海島地區輸電線路防雷工作的分析探討

李懿，韋立富，趙勇，李明俊，李妍

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

海島地區輸電線路防雷工作的分析探討

李懿，韋立富，趙勇，李明俊，李妍

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316021）

輸電線路防雷保護一直是電網運行維護工作的難點。開展有針對性的輸電線路防雷技術研究對維護電網安全具有非常重要的意義。以浙江舟山群島為典型研究對象，對海島地區輸電線路防雷工作進行探討分析，提出對策和建議，為實現跨海電網的高效運維檢修提供有益的啟發和參考。

海島地區；雷擊跳閘；輸電線路；防雷措施

0 引言

輸電線路是電網的重要組成部分，一直以來由雷擊引發的線路跳閘嚴重威脅電網的安全穩定。當雷擊過電壓超過線路耐雷水平，導線與桿塔及避雷線之間的絕緣被破壞，發生閃絡，引起單相或相間短路，而后工頻電壓沿閃絡通道持續放電，形成工頻電弧，繼保裝置隨之動作，線路跳閘，系統正常送電受到影響，甚至引發事故。

按照架設方式不同，輸電線路分為架空線路和電纜線路兩大類。架空線路常年暴露于野外露天，充分利用空氣絕緣，造價低，維修方便，但受到氣候環境影響大，比如風吹、冰凍、雷擊和鹽污等。電纜線路占地小，一般敷設于地下或海底，不受氣候和環境干擾，但造價高昂，發生故障后排除時間長，輸電線路防雷工作一般針對架空輸電線路。

舟山電網地處海島，地形地貌特殊，輸電線路多在島嶼間跨海架設。跨海架空線路不僅線路檔距寬，而且桿塔呼稱高度大，相對內陸電網而言，更容易遭受雷擊侵害，做好架空輸電線路的防雷工作是保障海島地區供電安全的首要內容。

1 雷電特性參數與防雷性能指標

1.1 地閃密度

地閃密度和雷暴天數反映雷擊的頻率和強烈程度。地閃密度是在每平方千米區域內每年的地面落雷次數，可依據雷暴天數通過經驗公式進行計算推出。雷暴天數指一年中某區域內發生過閃電雷響的天數。地閃密度的計算公式為：

式中：Ng為地閃密度；Td為雷暴天數。

地閃密度分級如下：Ng＜3次/（km2·a）為Ⅰ級區域；Ng=3～5次/（km2·a）為Ⅱ級區域；Ng=5～8次/（km2·a）為Ⅲ級區域；Ng=8～11次/（km2·a）為Ⅳ級區域；Ng＞11次/（km2·a）為Ⅴ級區域。

1.2 雷電流幅值概率分布

雷電流幅值概率是指某一范圍內雷電地閃在納入統計的地閃數據中累積出現的概率，即統計樣本中雷電流幅值在對應范圍內的地閃次數占地閃總數的百分比。不同地區的雷電流幅值概率分布不同，對其進行研究分析，有利于掌握該地區雷電的活動情況。其計算公式為：

式中：I是雷電流幅值；P是幅值等于大于I的雷電流概率。

1.3 耐雷水平

當輸電線路遭受雷擊時，其絕緣尚不至于發生閃絡的最大雷電流幅值或能引起絕緣閃絡的最小雷電流幅值，稱為線路耐雷水平，單位為kA。各電壓等級的輸電線路耐雷水平如表1所示。

表1 各電壓等級輸電線路的耐雷水平

1.4 跳閘率

雷擊跳閘率是指統一折算到每年雷暴日Td= 40天的條件下，每百千米的輸電線路每年因雷擊而引起的跳閘次數。跳閘率是衡量線路防雷性能好壞的綜合指標。國家電網公司對各電壓等級輸電線路雷擊跳閘率的考核目標如表2所示。

表2 各電壓等級線路雷擊跳閘率的考核目標

2 輸電線路雷擊特點

2.1 雷擊過電壓

輸電線路防雷關鍵在于對雷擊過電壓的防護。雷擊過電壓分成直擊雷過電壓和感應雷過電壓2種。直擊雷過電壓是雷電直接擊中桿塔、導線或避雷線時產生的過電壓。感應雷過電壓是雷擊線路周圍大地或其它物體通過電磁感應在導線上形成的過電壓。感應雷過電壓在三相導線上同時存在，且數值基本相等，不會形成相間電位差導致相間閃絡。由于感應雷過電壓雷電流幅值不高，難以對110 kV及以上線路絕緣構成威脅，而直擊雷過電壓對各電壓等級的線路和設備均可能產生危害。故而輸電線路防雷重點是預防直擊雷過電壓。

2.2 雷擊形式

直擊雷過電壓在雷電直擊輸電線路時產生。按照形式不同，雷電直擊線路可分成繞擊和反擊2種狀態。

2.2.1 繞擊

繞擊是繞過避雷線和桿塔攔截直接擊中導線的放電現象。雷電繞擊導線后，雷電流波沿導線兩側傳播，導線對桿塔放電，在絕緣子串兩端形成過電壓，導致閃絡。在繞擊時，線路耐雷水平受到電壓等級、桿塔高度和沿途地形地貌等因素影響。雷電繞擊導線示意如圖1所示。

圖1 雷電繞擊導線示意

2.2.2 反擊

雷擊避雷線或桿塔后，雷電流由避雷線和桿塔分流，經接地裝置注入大地。塔頂和塔身電位升高，桿塔對導線放電，在絕緣子兩端出現過電壓，形成反擊。在反擊時，線路耐雷水平受到設備絕緣水平、線路電壓等級、桿塔高度和接地電阻等因素影響。雷電反擊導線示意如圖2所示。

圖2 雷電反擊導線示意

3 海島環境氣象與電網運行特點

3.1 地理環境與氣象條件

舟山境內多山，丘陵廣布，為海島丘陵區，是天臺山脈的余脈及其東北延伸入海的露出部分。海島地形起伏，地勢由西南向東北傾斜，中央綿亙山脊或分水嶺，海拔一般在200～300 m，山間和海濱分布有小塊平原。海岸線蜿蜒曲折，以基巖和泥質海岸為主，少量砂質海岸。地貌類型為海積、沖海積平原區（包括堆積海岸地貌）、山麓溝谷平原區、侵蝕剝蝕低丘區（包括侵蝕海岸地貌）、侵蝕剝蝕高丘區。

由于典型的沿海丘陵地形，加之緯度位置、地形地勢、季風以及洋流等的多重影響，舟山呈現北亞熱帶南緣季風海洋型氣候特征，溫暖濕潤，冬暖夏涼，光照充足，但在夏季較易受臺風、雷電等災害性天氣侵襲,并時常伴有伏旱。查閱相關資料可知，舟山的地閃密度在4次/（km2·a）左右，處在Ⅱ級及Ⅲ級區域之間，屬于多雷區。

3.2 海島電網運行特點

截至目前，舟山電網通過2回220 kV線路、3回110 kV線路與浙江大陸主網相聯，共有220 kV變電站5座，變電容量為2 040 MVA；110 kV變電站26座，變電容量2 495 MVA。舟山的負荷分布較為松散，電源結構也相對簡單，為單一性質的火電機組，電網缺少水電、抽水蓄能、燃氣發電等調峰機組配合，統調負荷基數較低，受氣候變化影響明顯，日負荷曲線波動較大，對系統運行控制要求較高。

為不妨礙過往船舶正常通行以及滿足抗風、防污等現實需要，舟山的輸電線路建設往往要比規程要求的提高一個電壓等級，即35 kV線路掛在110 kV桿塔上，110 kV線路掛在220 kV桿塔上，桿塔高度增加，線路檔距變寬。桿塔高度增加，引雷面積增大，屏蔽作用降低，遭到繞擊和形成反擊的幾率上升。線路檔距變寬，分流作用減弱，雷擊閃絡率提高。舟山地區山多地少，輸電線路多依山臨海架設。由于存在建塔材料運輸困難和土地征用賠償糾紛，輸電桿塔放棄使用山頂和山腳，選擇建設在山腰位置。而山腰位于整座山體中段，位置特殊，氣流風向變化頻繁，從海上飄來的帶電雷雨云易在此形成堆積，客觀上增大落雷風險。

4 海島線路防雷措施分析與比較

4.1 減小避雷線保護角

架設避雷線是當前國內輸電線路設計建設中使用的最基本防雷措施。保護角是通過避雷線的垂直平面與通過避雷線和導線平面之間的夾角。通過減小避雷線的保護角，可以提高避雷線對導線的屏蔽性能，降低導線遭受繞擊的概率。

減小避雷線保護角可通過調整避雷線與導線的相對位置實現。調整過程中需考慮以下問題：

（1）在采用避雷線水平外移方案時，應保證2根架空地線之間的距離控制在避雷線與導線間垂直距離的5倍之內。由于避雷線外移，塔材受到應力將增大，桿塔整體重量隨之增加，線路的投資成本有所增大。

（2）若采用導線水平內移方案，可避免桿塔重量增加和基礎應力增大的問題，形成緊湊型送電線路，縮小輸電廊道面積，需要考慮導線與塔身的間隙距離必須滿足絕緣配合要求。

（3）若通過增加絕緣子片數，擴大避雷線與導線之間的垂直距離來減小保護角，桿塔的重量和應力也會增加，同樣提高工程建設造價。

實踐證明，減小避雷線保護角的防雷方案無論內陸還是海島均可行。在選擇改造保護角的方案時，要綜合考慮減小保護角的防雷效果、運行規范要求和改造費用等因素，并進行機械負荷計算，最終確定最優的改造方案。

4.2 安裝懸掛式避雷器

安裝懸掛式避雷器是輸電線路防雷常用的方法。避雷器類似非線性極好的電阻，當雷電流沖擊時，能夠迅速動作，呈現低電阻特性，將殘壓限制到足夠低，進而讓被保護對象免受過電壓破壞；當沖擊電流過后，在正常工頻電壓下，閥片呈現高電阻特性，使工頻續流趨向于零，其作用相當于電路中的穩壓二極管。

避雷器可分為保護間隙、排氣式避雷器、閥性避雷器以及氧化鋅避雷器等類型。近年來，前3類避雷器已基本淘汰，舟山地區當前多使用復合外套金屬氧化鋅避雷器。

復合外套金屬氧化鋅避雷器由單個或并聯的2個非線性電阻片疊合圓柱構成。避雷器在防止繞擊與反擊方面均能產生作用，可以提高線路耐雷水平，降低跳閘率，其局限在于僅能做到“單點防護”，無法實現“區域聯防”，即其保護區域只覆蓋到安裝避雷器的桿塔本身，無法保護相鄰桿塔發生閃絡，存在有效距離，隨著檔距增加而明顯減弱。

4.3 調整線路爬電比距

爬電比距是絕緣子表面爬距與設備標稱電壓之比，即絕緣子串單位電壓的泄漏距離。查閱相關資料可知，舟山全境均處于沿海型重度污穢區，污穢等級為D2，爬電比距離為30 mm/kV，參考飽和鹽密度為0.25 mg/cm2，絕緣子表面污穢層由高可溶性的速溶鹽組成，灰密很低，通常在高電導率霧作用下迅速形成污穢層。在跨海線路建設中，可通過增加絕緣子片數或改用大爬距絕緣子的方法調整爬電比距，進而加強防雷能力。目前，舟山輸電線路所掛絕緣子串往往是在標準設計基礎上多增加1～2片，型號多為FC146/70玻璃絕緣子和FXBW-110/70復合絕緣子，爬距分別為32 mm/kV和35.2 mm/kV，可基本達到防雷與防污的雙重需要。

4.4 降低桿塔接地電阻

通過降低桿塔接地電阻可提高輸電線路反擊耐雷水平，減少線路跳閘次數。降低桿塔接地電阻方案的優點是在桿塔下方施工，不影響上方線路的正常運行和停復役。降阻方式分為物理降阻和化學降阻：物理降阻包括更換接地極附近土壤、延長接地極等；化學降阻是指在接地體周圍敷設降阻劑，通過增加接地體散流面和降低土壤電阻率來達到降低接地電阻的效果。

海島電網輸電桿塔數量龐大，并且各自分散在不同島嶼上，組織大規模的集中更換接地極附近土壤和延長接地極的技術改造，工程上實施難度較大。舟山地區土壤含鹽量高，物理性差，緊實板結，容重高，孔隙度低，pH值大于8.0，土壤次生鹽漬化程度嚴重。化學降阻劑多由細石墨、膨潤土、固化劑以及導電水泥等材料構成（主要成分為聚丙烯酰胺）。在降低接地電阻同時，化學降阻劑的使用會對環境造成較大危害，不但會加快接地體腐蝕，大大縮短其使用壽命，而且會造成土壤板結，引起附近植物枯死和作物絕收，破壞海島上原本脆弱的生態平衡。在海島輸電線路防雷接地改造中，可考慮在重要線路和雷擊頻發區域采取小規模的物理降阻，不建議使用化學降阻方案。

4.5 架設耦合地線

架設耦合地線即在導線下方再加裝1條避雷線。耦合地線通過加強原避雷線的分流作用和導地線之間的耦合系數，提高線路耐雷水平，主要使用在某些已投運且雷擊事故較為頻繁的線路段。雖然架設耦合地線可以改善線路整體耐雷水平，但是會增加影響桿塔承重，影響輸電線路整體的力學平衡。考慮線路弧垂和檔距的技術制約，加之安裝施工階段禁航封港的要求，架設耦合地線在輸電線路陸地段實施尚且可行，而在跨海段上操作困難較大。

5 對策與建議

做好海島地區輸電線路的防雷始保護需要從2個方面展開工作。

5.1 做好設計施工，打好基礎

在對線路沿途的地貌地形、土壤構成、風力大小、潮汐時間、鹽密度分布等因素做到周密調查的同時，做好選址，多選擇帶有負保護角塔頭的桿塔。海島地區風大浪高，輸電線路途經跨海段和鹽污區較多，選擇導線除考慮良好的導電率和防振性能以外，還應關注其是否擁有足夠的機械強度和抗腐蝕能力。鋼芯鋁絞線和鋁包鋼線是國內輸電網建設較常用的導線類型，其機械強度均已達到要求，但是在海邊惡劣環境條件下抗腐蝕能力還需加強。建議參考北歐挪威電網的做法，對其進行技術改造，加涂凡士林等材料，提前進行防腐保護，延長使用壽命。在工程建設完畢后，加強新投產線路的竣工驗收管理，結合設計圖要求和技術聯系單變更，逐條比對檢查，發現問題后，第一時間告知施工方和監理方，責令按時整改。整改完成后，重新組織復驗，直至合格為止，方可允許投運。

5.2 規范運維檢修，形成閉環

加大對巡檢隊伍管理，提高人員到點到位率，做好輸電線路運行數據與隱患缺陷臺賬記錄。借助線路運行記錄和雷電故障定位系統，編制雷害風險分布圖，劃分雷電頻發位置和雷擊類型，展開專門的防雷補強措施。

調整線路爬電距離和安裝懸掛式避雷器是當前海島電網較為實用的防雷方法。在增加絕緣子片數的同時，通過使用均壓環平衡絕緣子串上的電壓分布，實現爬電距離增大。在加裝避雷器時，需要注意以下幾點：

（1）避雷器投入使用前，應做好預防性試驗，即絕緣電阻試驗、工頻放電電壓試驗和泄露電流試驗。

（2）避雷器在投入使用后，雖然大多數運行良好，但是也有個別發生損壞或爆炸。究其原因可能是內部受潮、閥片本身老化以及環境污穢等因素所致。由于故障多發生在夏季濕熱時節和重度污穢區，因此要加強在此時間段和地點的運維檢修，尤其是跨海段兩側的特巡，發現問題，及早更換。

當然，在線路條件較好、施工較為便利的島嶼上，也可通過加裝耦合地線，完成相應的防雷加固。

6 結語

構建全球能源互聯網是未來一段時間我國電網發展和建設的重點目標，實現各大洲之間的能源互聯需要跨越海洋，保障跨海電網的安全穩定是實現這一目標的關鍵所在。海島輸電線路防雷保護不但對于電網系統本身，而且對于整個國家能源戰略的落地實施都具有重要意義。

在學習借鑒內陸成熟經驗的同時，海島輸電線路防雷工作既要考慮負荷性質和系統運行方式，又要充分考慮海洋的影響，熟悉線路所經海區雷電活動特點、季風分布情況以及潮汐洋流變化規律，因地制宜，采取差異化的防雷措施，進而實現輸電線路的安全運行。

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（本文編輯：陸瑩）

Analysis and Discussion on Lightning Protection of Transmission Line in Marine Area

LI Yi，WEI Lifu，ZHAO Yong，LI Mingjun，LI Yan
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316021，China）

Lightning protection of transmission line has been a difficult point in the operation and maintenance of power grid.It is very important to conduct research on lightning protection technology of transmission lines to protect power grid safety.Based on the typical research of Zhoushan archipelago，this paper analyzes and discusses the technology of lightning protection of coastal transmission lines；besides，it puts forward some suggestions and countermeasures，providing some beneficial enlightenment and reference for the efficient operation and maintenance of cross-sea power grid.

marine area；lightening trip；transmission line；lightening protection measures

TM863

B

1007-1881（2017）01-0014-05

2016-05-24

李懿（1983），男，工程師，從事海洋輸電技術研究與智能電網建設工作。