淺談四川高海拔地區(qū)500 kV輸電線路防雷措施

摘 要：概述了四川省高海拔地區(qū)地理位置、地形地質(zhì)等基本情況，簡(jiǎn)要分析了地閃密度實(shí)際情況。根據(jù)近年來(lái)雷擊跳閘情況，結(jié)合典型500 kV線路設(shè)計(jì)情況，從減小地線保護(hù)角、加強(qiáng)線路絕緣、降低接地電阻、加裝線路避雷器等方面提出防雷措施，以期為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：輸電線路；雷擊跳閘；防雷設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM726.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）03-0039-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.010

0? ? 引言

截至2022年底，四川電網(wǎng)擁有500 kV變電站60座、500 kV線路19 585 km，線路長(zhǎng)度全國(guó)第一，多位于甘孜州、阿壩州和涼山州（以下簡(jiǎn)稱“三州”地區(qū)）。“三州”地區(qū)重要水電送出通道分布較多，隨著甘孜、阿壩、攀西等交流特高壓工程的建設(shè)，配套500 kV線路規(guī)模還將進(jìn)一步增加。近年來(lái)，“三州”地區(qū)雷電活動(dòng)頻繁，綜合地閃密度相對(duì)較高，500 kV線路雷擊跳閘頻發(fā)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文簡(jiǎn)要分析了四川高海拔地區(qū)500 kV線路雷擊跳閘情況，提出了多種防雷措施。

1? ? 雷擊跳閘情況

1.1? ? 雷電活動(dòng)情況分析

根據(jù)四川電網(wǎng)雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，2013—2022年10月四川省共計(jì)發(fā)生雷電主放電和回?fù)? 924.18萬(wàn)次，年平均192.4萬(wàn)次，年平均綜合地閃密度3.98次/km2。2013年全川雷電活動(dòng)最為強(qiáng)烈，總次數(shù)達(dá)438.5萬(wàn)次，其他各年在100萬(wàn)次到200萬(wàn)次間徘徊。2022年1月—10月，四川省發(fā)生雷電主放電和回?fù)艄灿?jì)183.45萬(wàn)次，綜合地閃密度3.80次/km2。與上年相比，2022年川西的涼山和攀枝花、川南的宜賓和瀘州、盆地邊緣的雅安雷電活動(dòng)有大幅度增加，上述地區(qū)綜合地閃密度處于D1及以上；川西的甘孜中部、阿壩局部區(qū)域雷電活動(dòng)也有增加；川北雷電活動(dòng)明顯減弱。

根據(jù)收集的相關(guān)雷擊跳閘數(shù)據(jù)，近年來(lái)雷擊跳閘次數(shù)逐年上升，僅2022年上半年，四川共發(fā)生500 kV輸電線路雷擊跳閘20次，與2021、2020、2019、2018年同期相比，分別增加了10次、1次、2次和0次，其中6月發(fā)生雷擊跳閘14次，占70%。對(duì)跳閘線路情況進(jìn)行分析可見(jiàn)，500 kV東天一二線跳閘次數(shù)最多，雷電流最大。500 kV東天一二線自投運(yùn)以來(lái)共計(jì)發(fā)生雷擊跳閘53次，其中一線33次、二線20次，線路跳閘主要發(fā)生在涼山州境內(nèi)，平均雷擊跳閘率分別為1.278次/（百公里·年）、0.771次/（百公里·年）。其中雷電繞擊跳閘42次，約占79.2%；雷電反擊跳閘11次，約占20.8%（同塔雙回同跳6次）。

1.2? ? 跳閘情況分析

1.2.1? ? 地理位置

四川位于中國(guó)大陸地勢(shì)第一級(jí)青藏高原和第二級(jí)長(zhǎng)江中下游平原的過(guò)渡帶，高低懸殊，西高東低的特點(diǎn)特別明顯。西部為高原、山地，海拔多在3 000 m以上；東部為盆地、丘陵，海拔多在500～2 000 m。地形地貌差異極大，包括高山峽谷、高山草原、草原湖泊、丘陵風(fēng)化沙石帶、終年冰川雪山，礦產(chǎn)資源豐富，易形成復(fù)雜多變的雷電災(zāi)害。

結(jié)合往年雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，盆地地區(qū)雷電密度值較高，高原地區(qū)雷電密度值較低，盆地到高原的過(guò)渡區(qū)域、盆地內(nèi)的丘陵地區(qū)是雷電密度最高的區(qū)域。

500 kV東天一二線起于錦屏二級(jí)電站，止于南天500 kV變電站，其中一線長(zhǎng)287.923 km，二線長(zhǎng)288.24 km，20 mm及30 mm冰區(qū)按單回架設(shè)，其余按同塔雙回架設(shè)。線路于2013年12月建成投運(yùn)，途經(jīng)涼山州西昌市、冕寧縣、喜德縣、越西縣、甘洛縣和樂(lè)山市金口河區(qū)、峨邊縣、沙灣區(qū)、市中區(qū)、峨嵋山市共10個(gè)地區(qū)。線路穿越川西高原與四川盆地的過(guò)渡地帶，沿線屬川西南山地地貌區(qū)，海拔高程400～3 500 m。線路途徑區(qū)域礦藏資源豐富，埋藏淺，易引雷。

1.2.2? ? 地閃密度

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各年密集落雷區(qū)段有所不同，沿線地閃密度最高的區(qū)段如表1所示。

查詢《國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)雷區(qū)分布圖》（2020年版）[1]顯示，線路沿線地閃密度為B2、C1級(jí)，與實(shí)際地閃密度C2、D1級(jí)差異較大。經(jīng)咨詢四川電科院，因原來(lái)部分地區(qū)雷電探測(cè)站點(diǎn)少，站間距大，導(dǎo)致雷電探測(cè)精度不足，《國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)雷區(qū)分布圖》（2020年版）不能準(zhǔn)確反映實(shí)際數(shù)值。近年來(lái)，雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)逐年增多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也逐年提升，能為今后的輸電線路防雷設(shè)計(jì)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，500 kV東天一二線沿線實(shí)際地閃密度遠(yuǎn)高于國(guó)網(wǎng)雷區(qū)分布圖，實(shí)際運(yùn)行平均雷擊跳閘率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DL/T 2209—2021《架空輸電線路雷電防護(hù)導(dǎo)則》[2]規(guī)定的控制參考值0.14次/（百公里·年）。因此，提高輸電線路耐雷水平，對(duì)于保障線路安全運(yùn)行很有必要。

2? ? 防雷措施

根據(jù)《國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)<防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2023版）>的通知》（國(guó)能發(fā)安全〔2023〕22號(hào)，以下簡(jiǎn)稱“二十五項(xiàng)反措（2023版）”）及行業(yè)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，對(duì)于500 kV及以上電壓等級(jí)線路，設(shè)計(jì)階段應(yīng)計(jì)算線路雷擊跳閘率，若大于控制參考值[折算至地閃密度2.78次/（km2·a）]，則應(yīng)對(duì)500 kV（750 kV）及以上電壓等級(jí)的超、特高壓線路按段進(jìn)行雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)高雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（Ⅲ、Ⅳ級(jí)）的桿塔采取防雷優(yōu)化措施。具體建議如下：

2.1? ? 減小地線保護(hù)角

根據(jù)二十五項(xiàng)反措（2023版）14.2.4條，在設(shè)計(jì)階段，500 kV交流線路處于C2及以上雷區(qū)的線路區(qū)段，其保護(hù)角設(shè)計(jì)值減小5°。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，500 kV單回線路保護(hù)角度不宜大于10°，500 kV東天一二線實(shí)際地線保護(hù)角為耐張塔9°、懸垂塔8°。

《電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè) 架空輸電線路設(shè)計(jì)》[3]中山區(qū)線路繞擊率計(jì)算如下：

log Pθ=α/86-3.35

式中：Pθ為山區(qū)線路的繞擊率；α為避雷線對(duì)邊導(dǎo)線的保護(hù)角；ht為桿塔高度。

由上式可知，地線保護(hù)角越小，線路繞擊率越低。

經(jīng)測(cè)算，減小地線保護(hù)角后，桿塔重量變化如表2、表3所示。

根據(jù)表2、表3可知，受導(dǎo)地線偏移影響，直線塔保護(hù)角度減小到-7°比5°時(shí)塔重更有優(yōu)勢(shì)，耐張塔保護(hù)角度減小到-6°和5°時(shí)塔重基本相當(dāng)。建議將直線塔和耐張塔均減小到負(fù)保護(hù)角，可有效降低線路繞擊率。

2.2? ? 加強(qiáng)線路絕緣

根據(jù)DL/T 2209—2021《架空輸電線路雷電防護(hù)導(dǎo)則》，對(duì)于500 kV及以下電壓等級(jí)線路，可采取加強(qiáng)線路絕緣的措施。根據(jù)線路桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)程度不同，絕緣子（串）長(zhǎng)度宜加長(zhǎng)10%～20%。

考慮500 kV線路絕緣子片數(shù)較多，且受限于通用設(shè)計(jì)桿塔電氣間隙。參考西藏地區(qū)相同海拔線路絕緣配合配置原則，在滿足通用設(shè)計(jì)桿塔電氣間隙的前提下，絕緣子長(zhǎng)度可增加10%，即絕緣子片數(shù)增加4片，按《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》相交法計(jì)算了高海拔區(qū)段線路跳閘率，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，加強(qiáng)絕緣后，線路雷擊跳閘率滿足DL/T 2209—2021《架空輸電線路雷電防護(hù)導(dǎo)則》要求。

2.3? ? 降低接地電阻

對(duì)一般高度的桿塔，降低接地電阻是提高線路耐雷水平、防止反擊的有效措施。現(xiàn)行規(guī)范對(duì)桿塔接地電阻也提出了明確要求，同時(shí)根據(jù)《關(guān)于印發(fā)<四川省電力公司電網(wǎng)裝備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（試行）>的通知》（川電生技〔2010〕229號(hào)）第7.6.7條，建議500 kV輸電線路接地電阻按表5要求執(zhí)行。

四川高海拔區(qū)域沿線氣候條件惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，重冰區(qū)、無(wú)人區(qū)相對(duì)較多，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，建設(shè)施工難度大，且生態(tài)環(huán)境相對(duì)較脆弱。部分區(qū)段表層土質(zhì)主要由碎石土及巖石組成，因此土壤電阻率值普遍較高，特別是地形陡峭段土壤電阻率值極高。為減小施工難度，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，保證線路接地質(zhì)量，在接地電阻難以滿足要求時(shí)，可考慮加裝接地模塊、緩釋型離子接地體以及石墨基柔性接地體等多種型式接地裝置。其中緩釋型離子接地裝置用于土壤電阻率很高、場(chǎng)地狹窄、常規(guī)射線不便敷設(shè)的地區(qū)；石墨基柔性接地體施工不用水，施工方便、耐腐蝕，且降阻效果好。

2.4? ? 加裝線路避雷器

對(duì)減小地線保護(hù)角、加強(qiáng)線路絕緣、降低接地電阻實(shí)施較困難或代價(jià)較高的線路，可加裝線路避雷器。根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，500 kV線路一般選擇安裝帶支撐件間隙線路避雷器。

目前，線路避雷器已在西藏高海拔地區(qū)廣泛應(yīng)用，如500 kV川藏聯(lián)網(wǎng)工程、500 kV阿里聯(lián)網(wǎng)工程等。考慮到近年來(lái)高海拔地區(qū)雷擊事故頻發(fā)，可參考西藏地區(qū)同類工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，由于可研階段暫未開(kāi)展終勘定位工作，難以提供線路詳細(xì)數(shù)據(jù)，故建議在可研階段計(jì)列避雷器設(shè)備及安裝費(fèi)用（一般按10%～30%塔基數(shù)量計(jì)列）和雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估費(fèi)用，在初步設(shè)計(jì)階段開(kāi)展雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估各相雷擊跳閘率結(jié)算結(jié)果，對(duì)高雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（Ⅲ、Ⅳ級(jí)）的桿塔加裝線路避雷器。

3? ? 結(jié)論及建議

1）在設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)一步收集雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)線路沿線實(shí)際地閃密度，對(duì)于C2及以上雷區(qū)的線路區(qū)段地線保護(hù)角設(shè)計(jì)值按減小5°設(shè)計(jì)。

2）在高海拔區(qū)域，對(duì)于線路絕緣配置可參照西藏地區(qū)同類工程進(jìn)行適當(dāng)提高，根據(jù)通用設(shè)計(jì)桿塔型式，結(jié)合桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)程度不同，絕緣子（串）長(zhǎng)度宜加長(zhǎng)10%～20%。

3）對(duì)于場(chǎng)地狹窄及土壤電阻率較高的塔位可采取加裝接地模塊、緩釋型離子接地體以及石墨基柔性接地體等綜合措施，以進(jìn)一步降低桿塔的接地電阻。

4）對(duì)線路雷擊跳閘率大于控制參考值的線路進(jìn)行雷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)高雷害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（Ⅲ、Ⅳ級(jí)）的桿塔采取加裝線路避雷器等防雷優(yōu)化措施。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 國(guó)家電網(wǎng)公司.國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)雷區(qū)分布圖（2020年版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2020.

[2] 架空輸電線路雷電防護(hù)導(dǎo)則：DL/T 2209—2021[S].

[3] 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè) 架空輸電線路設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2019.

收稿日期：2023-09-22

作者簡(jiǎn)介：張磊（1987—），男，湖北宜昌人，工程師，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。