桿塔雷擊跳閘原因分析及預(yù)防

張曉東，朱明偉，張希蔚

(1. 海南電力設(shè)計(jì)研究院，海南 海口 571100；2. 中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

高壓架空輸電線路多處野外、崇山峻嶺之中，運(yùn)行條件惡劣。220 kV及以上電壓等級(jí)的輸電線路綿延幾十萬(wàn)公里，覆蓋了廣袤國(guó)土面積，不可避免經(jīng)過(guò)高土壤電阻率、多雷區(qū)以及地形復(fù)雜地區(qū)。在山區(qū)沿山脊、山坡迎風(fēng)面、山腰走線的線路桿塔容易遭受雷擊，如果桿塔較高、防雷保護(hù)角較大，處在較陡邊坡桿塔外側(cè)迎風(fēng)面導(dǎo)線在桿塔附近更易遭受雷擊。有的桿塔經(jīng)過(guò)降低接地電阻以后，雷擊跳閘仍然沒(méi)有得到改善；甚至有些桿塔加裝線路避雷器后，本基桿塔不再跳閘，卻導(dǎo)致相鄰桿塔跳閘。

1 繞擊和反擊

在110kV及以上輸電線路雷擊跳閘不外乎反擊和繞擊，現(xiàn)在就根據(jù)這兩大問(wèn)題具體分析成因找到解決的辦法。

1.1 反擊

(1)例：220 kV雙避雷線線路，正極性U50%=1410 kV，桿塔沖擊接地電阻分別Rch=7Ω,，Rch=15Ω，避雷線和導(dǎo)線的弧垂為7 m和12 m，桿塔處在不同的山坡，θ =0°，20°，30°，35°，45°，55°。桿塔頭部尺寸見圖1。

圖1 桿塔頭部尺寸

當(dāng)桿塔處在山坡時(shí)，傾角θ =30°，以地線2作垂線與地面 交點(diǎn)作水平線，則：ΔH/S=tgθ則ΔH= tgθ×S=7.7m

各計(jì)算結(jié)果見表1～圖3。

表1 計(jì)算過(guò)程

續(xù)表1

表2 沖擊接地電阻7Ω

表3 沖擊接地電阻15Ω

依據(jù)雷擊桿塔時(shí)的耐雷水平公式：

(2)在雙回路某相導(dǎo)線絕緣被擊穿后，可能導(dǎo)致其它回路任意相導(dǎo)線的反擊，這種情況只是相當(dāng)于三根地線對(duì)任意導(dǎo)線的耦合系數(shù)問(wèn)題，其他參數(shù)不變。

圖2 雙回路導(dǎo)線耦合系數(shù)示意圖

這個(gè)計(jì)算在輸電線路采用不平衡絕緣方式防雷設(shè)計(jì)中有重要的價(jià)值，耦合系數(shù)的公式：

式中：Z11，Z22，Z12，Z13為自波阻抗和互波阻抗，按式(3)、(4)計(jì)算。

線i的自波阻抗Zii(Ω)，計(jì)算公式為：

式中：ri為線i的半徑(m)；hi為線i的平均高度(m)。線i與線j的互波阻抗Zij(Ω)，計(jì)算公式為：

式中：dij為線i與線j間的距離(平均距離，下同)；dij'為線i和j的鏡像的距離。

(3)在山坡耦合系數(shù)隨著坡度的增加而增大，理論計(jì)算的耐雷水平卻減小。

雷電流流動(dòng)特性，一般會(huì)像水一樣沿節(jié)點(diǎn)數(shù)少、電阻小的地方流動(dòng)，從大量的雷擊現(xiàn)場(chǎng)可以看到以迎風(fēng)面邊導(dǎo)線被繞擊后，雷電流會(huì)沿外側(cè)兩塔腿主材向下流動(dòng)入地，幾乎不會(huì)從內(nèi)側(cè)兩腿流入大地,這樣就會(huì)使雷電流在鐵塔的塔身上流過(guò)較長(zhǎng)的距離，電感加大，盡管在山坡導(dǎo)地線的耦合系數(shù)隨著坡度的增加而增大，但是理論計(jì)算的耐雷水平卻降低。

(4) 提高反擊耐雷水平的經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的措施：

①降低接地電阻,理論上講，提高耐雷水平，最方便最經(jīng)濟(jì)的就是降低接地電阻。在高土壤電阻率地區(qū)，當(dāng)接地電阻降低到一定程度，如果想繼續(xù)往下降盡管花很大成本也難顯著降低接地電阻，性價(jià)比不合理。

②減小桿塔電感，提高耐雷水平。在雷擊鐵塔兩側(cè)將地線用兩導(dǎo)體并聯(lián)，用特制夾具將鋁排與鐵塔主材連接，在鐵塔內(nèi)側(cè)用專用的接地鋁排接地，在高塔防雷設(shè)計(jì)中占有很重要的位置。

③架設(shè)耦合地線，增大耦合系數(shù)，提高耐雷水平，但在臺(tái)風(fēng)防止混線、重冰區(qū)防止融冰時(shí)電線跳躍需要仔細(xì)規(guī)劃。

④在計(jì)算反擊時(shí)。分流系數(shù)的取值是很重要的，如果相鄰檔距桿塔高度相差很大，檔距較大應(yīng)該具體計(jì)算，計(jì)算方法見文獻(xiàn)[2]，不可以采用規(guī)程值。

1.2 繞擊

1.2.1 繞擊成因分析

繞擊是針對(duì)一定的雷電流幅值而言，針對(duì)確定的情況下幅值小的雷電流比幅值大的雷電流更容易繞擊導(dǎo)線。

根據(jù)作者在湘西地區(qū)近三十年防雷設(shè)計(jì)觀察，具有典型案例是湖南沅陵縣有寶塔三座，最為奇特是高踞縣城東，位沅江左岸陡峭鹿鳴山頂?shù)穆锅Q塔。清前修建，同治沅陵縣志記載：鹿鳴塔，七級(jí)，半塔殘破，屢修屢塌。雷擊屢次削其塔頂部弱一半，至今仍呈半塔狀，頂尖尚在，應(yīng)該是世界上遭受雷擊最多的寶塔。

(1)從這個(gè)個(gè)案看：①特定地方的雷電流幅值大致一致，否則剩下的半邊應(yīng)該也遭受到雷擊了。②形成的機(jī)理一致，因雷擊每次都是在相同的方位。

根據(jù)H.Armstrong、E.Whitehead的理論提出幾何模型見圖，導(dǎo)線、地線的擊距

地面繞擊距離

其中Rsg=1。不同雷電流幅值下，同一種塔型在不同邊坡度數(shù)下的導(dǎo)地線的屏蔽情況表4。

表4 不同雷電流幅值及邊坡度數(shù)的導(dǎo)地線屏蔽情況

(2)通過(guò)模型圖3～圖7可以看出：一般認(rèn)為導(dǎo)線裸露面越大，導(dǎo)線可能遭受到比作圖時(shí)假設(shè)的雷電流更大的雷電流所繞擊。當(dāng)然導(dǎo)線沒(méi)有裸露面可能雷電流都會(huì)擊中地線，但在文獻(xiàn)[3]中列舉了導(dǎo)線水平排列雙地線，保護(hù)角為－15°，屏蔽弧段－27.7m。每百公里，在40個(gè)雷暴日下仍然有0.19%雷電跳閘率。同時(shí)，也列出了保護(hù)角為+14°，屏蔽弧段－4.6m。每百公里，在40個(gè)雷暴日下仍然有0.09%雷電跳閘率。

圖3 不同邊坡時(shí)的雷電流

圖4 不同桿塔高度時(shí)的雷電流

圖5 繞擊桿塔頭部和檔距中央的雷電流

圖6 不同導(dǎo)地線間距時(shí)的雷電流

圖7 不同坡度時(shí)的雷電流

(3)從圖3～圖7中可以得出結(jié)論如下：

①防雷保護(hù)角越大，繞擊的雷電流越大，見圖6。

根據(jù)模型可以看出減小保護(hù)角確實(shí)可以減少繞擊率。在山地用避雷線的平均高度代替塔高，模擬導(dǎo)地線的在空間的真實(shí)情況。當(dāng)造價(jià)增加不多，且導(dǎo)線覆冰厚度不超過(guò)10 mm時(shí)，應(yīng)盡量采用小的保護(hù)角，不應(yīng)該片面強(qiáng)調(diào)減小保護(hù)角，使得避雷線與導(dǎo)線間的水平錯(cuò)位移太小，在脫冰或舞動(dòng)時(shí)導(dǎo)致當(dāng)中混線短路，重冰區(qū)應(yīng)該遵循其設(shè)計(jì)規(guī)程設(shè)計(jì)，在容易遭受臺(tái)風(fēng)襲擊的地方也該引起高度重視。即降低防雷保護(hù)角來(lái)抑制繞擊作用也有限。

②桿塔越高，繞擊的雷電流越大，見圖4。

同一種塔型桿塔高度越高，對(duì)地閃擊距離增大，大地接閃能力降低，所以大部分會(huì)擊中地線和繞擊導(dǎo)線。

③桿塔頭部比檔距中央，更容易受到繞擊，繞擊的雷電流更大，見圖5。

在桿塔頭部尺寸一定情況下，在檔距中央導(dǎo)地線距離較大，則保護(hù)角減小了，保護(hù)角減小繞擊雷電流變小。

④地形坡度越大、繞擊的雷電流越大，見圖3。

地形坡度越大相當(dāng)于增加了桿塔高度裸露了導(dǎo)線部分。

⑤迎風(fēng)面容易受到雷擊。

⑥繞擊與雷電流大小和保護(hù)角沒(méi)有必然聯(lián)系。

在莫斯科附近一座537m電視塔上對(duì)閃擊觀察指出，在四年半內(nèi)有兩次閃電打在塔頂以下約200 m的地方。周圍的地面在距塔基200 m以外會(huì)受到雷擊，保護(hù)角20°。

1.2.2 提高繞擊耐雷水平的措施

設(shè)計(jì)時(shí)要調(diào)查雷雨季節(jié)的風(fēng)向，在山區(qū)沿山脊、山腰走線的線路高塔，特別是山的邊坡較陡時(shí)更容易會(huì)被雷繞擊中跳閘：

(1)正確配合導(dǎo)地線間距減少繞機(jī)可能性；一般的講防雷保護(hù)角越小，則屏蔽性能越好，但是間距太大反而容易發(fā)生繞擊，間距過(guò)小容易擊穿，規(guī)程規(guī)定導(dǎo)地線檔距中央在雷擊過(guò)電壓下滿足：S=0.012l+1；

(2)桿塔絕緣配置：增加絕緣子片數(shù)、可以一定程度提高繞擊水平，因?yàn)殍F塔頭部間隙有限，增加的程度有限需要論證性價(jià)比的合理性；

(3)在山區(qū)容易遭受繞擊的桿塔裝設(shè)迎風(fēng)側(cè)單相線路避雷器，繞擊的電流不會(huì)很大不足以引起其他相的反擊；平地則要三相加裝避雷器；

(4)桿塔加裝避雷器以后會(huì)不會(huì)引起相鄰桿塔絕緣擊穿的問(wèn)題；當(dāng)改造易受雷擊桿塔加裝避雷器后，鄰桿塔需要改造加裝絕緣子個(gè)數(shù)：

(5)由于桿塔頭部容易受到繞擊，則在橫擔(dān)上垂直線路水平裝設(shè)避雷針，避雷針長(zhǎng)度保護(hù)范圍在桿塔橫擔(dān)兩側(cè)20 m范圍內(nèi)。

2 總結(jié)

輸電線路防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)于雷區(qū)的高壓輸電線路設(shè)計(jì)，技術(shù)上應(yīng)按照地形地貌、土壤電阻率、桿塔頭部尺寸、絕緣配置、桿塔高度、并結(jié)合已有的防雷措施，來(lái)制定不同的防雷設(shè)計(jì)方案，以降低桿塔的跳閘率；經(jīng)濟(jì)上應(yīng)根據(jù)所耗工程費(fèi)用、改造和維護(hù)難易程度、運(yùn)行壽命，反復(fù)試算、模擬，仔細(xì)推敲設(shè)計(jì)，最終確定最優(yōu)的防雷措施。通過(guò)以上措施，達(dá)到在很大程度上減少雷擊跳閘率的目的。

[1]DL/T620—1997，交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S]．北京：中國(guó)電力出版社，1997．

[2]劉繼．電氣裝置的過(guò)電壓[M]．北京：水利水電出版社，1981．

[3]英]R．H．Golde．雷電．北京：水利電力出版社，1983．

[4]張曉東．架空線路良導(dǎo)體地線的選型和施工弧垂觀測(cè)檔的確定[J]．廣東電力，2012，(07)．

[5]趙淳，阮江軍，李曉嵐，等．輸電線路綜合防雷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[J]．高電壓技術(shù)，2011，(2)．