江蘇電網220 kV 及以上輸電線路雷擊跳閘分析

高 嵩，周志成，陶風波，張星煒

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103)

雷擊是引起架空輸電線路跳閘的主要原因之一。根據故障統計數據，江蘇電網每年因雷擊引起的跳閘約占線路跳閘總數的1/4，造成巨大經濟損失，也嚴重威脅電網安全穩定運行。

造成輸電線路雷擊故障的原因是雷擊時在輸電線路上形成的雷電過電壓超過線路絕緣的耐受水平，使線路絕緣遭到破壞并發生閃絡，從而導致系統跳閘或設備損壞。國內外多年來的雷擊跳閘故障分析經驗表明[1，2]，準確評價輸電線路的耐雷水平是做好線路防雷工作的必要前提。防雷計算模型是準確評價輸變電設備耐雷性能的重要工具和手段。目前，反擊計算模型主要有行波法、ATP 程序、電磁場法、蒙特卡洛法等，繞擊計算模型主要有電氣幾何模型（EGM）、先導發展模型（LPM）、雷電屏蔽模型等，這些模型的建立和提出，一定程度上解決了輸電線路的防雷計算問題，但也各有其適用范圍，還需進一步對這些模型進行相應地比較研究，充分考慮線路走廊雷電活動的強度、線路結構特征的以及地形地貌特點[3]，在計算雷擊跳閘率時，根據需要和現場實際情況選擇合適的模型進行計算，從而合理評估輸電線路雷害風險，指導運行部門采取適宜的防雷技術措施，減少雷擊故障的發生。

1 雷電活動特征

1.1 江蘇雷電活動總體情況

江蘇省位于長江流域，境內地勢平坦，湖泊河流眾多，雷電活動比較活躍。根據江蘇2005～2013年的雷電樣本數據，繪制出江蘇省9年平均地閃密度分布圖，如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，江蘇地區雷電活動較為頻繁，江蘇全省大部分地區處于多雷區（C 級），無少雷區（A 級），另外中雷區（B 級）、強雷區（D 級）面積較少。中雷區（B 級）主要分布在徐州北部、連云港和鹽城的東北部。多雷區（C 級）面積最大，其中C1 級面積最廣，主要分布在蘇北大部分區域、沿海及蘇南局部區域，C2 級主要分布在蘇南和蘇中。強雷區（D 級）面積較小，主要分布在淮安、南京、無錫等地。

圖1 蘇電網9年平均地閃密度分布圖

1.2 雷電數據統計

雷電監測數據顯示，2013年省內雷電活動總體保持平穩，強落雷天氣主要集中在無錫、蘇州以及徐州、連云港局部地區。全年雷暴日為146 天，平均地閃密度為2.87 次/（km2·a），較往年有所下降，年均地閃密度值為近5年來的最低水平，如圖2 所示。

圖2 2009～2013年江蘇全省地閃密度統計情況

2 雷擊跳閘情況分析

2.1 雷擊跳閘基本情況

2013年江蘇電網220 kV 及以上輸電線路雷擊跳閘數量如圖3 所示。省220 kV 及以上線路雷擊跳閘22 起；其中，500 kV 線路7 起，220 kV 線路15 起。以每年40個雷暴日計算，500 kV 和220 kV 線路雷擊跳閘率分別為0.077 6 次/（100 km·a）和0.065 6 次/（100 km·a），雷擊重合成功率為80%左右。雷擊跳閘率統計如表1 所示。

圖3 近五年同期雷擊跳閘情況變化

表1 雷擊跳閘率統計

2.2 雷擊故障特征分析

（1）故障類型。根據雷電流幅值和防雷計算分析結果判斷，2013年220 kV 及以上線路全部為繞擊引起。從歷年統計數據來看，江蘇省220 kV 及以上輸電線路繞擊跳閘比例均在96%以上，反擊跳閘次數較少，僅發生在個別500 kV 線路。主要原因是多數引起跳閘的雷電流幅值不高，另一方面則與江南地區土壤電阻率較低有關。

（2）故障地形。對雷擊故障地形進行統計，2013年線路雷擊跳閘中，除1 起發生在邊坡地形外，其余均發生在平原地帶，約占總雷擊數95%，表明江蘇地區220 kV 及以上線路雷擊跳閘地形以開闊平原為主。

（3）故障塔型。從雷擊桿塔類型上看，2013年線路雷擊跳閘中，13 起發生在同塔雙（四）回線的鼓型塔，占全部故障塔型的59.1%，且雷擊多發生在中相，這主要是因鼓型塔結構下，地線對中相導線的保護角偏大導致的，易引起繞擊。故障塔型統計如表2 所示。從故障桿塔高度上看，桿塔呼高h 超過30 m 以上的桿塔占跳閘數的68.1%；30 m 以下故障桿塔比例為31.9%；表明江蘇省220 kV 及以上線路呼高超過30 m的桿塔發生繞擊概率相對較高，如圖4 所示。

表2 220 kV 及以上線路雷擊故障塔型

圖4 220 kV 及以上線路雷擊故障桿塔呼高情況

（4）外絕緣配置。經統計，江蘇電網220 kV 及以上線路雷擊故障桿塔中復合絕緣子和長棒形瓷絕緣子使用率為90.9%，其中復合絕緣子比例達70%以上。江蘇省電力公司電力科學研究院在實驗室內對不同型式絕緣子進行了雷電沖擊放電試驗。試驗結果表明，復合絕緣子和長棒形瓷絕緣子的雷電沖擊性能均低于雙傘型瓷絕緣子，相同結構高度下，瓷雙傘絕緣子的雷電沖擊放電電壓較長棒形瓷絕緣子高6.7%，較復合絕緣子高11.7%，如表3 所示。

表3 不同型式絕緣子（正極性）雷電沖擊U50%

3 防雷措施與對策分析

根據江蘇電網運行經驗，雷擊重合不成一直是引發220 kV 及以上線路故障停運的主要原因。采取有效的防護措施來提高線路防雷性能是控制雷擊故障率的關鍵。目前，常用的防雷措施總體上有“疏”與“堵”兩大類方式。

3.1 “堵塞型”防雷措施

（1）減小地線保護角。為降低線路雷電繞擊跳閘率，新建220 kV 雙回路垂直排列線路桿塔全高超過40 m時，架空地線對各相線的最大保護角應從現行設計的20°左右降低到5°以下[4]；500 kV 同塔雙回路線路和大跨越塔應進一步降低架空地線對各相線的保護角應不大于0°。

（2）架設旁路架空地線。架設旁路架空地線可有效防止500 kV 輸電線路的側面來雷繞擊導線的情況。這種措施對于側面來雷的情況效果非常好，如在山坡外側架設旁路架空地線，則可攔截從側面過來繞擊。

（3）增加復合絕緣子長度。考慮到復合絕緣子在江蘇電網的巨大使用量，為降低雷擊閃絡故障，對于多雷、強雷區新建線路以及塔窗口尺寸允許的老舊線路，應選用干弧距離較長的復合絕緣子，并在兩端加裝均壓環。

（4）安裝塔頭側向避雷針。塔頭側向避雷針可安裝在較易遭受繞擊導線相所在橫擔上，如雙回路桿塔中相橫擔、四回混壓線路下層雙回路的長橫擔上。側向避雷針的保護范圍為15～20 m，線路實際運行經驗表明，繞擊多發生于桿塔兩側約30 m 范圍內[5]，因此側向避雷針保護范圍可達50%以上。

（5）安裝可控放電避雷針。由于線路弧垂使中間段保護角小于近桿塔段，加之桿塔位置也較高，繞擊多發生在近桿塔段。可控放電避雷針主要用于山區保護易受雷電繞擊的桿塔，但對于檔距中央的保護有限[6]。

3.2 “疏導型”防雷措施

除采用“堵塞型”方法來降低線路的雷擊跳閘率外，還可采取“疏導型”辦法，即適當降低輸電線路的耐雷水平。通過定位雷擊閃絡和疏導工頻電弧保護絕緣子串，以提高重合閘的成功率，不造成雷擊停運故障。

（1）加裝絕緣子串并聯間隙。采用保護間隙裝置與絕緣子串并聯，其距離小于絕緣子串的干弧距離。架空線路遭受雷擊時，保護間隙因雷電沖擊放電電壓低于絕緣子串的放電電壓首先放電，并將接續的工頻電弧引至間隙端部，從而保護絕緣子免于電弧灼燒[4]。應當注意的是，絕緣子串并聯間隙不適用于220 kV 及以上線路耐張塔，推薦在同塔雙回線路使用，選擇雷害風險較高的一回線進行安裝。

（2）安裝線路型氧化鋅避雷器。線路型氧化鋅避雷器可以使輸電線路的繞、反擊耐雷水平得到大幅度提高，顯著降低500 kV 輸電線路的繞擊跳閘率。由于單支避雷器僅能保護安裝相，綜合考慮技術經濟性，可在500 kV 及以上核心骨干網架、大型電源（如核電）送出等戰略性輸電通道、過江大跨越、轉角塔、高塔、山區、接地電阻大及其他雷擊風險較高的重要線路的易擊相安裝線路避雷器。

4 典型500 kV 雷擊故障案例分析

4.1 泰斗5293 線易擊段故障原因分析

雷擊故障與輸電線路所處地形有密切關聯。一般而言，山（風）口、山谷、河流、湖泊等地形的雷電活動比較劇烈，這類區域如建有大型輸電線路則往往反復發生雷擊，呈現出雷電易擊段的特點。例如江蘇500 kV泰斗5293 線，該線路在泰州、江陰段跨越長江，總長度80.8 km。近5年來，該線路頻繁遭受雷擊，且絕大多數雷擊點集中位于在56～73 號過長江區段8 km 范圍內，如表4 所示。

表4 泰斗5293 線雷電易擊段跳閘情況

（1）根據雷電監測系統歷史數據，統計出500 kV泰斗5293 線過江段桿塔2008～2013年平均地閃密度。數據顯示，500 kV 泰斗5293 線過長江段近6年的平均地閃密度值高于11.14 次/（km2·a），即表明該線路過長江段桿塔均處在D2 級強雷區，其落雷數量明顯高于江蘇全省平均水平，雷電活動十分活躍，屬雷擊故障多發地區。其雷電活動情況如表5 所示。

表5 泰斗5293 線過江段2008～2013年雷電活動情況

（2）根據故障記錄，泰斗5293 線過長江段的雷擊塔型主要為SZT1，SZT2，SKT 三類雙回直線塔型。在統計雷電、地形、線路等相關參數的基礎上，為校核泰斗5293 線故障桿塔的雷擊風險，對近年來發生過雷擊的57 號、60 號、66 號、68 號、73 號五基桿塔進行防雷性能計算，獲得了各基桿塔的雷擊跳閘率。其中繞擊計算采用更能反應具體線路的地形特點的改進電氣幾何模型（EGM），反擊計算則采用仿真方法，利用EMTP-ATP 程序建模計算，具體結果如表6 所示。

表6 泰斗5293 線歷史故障桿塔防雷性能計算結果

從表6 可知，各基故障桿塔的雷擊跳閘率均明顯高于國網公司運行規范要求的0.14 次/（100 km·a）（歸算到40 雷電日）。一般而言，影響輸電線路雷擊跳閘率的因素很多，包括地閃密度、雷電流幅值、線路保護角、線路絕緣水平、桿塔高度、桿塔接地電阻、地面傾角、地形地貌等。

（3）通過上文分析，引起泰斗5293 線雷擊跳閘率偏高的原因可歸結為：

①該條線路易擊段毗鄰長江寬闊水域，局部風力較大；且江水水面電阻率低，起到引雷作用，大幅加強了局部落雷數量和地閃密度。

②線路易擊段因跨江需要，塔身設計相對較高，過長江段除大跨越塔和錨塔外，各基桿塔平均高度達到64.93 m。隨著導線距離地高度增加，大地的屏蔽作用減弱，線路受到雷電繞擊的概率相應增加。

③泰斗5293 線的絕緣子設計時采用了長棒形瓷絕緣子，由于安裝引弧環，使得絕緣子干弧距離縮短，降低了桿塔耐雷水平。

4.2 防雷改造措施建議

綜合考慮上述雷擊故障原因和各類防雷措施的使用范圍，建議對泰斗5293 線過長江易擊段桿塔選取“疏”、“堵”結合的防雷措施：

（1）對SZT1，SZT2，SKT型桿塔安裝線路避雷器。2011年國家電網公司《架空輸電線路差異化防雷工作指導意見》規定：500（330）kV 及以上核心骨干網架、大檔距高塔及其他雷擊風險較高的重要線路，可考慮安裝線路避雷器。泰斗5293 線為同塔雙回線路，全線直線桿塔基本均為鼓型塔，根據線路結構、地形地貌情況以及桿塔耐雷水平分析結果，建議在泰斗5293 線過江段56～73 號桿塔中全部SZT1，SZT2 和SKT 型桿塔的兩側中相各加一個帶間隙氧化鋅避雷器，可切實降低這一區段線路的雷擊跳閘率。

（2）逐基桿塔安裝可控放電避雷針。根據計算結果，泰斗5293 線過長江段雷擊跳閘均為繞擊引起，因此建議對泰斗5293 線56～73 號逐基桿塔安裝可控放電避雷針，可控放電避雷針的引雷能力比傳統避雷針強，而且有較大的保護角，這樣就可以降低被保護桿塔遭受繞擊的概率，用于保護易受雷電繞擊的桿塔。

5 結束語

線路雷擊跳閘對電網穩定運行影響巨大。隨著江蘇電網建設發展和通道及電磁環境相關要求的變化，220 kV 及以上線路桿塔的高度和同桿架設數量不斷增加，總體防雷性能呈現下降趨勢。因此線路運行維護部門應積極開展線路雷害風險評估，有針對性地才采取“疏”與“堵”相結合的防雷改造措施，降低線路雷擊跳閘率，提高雷雨季節供電可靠性。

[1]易 輝，崔江流.我國輸電線路運行現狀及防雷保護[J].高電壓技術，2001，27(6)：44-45.

[2]錢冠軍.500 kV 線路直擊雷典型事故調查研究[J].高電壓技術，1997，23(2)：73-75.

[3]阮 羚，谷山強，趙 淳，等.鄂西三峽地區220 kV 線路差異化防雷技術與策略[J].高電壓技術，2012，38（1）：17-20.

[4]孫萬忠.超高壓線路繞擊率計算方法探討[J].四川電力技術，1999（6）：1-3.

[5]周志成，馬 勇，陶風波，等.雷擊地線檔距中央的反擊性能分析[J].江蘇電機工程，2012，31（6）：11-14.

[6]張志勁，司馬文霞，蔣興良，等.超特高壓輸電線路雷電繞擊防護性能研究[J].中國電機工程學報，2006，25(10)：1-6.