110kV顆珠山大跨越輸電線路的絕緣配合與防雷措施簡析

張輝

（上海同盛電力有限公司 上海市 200122）

1 概況

在電力生產(chǎn)中，高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的大動(dòng)脈，其安全運(yùn)行是重中之重。在我國的高壓輸電線路跳閘事故里面，雷擊事故比重很大，嚴(yán)重影響著電網(wǎng)正常運(yùn)行，故需要對高壓輸電線路特別是大跨越線路做好防雷保護(hù)措施。

洋山深水港是上海國際航運(yùn)中心的重要組成部分，其四期工程屬全球最大、最先進(jìn)的集裝箱自動(dòng)化碼頭。四期碼頭用電容量大，對供電要求高，其配套建設(shè)的110kV顆珠山站電源采用雙回路“電纜+架空線”方式接自110kV洋山站，線路跨越顆珠山汊道，采用大跨越型式，跨越長度約2km，根據(jù)地形、地物條件選擇“耐-直-直-耐”獨(dú)立耐張段方式，錨塔呼高80m，跨越塔呼高192m，全高218m。下面就來具體探討110kV顆珠山大跨越輸電線路的絕緣配合和防雷保護(hù)措施。

2 輸電線路的雷擊故障形式及原因分析

在輸電線路中，其遭受雷擊的主要有直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種形式。直擊雷過電壓是雷電直擊中桿塔以及避雷線或是導(dǎo)線而引起的。感應(yīng)雷過電壓是在雷擊輸電線路附近區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，對線路產(chǎn)生威脅。

高壓輸電線路遭受雷擊的原因有：

（1）可能是線路的絕緣水平低，其絕緣子串?dāng)?shù)不足，或者是絕緣子串中的低值、零值絕緣子沒有能夠及時(shí)更換。

（2）避雷線設(shè)置不當(dāng)，其保護(hù)角不能有夠效地保護(hù)高壓輸電線路，容易造成繞擊，在氣候、地形等因素的影響下造成雷擊。

（3）高壓輸電線路建造時(shí)避雷線接地不良，或者是避雷線和導(dǎo)線間的距離不夠，這樣就會(huì)導(dǎo)致高壓輸電線路的耐雷水平下降，容易發(fā)生線路的雷擊事故。

（4）高壓輸電線路的防雷環(huán)節(jié)薄弱，在雷電多發(fā)區(qū)并沒有做好積極有效的防雷措施。

3 顆珠山大跨越輸電線路的絕緣配合

在工頻電壓作用下，選擇絕緣子片數(shù)的方法有各類污穢條件下絕緣子串的成串污閃電壓選擇或爬電比距選擇。根據(jù)區(qū)域污穢類型、我國電網(wǎng)的防污閃經(jīng)驗(yàn)，《華東電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖（2011版）》查出本輸電線路工程經(jīng)過地區(qū)為D2污穢區(qū)，泄露比距為2.8cm/kV。

3.1 絕緣子串選擇

根據(jù)《110～750kV架空輸電線路大跨越設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》條文：為保持高塔的耐雷性能，全高超過40m有地線的桿塔，高度每超過10m，應(yīng)比表7.0.2增加一片相當(dāng)于高度為146mm的絕緣子，全高超過100m的桿塔，絕緣子片數(shù)應(yīng)根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)結(jié)合計(jì)算確定。本輸電線路工程采用普通型瓷絕緣子，型號為U300B/195。

計(jì)算得懸垂絕緣子片數(shù)為：

n＝｛7＋〔﹙218-40﹚÷10〕〕｝×﹙146÷195﹚＝18.57

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我國已建成的國內(nèi)大跨越工程實(shí)際所采用的絕緣子片數(shù)與工程計(jì)算值較為接近，差異在1～2片。由于工程計(jì)算值較大，部分大跨越線路實(shí)際采用的絕緣子片數(shù)甚至小于工程計(jì)算值。

故結(jié)合本輸電線路工程跨越塔高度和所處的污穢條件，以及絕緣配合的裕度配置，本工程跨越塔懸垂絕緣子串采用20片U300B/195型瓷絕緣子雙聯(lián)成串，滿足爬距要求。

3.2 空氣間隙

輸電線路的空氣間隙包括：導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與地線之間、導(dǎo)線與桿塔之間。在運(yùn)行中，為使絕緣子串和空氣間隙的絕緣能力都得到充分的發(fā)揮，應(yīng)使空氣間隙的擊穿電壓大致與絕緣子串的閃絡(luò)電壓配合（按絕緣子串放電電壓的0.85配合）。塔頭在空氣間隙上可能出現(xiàn)的電壓幅值，一般雷電過電壓最高、操作過電壓次之，工頻過電壓最低，但就作用時(shí)間來說，工頻過電壓時(shí)間最長，操作過電壓次之，雷電過電壓最短，情況剛好相反。所以，一般先算出以上三種情況下的凈空氣間距，并考慮適當(dāng)裕度，保證人體活動(dòng)時(shí)的安全距離，即可算出絕緣子串在垂直狀態(tài)下對桿塔應(yīng)有的水平距離。因本工程采用20片U300B/195型瓷絕緣子，考慮金具及阻尼線，絕緣子串長度約為6m。

按檔距中導(dǎo)線接近條件考慮，導(dǎo)線水平間距離D=0.4λ+u/110+K√fmax計(jì)算得D=14.46m，同時(shí)結(jié)合國外相關(guān)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)取平均值D=16m。

導(dǎo)線垂直線間距離根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定采用同意賄賂水平線間距離的75%，即Dv=16×75=12m，但考慮水平位移因素及結(jié)合干他橫擔(dān)構(gòu)造尺寸，經(jīng)計(jì)算及作間隙原圖，大氣過電壓控制下的導(dǎo)線垂直距離為15m。

檔距中央導(dǎo)線與地線的空氣間隙，根據(jù)《110～750kV架空輸電線路大跨越設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》條文選擇，為防止雷擊檔距中央地線時(shí)反擊導(dǎo)線，根據(jù)110kV電壓等級檔距中央的耐雷水平為I＝120kA，其距離S≥0.1I＝12m。

4 顆珠山大跨越輸電線路的有效防雷措施

在大跨越輸電線路中，由于塔頂電位高、落雷機(jī)會(huì)多、繞擊電流大等因素，其遭受雷擊的概率隨高度的平方增大，提高輸電線路的雷擊故障次數(shù)，增加線路的雷擊跳閘率。且大跨越桿塔雷擊單相閃絡(luò)概率超過常規(guī)線路，并且可能發(fā)生多相閃絡(luò)，造成絕緣子串及其金具永久性損害，危害大跨越線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以顆珠山大跨越架空線必須采用適當(dāng)?shù)姆览状胧苊獬蔀檩旊娋€路的薄弱環(huán)節(jié)。

4.1 加強(qiáng)絕緣

為了降低線路的跳閘率，可以在輸電線路高桿塔上面，以增加絕緣子串長度的方式來加大導(dǎo)線與接地之間的距離，加強(qiáng)輸電線路的絕緣水平。不僅可以防止雷擊導(dǎo)線，還可以避免雷電流流入桿塔的危害，降低高壓輸電線路的雷擊故障次數(shù)，降低雷電對輸電線路的雷擊危害，提高輸電線路的耐雷水平。

4.2 降低雷擊跳閘率

4.2.1 架設(shè)避雷線

架設(shè)避雷線是對于高壓輸電線路來說最基本的防雷保障，避雷線可以使導(dǎo)線避免遭受直擊雷。利用避雷線的分流作用，可以減少流經(jīng)桿塔的雷電流；利用避雷線的耦合作用，可以降低絕緣子串上的電位；利用避雷線的屏蔽作用，可以降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓；在輸電線路上架設(shè)避雷線是提高線路耐雷水平的主要措施。顆珠山大跨越采用雙避雷線配置。

4.2.2 降低反擊跳閘率

反擊跳閘是指因雷擊桿塔后引起對導(dǎo)線的逆向閃絡(luò)發(fā)生跳閘。顆珠山大跨越檔距較大，跨越塔高度高，遭受雷擊的可能性最大，因此跨越塔的耐雷水平?jīng)Q定整條線路的耐雷水平。根據(jù)計(jì)算，顆珠山大跨越選擇的絕緣子在桿塔接地電阻為15Ω時(shí)的耐雷水平為75.76kA，滿足《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊》要求，但整體水平不高，應(yīng)增加相應(yīng)措施。

因大跨越線路桿塔較高，絕緣子串長，塔頂電位高，110kV系統(tǒng)的工頻電壓對引起絕緣子閃絡(luò)所需的過電壓中所占的比例非常小，故導(dǎo)線排列方式對于防雷設(shè)計(jì)影響不大。架設(shè)耦合地線或第三根地線增強(qiáng)導(dǎo)線與地線的耦合作用，降低絕緣子串上的過電壓幅值，可以提高線路的耐雷水平，降低反擊跳閘率。但是對于大跨越線路來說，在工程上存在一些問題不易實(shí)現(xiàn)，本工程不考慮。

為確保防雷設(shè)施可靠有效，每一桿塔均裝設(shè)接地裝置，必要時(shí)深埋、并采取加長水平射線、增設(shè)接地極或降低土壤接地電阻等方式，有效降低桿塔的沖擊接地電阻，確保雷電流通過較低的接地電阻泄入大地，因此降低桿塔接地電阻是提高耐雷水平和降低雷擊跳閘率較為直接的方法。雖然在大跨越輸電線路中，跨越塔高度高，反射波在桿塔中往返一次的時(shí)間較長，桿塔接地電阻對限制雷電反擊過電壓的作用不太明顯，但降低跨越塔接地電阻可適當(dāng)提高線路的耐雷水平。

4.2.3 降低繞擊跳閘率

根據(jù)大跨越塔導(dǎo)地線布置方式的特點(diǎn)，桿塔很容易獲得5°以內(nèi)的保護(hù)角，如果再小就需要通過增加塔材來實(shí)現(xiàn)。而解決繞擊的最經(jīng)濟(jì)有效的方式就是減小地線保護(hù)角，降低繞擊跳閘率，保護(hù)角越小，塔頭要求越高，對大跨越實(shí)現(xiàn)難度就越大。顆珠山大跨越地線保護(hù)角按0°考慮。

4.3 不平衡絕緣配置

高壓輸電線路的絕緣配置中，對于雙回路桿塔或多回路桿塔的線路可以采用不平衡絕緣方式，即其中一回線路中增加3～5片絕緣子，或者采用合成絕緣子、棒性絕緣子等方式增大其中一回線路的招弧角之間的距離，來提高該回線路的耐雷水平，而另一回線路保持原有絕緣水平不變。這雷擊桿塔時(shí)正常絕緣的一回線路先閃絡(luò)，閃絡(luò)后的導(dǎo)線相當(dāng)于地線，對雷電流進(jìn)行分流，降低了桿塔的電位，同時(shí)加強(qiáng)了高絕緣回路導(dǎo)線的耦合作用，提高了高絕緣回路導(dǎo)線的耐雷水平，使其不跳閘，這樣才能夠降低雙回線路或多回線路的同時(shí)跳閘率。但大跨越導(dǎo)地線之間距離較大，耦合作用明顯減弱，不平衡絕緣方式的效果不如常規(guī)線路。

4.4 安裝線路避雷器

在大跨越塔塔頂安裝帶有間隙的線路避雷器，在產(chǎn)生雷電過電壓時(shí)，避雷器就會(huì)開始工作，把雷電過電壓降低到絕緣子閃絡(luò)電壓的接受范圍之內(nèi)，等到雷電過電壓消失之后，線路上的避雷器又會(huì)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。安裝線路避雷器雖不能降低導(dǎo)線遭受雷擊的概率，但它可以降低絕緣子閃絡(luò)的概率，避免絕緣子損壞和降低雷擊跳閘率。其防雷效果特別是在一些雷電高發(fā)地區(qū)是很有限的。

5 結(jié)論

110kV顆珠山大跨越架空線采用20片U300B/195型瓷絕緣子及采用適當(dāng)?shù)目諝忾g隙，滿足工程跨越塔所處的污穢條件，同時(shí)具備一定的絕緣裕度。通過加強(qiáng)絕緣方式、架設(shè)雙避雷線、降低桿塔接地電阻等措使導(dǎo)線施獲得足夠的耐雷水平，采用0°地線保護(hù)角設(shè)計(jì)，同時(shí)在大跨越鋼塔塔頂安裝帶間隙的線路避雷器，降低絕緣子閃絡(luò)的概率，降低導(dǎo)線的雷擊跳閘率，有效保證110kV顆珠山大跨越輸電線路安全運(yùn)行。

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[2]伏進(jìn)．特高壓直流輸電線路耐雷性能分析方法研究.重慶大學(xué)，2010（33）：38～39．

[3]丁頌聲.淺談高壓輸電線路的防雷.科技資訊，2007（10）：21～22.