浅谈110kV双回路同塔架设线路防雷

摘要

输电线路防雷的基本任务是采用技术上与经济上合理的措施将雷击事故减少到可以接受的程度，以保证供电的可靠与经济性。

关键词

输电线路 双回路 防雷

1综述

电力系统雷害事故中，以线路的事故占很大的比例。为了能够保证安全供电，输电线路防雷是一个很重要的问题。线路防雷的基本任务是采用技术上与经济上合理的措施将雷击事故减少到可以接受的程度，以保证供电的可靠与经济性。输电线路防雷性能的优劣主要由耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。

本次讨论的是双回路同塔架设。双回路同塔架设必然使得杆塔较高（对比单回路架设），这样一来就产生了以下几个问题：

1） 线路引雷面积增大；

2） 杆塔电感增大；

3） 绕击的几率增大；

4） 雷击易造成双回路同时跳闸。

故防雷设计对整个线路是否能够安全运行就显得非常重要。

雷电流超过线路耐雷水平，引起冲击闪络，冲击闪络之后建立起工频电弧，引起线路跳闸。

架空线路上出现的大气过电压有两种，一种是由于雷直击线路引起的，称为直击雷过电压；另一种是雷击线路附近地面，由于电磁感应引起的，称为感应雷过电压。实测证明感应雷过电压一般不超过500kV,110kV线路的绝缘水平较高，感应雷过电压一般不会引起闪络事故，故本次线路防雷的分析只针对直击雷过电压。

结合实际工程经验，本次主要从以下几个方面进行防雷的分析：

1）雷直击导线问题；

2）雷击避雷线时对导线的反击问题；

3）防止雷击塔顶时对导线的反击问题；

4）两回线路同时跳闸的问题。

2绕击的分析

绕击是引起线路绝缘闪路的主要形式，如何尽可能的减少绕击的几率就显得尤为重要。

雷闪绕过避雷线而直接击中导线，称之为绕击。 发生绕击的概率称为绕击率Pa。《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）C8规定山区线路:

α-保护角；

ht-杆塔高度。

对于山区110kV线路，Pa一般小于1%。虽然绕击率很小，绕击导线的可能性不大，但一旦发生绕击，所产生的雷电过电压很高，即使是绝缘水平很高的超高压线路也难免闪络。

雷电绕击率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及高压送电线路经过的地形、地貌和地质条件有关。山区高压送电线路的绕击率约为平地高压送电线路的3倍。山区设计送电线路时不可避免会出现大的跨越、大高差档距,这是线路耐雷水平的薄弱环节；一些地区雷电活动相对强烈,使某一区段的线路较其它线路更容易遭受雷击。参考杭州永德电气有限公司所做的《线路防雷专题技术报告》，并根据绕击原理，可知雷电绕击故障一般有下列特征:

1)雷电绕击一般只引起单相故障；

2)导线上非线夹部位有烧融痕迹(有斑点或结瘤现象或导线雷击断股)的,一般是雷电绕击引起；

3)水平排列的中相或上三角排列的上相导线一般不可能雷电绕击跳闸；

4)水平或上三角排列的边相或鼓形排列的中相有可能雷电绕击；

5)雷电绕击电流与导线保护角和杆塔高度有关,当雷电流幅值较大时,绕击的可能性较小。

6)山腰上杆塔的迎风侧。这是因雷云被风刮至杆塔处，受山的阻挡在杆塔处积累所至；

7)雷雨时迎风侧双回路的中下相。

本次绕击分析采用国际上最新的雷屏蔽理论。这一理论是由H•R•Aemstong和E.R.Whitehead首先提出的，此理论认为：雷云向地面发展过程中，先导放电通道的头部在到达被击物体的闪击距离(即击距)之前，不确定击中点，而是先到达哪个物体的击距之内，即向该物体放电，先导对避雷线(杆塔)、导线、地面的击距相等。据此，在输电线路的避雷线及导线周围空间可分为3个区域，构成一个电气几何模型。电气几何模型是以“闪击距离”rs的概念为基础的，所谓闪击距离就是雷电先导头部与地面目标间的临界击穿距离，此击穿距离与先导头部电位有关，先导头部电位与先导中的电荷有关，后者又决定了随后出现的雷电流幅值，因此，“闪击距离”rs与雷电流幅值Ii有直接关系，根据《高压输变电设备和绝缘配合、高电压试验技术》，其关系式如下：

式中Ii以kA计，rs以m计。

在分析避雷线屏蔽效果的电气几何模型(见下图)中，由圆弧AiBi、BiCi和直线CiDi形成的曲线在沿线路方向组成一曲面，此曲面称为定位曲面，雷电流幅值Ii的先导到达定位曲面前，其发展不受地面物体的影响，仅当它下行到定位曲面时才受地面物体的影响而定位。若Ii的先导落在AiBi弧上，则将雷击避雷线；若落在BiCi弧上，则将雷击导线（即发生绕击）；若落在CiDi线上，则将雷击大地；因此由AiBi弧和BiCi弧组成的曲面分别称为避雷线和导线对雷电流Ii的捕雷面，而水平面CiDi为地面的捕雷面。AiBi弧和BiCi弧交点的轨迹为导线与地线连线的垂直平分线，BiCi弧与CiDi线的交点轨迹为一抛物线，中垂线与抛物线将整个空间分为三部分，中垂线以上部分是击中地线区，中垂线与抛物线所包围的区域为击中导线区（即绕击区），抛物线以下部分是击中地面区。随着雷电流幅值的增大，BiCi弧逐渐减小，雷电流幅值增大至Isk时，BiCi弧则缩减为零，相当于Isk

的闪击距离为临界闪击距离rsk,雷击时，若雷电流大于Isk值，则不可能发生绕击。

该理论分析地线屏蔽效果的电气几何模型如图3.1所示：

从图中3―1的电气几何模型，我们可以清楚地看出影响绕击率的各种因素的性质。并非所有的绕击都能引发绝缘子串的闪络，只有绕击电流大于线路的耐雷水平 时，导线绝缘子串才会发生闪络。因此雷电流等于线路耐雷水平时的闪击距离 可将图3-1中的绕击区分为两个部分，如图3-2。

图3-2中的区域I虽有绕击，但不会发生绝缘闪络；区域II为绕击闪络区。

综以上述，降低线路的绕击率有以下几个途径：

1）减小线路的防雷保护角。目前实际工作中，双回铁塔一般采用0度防雷保护以减小线路临界闪击距离 ；该方法是减少绕击最有效的方法；

2）降低杆塔的高度，以减小线路临界闪击距离 ；

3）加强线路绝缘，以增大线路的 。

3 反击的分析

3.1 雷击避雷线时反击的分析

当避雷线接地点的反射波尚未来到雷击点时，雷击导线和雷击避雷线实际上一样的。

从雷击引起导、地线气隙击穿，雷击避雷线最严重的情况是雷击点处于档距中央时，因为这时从杆塔接地点反射回来的异号电压波抵达雷击点的时间最长，雷击点上的过电压幅值UA最大。根据《高压输变电设备和绝缘配合、高电压试验技术》（GB311.1～311.6-83）得：导、地线间的气隙发生击穿的临界条件为UA(1-k) =750s,考虑冲击电晕的影响时，k(耦合系数)≈0.25，所以：

L-档距；

s-档距中央导、地线间的空气间距。

我国标准从上式出发，结合多年来的运行经验作了修正，规定应有的s值为：s=0.012L+1（m）,长期运行经验证明，只要按此式来确定档距中央导、地线间的空气间距s，就不会发生此种雷击故障。

实际工程中，设计人员都会让所有档档距中央导、地线间距满足s=0.012L+1（m），故排除因雷击档距中央的避雷线引起的雷击闪络。

3.2雷击塔顶时反击的分析

反击最严重的条件为雷击杆塔的顶部，因为这时大部分雷电流将从该杆塔入地，产生的雷电过电压最高。

雷击杆塔顶时，线路绝缘子串上所受的雷电过电压包括了四个分量：

a.杆塔电流it在横担以下的塔身电感和杆塔冲击接地电阻上造成压降，使横担具有一定的对地电位；

b.塔顶电压沿着避雷线传播而在导线上感应出来的电压；

c.雷击塔顶而在导线上产生的感应雷击过电压；

d.线路本身的工频工作电压。

各电压分量的幅值均在同一时刻出现时，线路绝缘子串上所受的雷电过电压的幅值Uli最大，根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620-1997）C7规定，可按下式计算：

（3-2-1）

当作用在绝缘子串上的电压等于线路绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%时，绝缘子串将发生闪络，与这一临界条件相对应的雷电流幅值I就是这条线路雷击杆塔时的耐雷水平I1，雷击有地线线路塔顶时的耐雷水平I1(kA)可用3-2-2计算：

――绝缘子串正极省冲击放电电压的50%；

――导线与地线间的耦合系数；

――杆塔分流系数；

――杆塔冲击接地电阻；

――横担对地高度；

――杆塔高度：

――杆塔电感：

――地线平均高度；

――导线平均高度：

――导线与地线间的几何藕合系数；

要防止或减少雷击塔顶时绝缘子串的反击闪络，必须提高杆塔的耐雷水平

由式3-2-2 可见，当雷击塔顶时，可以通过以下几个方法来提高杆塔的耐雷水平：

1）降低杆塔高度

尽量控制杆塔高度，以达到减小杆塔的等值电感、提高杆塔耐雷水平的目的；

2）降低杆塔接地电阻

改进接地进一步降低接地电阻是提高杆塔耐雷水平的主要措施是众所周知的，其降低线路雷击跳闸率的效果也是比较显著的。实际工作中应尽量降低杆塔的接地电阻，使之不高于《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545 -2010）中对杆塔接地电阻的要求；随着杆塔高度的增加，雷击杆塔的次数就会增多，故对于全高超过40m的杆塔，一般要求其接地电阻为普通杆塔的接地电阻的一半，以降低雷击时作用在线路绝缘上的过电压，以及降低这种情况下的绝缘闪络概率。

3）加强绝缘强度

绝缘子片数越多，绝缘子串耐受冲击电压的能力越高，就越难引发绝缘子串的闪络。但同时绝缘子片数越多，同时也会造成塔头的尺寸越大，线路造价越高。因此只能适当增加绝缘子的片数。

4）增大耦合系数

作为一种补救措施，可在建成投运后雷击故障频发线段上，在导线的下方加装一条耦合地线，它虽然不能像避雷线那样拦截直击雷，但因具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而也能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。

但增设耦合地线，杆塔受力会相应增加，且对交叉跨越物距离相应减少，可实施性不大。

4 双回路同时跳闸的分析

双回线路因线路走廊占到少，近年来有一定发展。但因导线垂直排列，杆塔较高，线路反击耐雷水平一般比同电压、导线水平排列的线路要低。国内外此种线路的运行经验表明，会产生同塔双回线路的绝缘相继反击的现象，从而造成双回路同时跳闸。对于双回路线路而言，两回送电线路架设于同一杆塔上，当两回线路的同名相位位于杆塔的相对的位置，这时如其绝缘水平相当，雷击将会时跳闸，这种情况的发生，将对整个线路的输送可靠性产生较大的冲击。因而对双回路同时跳闸的分析就显得尤为重要。

双回路同时跳闸有两个必备条件：

1）跳闸两相位于杆塔的同一电位处；

2）跳闸两相的绝缘水平一致。

针对上述两个条件，我们主要从以下两个方面着手避免双回路同时跳闸的可能性。

4.1 导线排列方式

改变导线的相序排列方式，在遭雷击，可以使两回线路的同名相位于不同电位处，进而有效的减少双回路同时跳闸的几率。本报告所比较的几种导线排列组合见表4-1-1：

分析几种排列组合（绝缘水平相同）的防雷特性如下：

1）同相序排列的双回路由于双回路的2个上导线处于同一相位上，故当雷击杆塔或地线时，两回线路肯定会同时跳闸，及跳闸的几率为100%；

2）逆相序排列的双回路由于双回线的两个上导线的相位差为120度，其工作的电压的瞬态值一般是不相同的，当雷击杆塔或地线时，左右两边线路的上导线的绝缘子串两段的电压也是不同的，此时的电压差异可能使其中一回发生反击闪络，而两回线路同时闪络的概率就很小了，据统计该情况下，两回线路同时跳闸的几率约为20%，而异相序排列的双回路同时跳闸的几率几乎为0。但是考虑到异相序排列会对系统产生一些不利影响，故推荐双回导线采用逆相序排列方式。

4.2 绝缘配合

当两回线路采用不平衡绝缘时，可有效的降低双回同时跳闸的几率。

在日本，采用不平衡绝缘多为一回常规绝缘水平，另一回低于常规绝缘水平（常规绝缘水平的70～80%）。但运行经验表明，此时作法效果不大。主要原因是：当采用这种方式时，虽可以有效降低双回路同时跳闸的几率，但是因一回线路绝缘水平较低从而导致整个线路的跳闸率增加。

根据国内的一些线路的运行经验表明：如一回采用常规绝缘，一回高出常规绝缘，确实可使双回线路同时跳闸的概率降低，但无法完全消除同时跳闸事故，且如果两回线路的不平衡度小于20%的话，对降低两回线路同时跳闸的概率不是很有作用，而只有在平衡度大于20%的情况下才有效果。但是如果两回线路绝缘的不平衡度过大的话，就会使杆塔的塔头增加，以本线路来讲每基杆塔要增加2米左右，且横担长度还要增加，约增加塔重0.8吨，大约造成每千米造价增加2万元左右。综合考虑本工程不推荐采用不平衡绝缘的方式。

而当同时提高两回路的绝缘水平，即采用平衡高绝缘，可有效降低整个线路的跳闸的几率。于2009年投产运行的武广专线就采用了此种降低雷击跳闸的措施，运行至今从没发生雷害事故，受到运行单位的一致好评。故我们也推荐采用此种防雷措施。

5 结论

雷电活动是一个复杂的大自然现象，目前世界尚无一种防雷方法能够绝对保证被线路免遭雷击。线路防雷也只能说是尽量减少雷击对线路带来的危害。

结合实际工程运行情况，对于线路防雷设计有以下建议：

1）关于绕击，进一步优化塔头结构，对双回铁塔采用0度防雷保护角；

2）优化排杆，尽量降低整个线路的杆塔高度；

3）采用平衡高绝缘，以降低整个线路的跳闸的几率；

4）对双回线路采用相序排列的方式，以降低双回路同时跳闸的几率；

5）尽量降低杆塔的接地电阻，接地电阻不要高于表5-1的要求。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。