貌，在原射線上增加多根20～30 m短射線。

（2）對無土巖石的山地桿塔，開挖多條槽溝，槽溝尺寸：寬0.4 m深0.6～0.8 m，在槽溝內埋入雙股Φ10 mm圓鋼并填充回填土（ρ＜100Ω·m），長效防腐阻劑、草木灰等低阻物質，上層用混凝土澆筑，厚度為10 cm，混凝土每隔5 m留收縮縫1個，并用瀝青勾縫，最后在混凝土干燥后用泥土水平覆蓋夯實。要利用桿塔具體的地形地貌特點合理布置槽溝，槽溝之間相互貫通。

（3）對原已敷設地網中不滿足上述埋深要求或經雨水沖刷暴露出來的地網按（1）和（2）中的要求重新埋設和加固，特別是位于陡坡上的地網。

（4）當桿塔某一方向有土壤層時，可以在該方向土壤中敷設矩形地網。

3 裝設線路型氧化鋅避雷器

對于繞擊易發點、高山跨越桿塔以及接地電阻難降的線路，如裝設線路型氧化鋅避雷器，可防止雷直擊導線、鐵塔或避雷線后絕緣子的沖擊閃絡，降低線路的雷擊跳閘率。

加裝避雷器輸電線路遭受雷擊時，雷電流的分布將發生變化，一部分雷電流從避雷器傳入相鄰桿塔，一部分經塔體入地，大部分的雷電流從避雷器流入導線，傳播到相臨桿塔。雷電流在流經避雷線和導線時，由于導線間的電磁感應作用，將分別在導線和避雷線上產生耦合分量。因為避雷器的分流遠遠大于從避雷線中分流的雷電流，這種分流的耦合作用將使導線電位提高，使導線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡電壓，絕緣子不會發生閃絡。因此，線路避雷器具有很好的鉗電位作用，線路避雷器安裝位置為：

（1）位于山坡上的桿塔，一般是外側線路容易繞擊，則只在外側相導線上安裝線路避雷器。

（2）位于山頂的桿塔，則繞擊易出現在邊相，因此在兩側安裝線路避雷器。

（3）在雷電活動強烈地區，為了進一步提高線路耐雷水平，建議在相鄰的桿塔各安裝1組線路避雷器。

4 結語

山區高壓輸電線路防雷措施是否得當，重要的是準確判定易雷擊區，從而根據線路桿塔的實際位置，有針對性地采取各種防雷措施，達到事前預防及控制，降低雷擊跳閘率的目的。

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