220kV架空輸電線路防雷分析及對策

孟昭顯，胡曉黎，戴衛華，付廣學，段玉兵，張皓

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南，250002；2.國網山東省電力公司臨清市供電公司，山東臨清，252600）

0 引言

本文重點對某省電網近五年220kV線路雷擊故障進行了統計分析，從而找出了某省電網輸電線路雷擊故障特點，本文總結出了雷擊故障原因及存在的問題，并列舉了典型雷擊線路治理案例，提出了有效的防雷措施及對策。

1 某省電網近5年雷擊故障基本情況

1.1 雷擊故障情況

某省電網近5年管轄220kV線路雷擊跳閘率分別為0.082、0.128、0.148、0.055和0.122次/百公里·年，2013年220kV線路雷擊跳閘率最高，為0.148

次/百公里·年。小于架空輸電線路運行規范規定的0.315次/百公里·年。該指標近5年均未超規范規定。

1.2 線路分布情況

根據統計分析，220kV線路發生重復跳閘的共15條，這些線路大部分雖已在易擊段安裝了避雷器。但未按照差異化的防雷思路對線路的接地電阻、加裝側向避雷針等影響防雷的重要因素進行整改，造成重復跳閘。

1.3 時間區域分布情況

從時間分布上看，雷擊跳閘主要集中在6到8月。按照故障桿塔所處的地域進行分類，近5年，該省中部丘陵和中部山區雷擊跳閘次數最多，分別是24和19次。

2 某省電網近五年220kV架空線路故障停運情況

2.1 雷擊跳閘類型

102次線路雷擊跳閘中，除17次是反擊跳閘外，繞擊跳閘有85次，占比達83.3%。考慮到線路中單回塔數量較雙回塔多，故同塔雙回繞擊跳閘率高于單回。

2.2 雷擊故障桿塔所處地形特點

位于山區的桿塔發生雷擊跳閘率較高。線路雷擊故障桿塔所處地形為平地的占40.2%，所處地形為山區的占59.8%。

2.3 繞擊故障與桿塔保護角的關系

線路保護角越大發生繞擊跳閘的概率越大，保護角10°及以上的線路跳閘數占跳閘總數的63.5%。一般情況下，在發生雷電時，往往伴有大風等惡劣天氣，使輸電線路和避雷線的保護角易發生變化。同時，山區輸電設備由于山坡地形的影響會引起線路邊導線保護范圍的變化，邊坡角度的加大會引起屏蔽失效的區間增大，位于山區的線路,一般檔距較大，檔距中央導線受避雷線保護的區域變小，即失效區變大。

2.4 雷擊故障與桿塔接地電阻的關系

102次線路雷擊跳閘中，17次是反擊跳閘，反擊跳閘中由于桿塔接地電阻不合格造成跳閘14次，占比82.35。

2.5 地理特征

某省的兩個地市分別處于中部山區和中部丘陵，是該省雷擊跳閘最多的兩個地區。從某省雷區分布圖可以看出這兩個地市絕大部分地區處于多雷區，繞擊和反擊雷害風險都在Ⅲ級，甚至部分地區達到Ⅳ級。近5年某省平均地閃密度為2.10次/平方公里 年，這兩個地市的地閃密度分別為2.43和3.10次/平方公里 年，均超出了某省平均地閃密度。另外，處于中部山區的該地市土壤中金屬含量較高，也是容易引雷的一個重要原因。

3 某省電網220kV線路雷擊故障特點

3.1 山區線路故障率高

山區線路由于特殊的地理環境，成為雷擊的易擊區段。位于上頂的桿塔易遭雷直擊，加上桿塔接地電阻偏高，容易造成反擊。位于山坡上的桿塔，由于地面傾角使靠近坡底的邊相保護角增大，導致避雷線保護失效而對導線產生繞擊。另外，在兩山峰之間易形成大跨越段，線段下方為幾十米的深溝，易形成風口；同時，兩檔距較大，導線弧垂大，風偏嚴重，在大風情況下，避雷線失去對導線的保護，雷電繞擊導線檔距中央，形成雷電行波在線路絕緣相對較弱的桿塔絕緣子處發生擊穿，導致線路跳閘。

3.2 山區線路保護角取值偏大

山區輸電線路由于山坡地形變化會引起線路避雷線保護范圍的變化，斜山坡地形會引起屏蔽失效的區域增大。根據近年來輸電設備雷擊跳閘情況分析，山區線路由于雷電繞擊引起的跳閘的較多，而保護角取值較大或未隨地形進行改進是造成屏蔽失效的主要原因。

3.3 山區桿塔接地電阻取值較高

對于同一電壓等級的架空輸電線路，隨著桿塔接地電阻的增加，雷擊塔頂時塔頂電位升高程度增加，絕緣子承受過電壓增加，特別是運行多年且未得到良好維護的線路就顯得更為突出。污穢較重的絕緣子，其雷電沖擊水平會有明顯下降，一般可下降6%-10%。最嚴重時可下降15-35%。線路的反擊耐雷水平嚴重下降。雷擊跳閘率顯著增加。

4 某省電網220kV線路防雷主要對策

4.1 影響繞擊的因素分析及主要對策

圖1

根據模擬試驗與運行經驗, 繞擊率Pa即繞擊概率與避雷線對導線外側的保護角α、桿塔高度h以及沿線路的地形地貌地質條件有關, 可按以下近似公式計算:

有上式可知, 影響繞擊的因素主要是依賴于線路的設計水平，在線路運行中整改的難度較大，經過實踐，有效的方法是在線路上加裝可控放電避雷針或側向避雷針，可控放電避雷針的原理是使主針針頭電場發生畸變，誘發雷電上行先導，攔截雷電下行先導，保護導線免遭雷擊。側向避雷針主要是通過在桿塔或地線上安裝水平測針，以增強桿塔和地線吸引弱雷的能力，增加雷擊保護范圍，降低線路繞擊率。

某省山區220kV線路，雷擊故障后對現場進行勘察，該線路的保護角在設計規程范圍內，接地電阻經測量滿足接地要求，但仍然發生繞擊故障，經過對線路加裝塔頭和架空地線側向避雷針，線路運行良好。

4.2 影響反擊的因素分析、典型線路舉例及主要對策

4.2.1 影響反擊的因素分析

雷電塔頂反擊時的耐雷水平:

I =U50%/ (bRj+ bLgt/2.6+ hd/2.6)(1-k)從上式可以看出，反擊耐雷水平與導、地線間的耦合系數k、桿塔分流系數β、桿塔沖擊接地電阻Ri、桿塔等值電感Lgt以及絕緣子串的50%沖擊放電電壓等諸多因素有關。但在實際工程中, 往往以降低桿塔沖擊接地電阻作為提高線路耐雷水平的主要手段。

4.2.2 典型線路舉例及主要對策

該省2015年4月某位于山區的220kV線路兩套縱聯保護動作，B相跳閘，重合成功。故障時間該區域雷電活動強烈，通過對雷電智能監測系統進行查詢，該線路87#-88#觀測落雷100.1kA，運行單位故障巡線發現#88塔B相合成絕緣子上、下均壓環均有燒傷痕跡，檢查接地引下線與塔腳接觸點均無放電燒傷痕跡，導、地線無損傷。該線路88#塔位于山坡上，周圍比較空曠，并且故障相為外邊坡側邊相，故障地形屬于典型的山峰外側線路。綜合以上分析，并經運行支撐單位專家最終認定，此次故障是因雷雨天氣，接地電阻不合格，反擊造成絕緣子上、下均壓環空氣間隙擊穿導致，本次雷擊故障為雷電反擊。

圖2

雷電流幅值超過桿塔設計耐雷水平是本次線路雷擊跳閘的主要原因。《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規定：220kV桿塔接地電阻15Ω時，桿塔對應耐雷水平為76kA，山區線路跳閘率允許值為0.95次/百公里·年。本次線路跳閘，雷電流幅值為-100.1kA，而實測接地電阻為24Ω，超過該桿塔設計耐雷水平。這是導致本次線路跳閘的直接原因。

從圖中可以看出，桿塔周圍石頭多，僅有極少量土，很大程度上影響了接地電阻的進一步降低。當桿塔接地裝置不能符合規定電阻時，針對周圍的環境條件、土壤和地址條件，應因地制宜，結合局部換土、電解離子接地系統、擴網、引外、利用自然接地體、增加接地網埋深、垂直接地極等降阻方法的機理和特點，進行經濟技術比較，選用合適的降阻措施。

對經常遭受反擊的桿塔在進行接地電阻改造時，每基桿塔不連避雷線時的工頻接地電阻，在雷季干燥時應小于表1所列數值。

表1

針對土壤電阻率較高的情況，運行部門經過對故障現場周圍進行勘察，決加裝接地模塊，經過反復勘察，在方圓200米內選擇了4個最佳地點裝設接地模塊，裝設過程中砸入鋼釘，連接的圓鋼全部挖溝埋設。進過治理，該線路近幾年未發生由于反擊造成的雷擊故障。

5 結束語

本文在分析某省電網近五年220 千伏線路雷擊故障的基礎上，總結出了雷擊故障特點。本文針對故障特點進行了詳細分析，給出了有效的解決對策，并列舉了典型雷擊線路治理案例，為以后的雷擊故障治理工作提供了重要參考。