輸電線路雷擊故障影響因素及算法分析

國網遼寧省電力有限公司鞍山供電公司 耿 野 沈金林 趙 輝

1 緒論

1.1 研究背景

輸電線路是傳輸電能的主要干架，其穩定運行才能保障體量不斷增大的電網系統高可靠性。據統計，輸電線路故障中有近50%是由雷擊引起的，尤其是在雷雨天氣居多的夏季，輸電線路被雷擊后產生的雷電過電壓會使導線斷裂、絕緣子閃絡損壞、輸電線路跳閘，導致大面積停電，為生產生活帶來較大影響。因此，必須采取有效措施確保輸電線路防雷電擊中，這樣才能保證電網安全可靠運行。

1.2 研究現狀

我國的防雷措施主要考量不同地形地貌和氣象條件，包括架設避雷線、降低桿塔接地電阻、安裝并聯間隙等相關技術。隨著電網規模的擴大，常規的防雷技術不能與電網擴建的速度相匹配，防雷技術面臨著新的挑戰，輸電線路的防雷技術需要不斷改進。

1.3 研究主要內容

通過線上與線下大量資料檢索、收集與整理。本文首先總結了輸電線路雷擊的定義與分類，介紹了雷電相關參數、機理及特點，在充分分析220kV輸電線路常規防雷措施基礎上，提出了基于仿真模型的防雷算法，提出了基于該算法的差異化防雷方案，為電網企業實施新型防雷措施提供了參考。

2 輸電線路雷擊分析及相關參數

2.1 雷電的定義與形成原因

雷電是自然界產生的強烈的放電現象[1]，主要由帶電云層放電引起，當雷云層積累的大量電荷形成極性時 ，在水蒸氣作用下釋放電荷。可見的雷電表現為雷閃和轟隆聲，當云層中大量電荷與地面的感應電荷在靜電作用下形成一定閾值的電場強度時，雷云層會對地面放電，即肉眼可見的強光也稱為雷閃。雷閃的速度快、強度高，會對放電的地面附近產生一定的破壞，例如，破壞絕緣設備、增大電壓、電網跳閘等，甚至會導致電網癱瘓。

2.2 輸電線路的雷電參數

2.2.1 雷暴日與雷暴時長

雷電日與雷暴時長用來描述雷電活動強度，用年雷暴日數D 表示。D 的值等于雷暴日除以每小時的雷電日數再除以總時長。根據D 的值劃分雷電活動強度，詳見表1，雷暴日數增多，D 值也增大。

表1 雷電活動強度劃分

2.2.2 地閃密度

地閃密度用表示，指單位面積內每一雷暴日被雷擊的次數，即雷電活動頻度。地閃密度反映了雷電的強度，等級劃分見表2。

表2 雷電強度分級

2.2.3 雷電流峰值

雷電流峰值的累積概率計算：

該值反映了地形地貌、大氣環境等因素對雷電流峰值分布的影響情況。

2.3 雷擊計算電路

雷電放電時，被擊物體的電流可以依據雷電流等值電路圖進行測量計算，電路模型如圖1所示。

圖1 雷電等值電路

由電路圖可確定被擊物體的電流計算：

其中，Zc為導線的波阻抗。

3 輸電線路防雷措施分析

3.1 輸電線路常規防雷措施基本原理

3.1.1 降低接地電阻

輸電線路防雷最重要的舉措是降低接地電阻，通過安裝桿塔接地電阻可以減少雷擊時形成的電壓，通過桿塔的接地網可分散雷電流，降低電位差，使反擊跳閘率隨接地電阻增大而提高。

3.1.2 安裝避雷器

當雷電流的值較大時，降低桿塔接地電阻的措施不能起到明顯分流作用，需要安裝避雷器讓雷電流在電磁感應作用下形成耦合分量，增加導線電位，降低電勢差，加強分流效果，進而避免因遭遇雷擊而跳閘，起到防雷保護作用。

3.1.3 塔頂避雷針的防雷原理

在塔頂處加裝常規避雷針或可控放電避雷針可以提高桿塔吸引雷電的程度，降低雷電電流幅值，降低雷電的繞擊率。

3.1.4 安裝并聯間隙防雷原理

安裝絕緣子串并聯間隙可以提高重合閘成功率，疏導工頻電弧，提高輸電線路的運行可靠性。

3.2 輸電線路新型防雷措施應用原則

3.2.1 降低接地電阻

安裝桿塔降低接地電阻要綜合考量地域技術、經濟和地質等方面的因素，例如，鹽堿腐蝕地區對桿塔進行防腐處理，或選擇耐腐的桿塔；加裝桿塔的技術可以因水塘、淤泥等不同地區采用不同的接地方案，如伸長接地、垂直接地等；此外，雷雨季節要做好日常檢查，對連接異常情況及時做防護處理。

3.2.2 安裝線路避雷器的原則

安裝線路避雷器避免線路絕緣雷擊閃絡應滿足以下要求：雷害風險等級達到IV 級，采取了一定的防雷措施仍然出現重復雷擊跳閘現象，接地電阻阻值達到極限20Ω。

3.3 輸電線路雷擊故障分析

3.3.1 地形分析

輸電線路雷擊跳閘現象出現的頻率受地形影響較大，山區、峽谷多于平原，山頂、山腰多于山腳下，輸電線路雷擊跳閘地形統計表詳情見表3。

表3 輸電線路雷擊跳閘地形統計表（單位：%）

3.3.2 相分析

220kV 單回輸電線路單相遭雷擊比率超過邊相，雙回輸電線路遭雷擊比率多于中、下相。故障相分布如圖2、圖3所示。

圖2 單回架空線路雷擊故障分布

圖3 雙回架空線路雷擊故障分布

4 基于仿真模型的防雷算法分析

4.1 仿真模型的建立

針對雷電流對架空線路的影響，線路和桿塔仿真線路模型采用分布式參數模型，即Hara 多波阻抗模型，該模型與真實值最接近，采取5基桿塔架構，由4個不平行的導體系統組成，仿真架構模型如圖4所示，主支架、支架、塔臂構成了桿塔主結構[2]。

圖4 仿真架構模型

該模型的主支架波阻抗計算：

其中，k 為從上到下橫擔號；ZTk為 k 檔主材波阻抗；rek為 k 檔處導體系統等效半徑；kek為k 檔處橫擔高度；rTk為導體頂部半徑；RTk為頂部相鄰導體間的距離。

由主支架波阻抗模型推導出塔臂波阻抗為：

4.2 算法結果分析

基于上述仿真模型進行仿真結果分析，其中：桿塔5根，檔距400m，雷電流幅度值120kA。經過仿真計算，求得變壓器、線路斷路器及線路電壓互感器在不同雷擊點的電壓峰值見表4。

表4 不同雷擊點電壓峰值（單位：kV）

由上表峰值電壓，可以判斷2#桿塔在遇雷擊時其設備過電壓值大于1#桿塔此種情況，其余3個桿塔變電站內過電壓值逐漸下降。依據該表數據可以以推斷1#桿塔是離變電站最近的一個，其余桿塔與變電站的距離依次增加，因此雷電波進入1#桿塔GIS 管體后形成了互相抵消的反射與原始波段。

現場實際應用后，相關數據統計表明依據上述仿真模型采取的架設避雷線、安裝線路避雷器、降阻劑降阻、安裝可調并聯間隙等避雷技術，使輸電線路的平均跳閘次數下降了80%。防雷措施效果明顯、說明了仿真結果的正確性。