黃山山區(qū)110kV輸電線路防雷分析

張峻林+盛俊英+王震+金鑫

摘 要： 本文對(duì)地處黃山山區(qū)的110kV 大祁942線路雷擊跳閘情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了山區(qū)地形、避雷線保護(hù)角以及桿塔接地電阻對(duì)線路遭受雷擊概率的影響，提出改變桿塔接地電阻，引入新型防雷設(shè)備等策略提高線路耐雷水平降低雷擊跳閘率。

關(guān)鍵詞： 山區(qū)；輸電線路；雷擊；接地電阻

1 引言

雷電是一種由大量水滴的積雨云并伴隨強(qiáng)烈的高空氣流形成雷云，造成地面放電的一種自然現(xiàn)象，它作為一種強(qiáng)大的自然力的爆發(fā)是難以遏制的。雷電的釋放通常伴隨著強(qiáng)的電磁場(chǎng)和極大的電流沖擊，往往對(duì)地面建筑物、高壓輸電線路造成威脅[1]。雷擊對(duì)輸電線路的破壞主要表現(xiàn)為大的沖擊電流形成雷擊過(guò)電壓造成絕緣閃絡(luò)，更嚴(yán)重的雷擊會(huì)破壞電力設(shè)備絕緣性，造成停電事故。近年來(lái)氣候的反常引起了雷擊數(shù)量的增加，特別處于山區(qū)的高壓輸電線路，每年雷擊造成的輸電線路跳閘事故占線路跳閘總次數(shù)的50%～70%[2]，山區(qū)高壓輸電線路的防雷擊保護(hù)是線路防護(hù)重點(diǎn)。

2 110kV大祁輸電線路雷擊跳閘概況

黃山市位于安徽省最南端，介于東經(jīng)117゜02-118゜55和北緯29゜24-30゜24之間，南北跨度1゜，東西跨度1゜53。西南與江西省景德鎮(zhèn)市、婺源縣交界，東南與浙江省開化、淳安、臨安縣為鄰，東北與本省宣城市的績(jī)溪、旌德、涇縣接壤，西北與池州市的石臺(tái)、青陽(yáng)、東至縣毗鄰，屬中亞熱帶北緣、常綠闊葉林、紅壤黃壤地帶，以山地為主，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)。黃山地區(qū)降水多集中于5-8月，年平均雷暴日數(shù)為49天左右，對(duì)輸電線路的雷擊防護(hù)工作要求高。

110kV大祁942線路是安徽黃山境內(nèi)典型處于山區(qū)的高壓輸電線路，2007年開始投入運(yùn)行，線路總長(zhǎng)約40.53公里。地處黃山市西北部山區(qū)，線路走廊有95%以上為地形復(fù)雜的高山地形；橫跨多處高速公路、田地、河流，大跨度檔距較多；加之該地區(qū)土質(zhì)以黃壤、紅壤、風(fēng)化石等較為復(fù)雜，土壤電阻率較高；自投運(yùn)以來(lái)屬雷電跳閘事故多發(fā)線路。日益嚴(yán)峻的氣候環(huán)境加之線路地處山區(qū)導(dǎo)致該線路近幾年雷擊跳閘事故居高不下，2014年-2015年線路跳閘情況如表一所示：

近年來(lái)，大祁942線110kV輸電線路雷擊跳閘率有逐漸上升的趨勢(shì)，究其原因還是與地區(qū)氣候環(huán)境、線路所處山區(qū)地形以及桿塔接地電阻高等因素所造成的，要想降低線路雷擊跳閘率就要分析線路雷擊特點(diǎn)，進(jìn)行有針對(duì)性的防雷策略。

3 線路雷擊特點(diǎn)分析

為了更好的進(jìn)行線路防雷，我們對(duì)桿塔所處地理地形環(huán)境、避雷線保護(hù)角、線路既有防雷設(shè)備以及桿塔接地電阻情況進(jìn)行了調(diào)研，分析導(dǎo)致雷擊跳閘率高的各種潛在因素，以便為后續(xù)防雷策略提供新的思路。

1）山區(qū)地形的影響

110kV大祁942線路走廊地處山區(qū)，桿塔所處地形地理位置如圖1所示：從衛(wèi)星圖中可以看出線路桿塔大多位于山頂、山坡或接近水庫(kù)處，山區(qū)植被豐富，氣候潮濕，強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁是雷擊地閃形成的良好條件。處于山坡、山頂桿塔易與周圍物體形成絕對(duì)的高度落差，

周圍環(huán)境屏蔽效果差，根據(jù)雷電地閃形成原理，更易遭受雷擊。雷暴形成前，山風(fēng)會(huì)攜帶著很多霧狀水滴，在桿塔附近的坡側(cè)形成較大的回旋曖濕氣流，在雷云下行先導(dǎo)的作用下，形成上行先導(dǎo)引起雷擊線路，示意圖如圖2所示，這一微地形在雨季微氣候的作用下，處于山頂及山坡處桿塔遭受雷擊的概率將大幅度上升。

2）避雷線保護(hù)角的影響

避雷線在輸電線路中具有分流作用，以減小流經(jīng)桿塔的雷電流，從而降低塔頂電位；還能通過(guò)對(duì)導(dǎo)線的耦合作用可以減小線路絕緣子的過(guò)電壓；以及對(duì)導(dǎo)線的屏蔽作用還可以降低線路雷電繞擊率，在高壓線路桿塔架設(shè)避雷線是最基本的防雷措施[3]。避雷線一般是架設(shè)在鐵塔的頂部，與輸電線路的導(dǎo)線形成保護(hù)角，而減小保護(hù)角能有效增加避雷線屏蔽面，減小導(dǎo)線暴露面，降低雷電繞過(guò)避雷線擊中導(dǎo)線的概率，從而起到雷電防護(hù)的作用。對(duì)于山區(qū)高壓線路而言，線路遭受雷電繞擊的概率比平原地區(qū)高，根據(jù)規(guī)程試驗(yàn)以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，繞擊率Pα即繞擊概率與避雷線對(duì)導(dǎo)線外側(cè)的保護(hù)角、桿塔高度以及線路所處地形地貌條件有關(guān)，可以按公式（1）計(jì)算：

式中α為避雷線保護(hù)角，從公式關(guān)系可以看出，避雷線保護(hù)角越大，線路遭受雷電繞機(jī)的概率也更高，2014-2015年大祁942跳閘桿塔避雷線保護(hù)角如表二所示：在對(duì)該條線路避雷線

保護(hù)角的調(diào)研測(cè)算中，避雷的保護(hù)角大部分都是大于10°的，部分桿塔可達(dá)16°，現(xiàn)在我國(guó)對(duì)110 kV 線路避雷線的保護(hù)角建議采用0°， 特別是雷擊發(fā)生嚴(yán)重的多雷區(qū)線路， 有的甚至要求使用負(fù)保護(hù)角， 以擴(kuò)大避雷線的保護(hù)范圍。避雷線保護(hù)角過(guò)大會(huì)對(duì)線路屏蔽效果減弱，線路遭受雷電繞擊概率增加，最終導(dǎo)致的結(jié)果是雷擊跳閘率居高不下。

3）接地電阻的影響

根據(jù)標(biāo)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合DL/T 620—1997》，雷擊桿塔時(shí)，桿塔上絕緣承受的過(guò)電壓最大值為[4]：

如ul.i.m大于絕緣子串的50%沖擊放電電壓u50%，則將發(fā)生閃絡(luò)。取ul.i.m=u50%，即可求出雷擊桿塔頂部時(shí)的耐雷水平I1。

如取固定波頭長(zhǎng)度τt=2.6μs，則 ，此時(shí)耐雷水平為：

按照110kV輸電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，取u50%=800kV，Ri為7-15Ω，可得出110kV桿塔耐雷水平為41-63kA。從耐雷水平公式中我們可以看出，桿塔接地電阻的大小直接影響著線路的耐雷水平，2014-2015雷擊跳閘桿塔接地電阻值如表三所示：

雷擊跳閘桿塔接地電阻值都是大于10Ω的，導(dǎo)致線路耐雷水平無(wú)法達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，一旦有大電流經(jīng)過(guò)桿塔，必定導(dǎo)致線路跳閘事故。

4 防雷對(duì)策

輸電線路所處山區(qū)地形地理位置，雷電發(fā)生概率高，這是線路設(shè)計(jì)之初自身固有存在的問(wèn)題是難以避免的。避雷線保護(hù)角大，難以抵擋部分雷電的繞擊，要想降低保護(hù)角需要重新架設(shè)整條線路，這對(duì)于已建運(yùn)行輸電線路而言是不可取的，因?yàn)楦淖儽芾拙€保護(hù)角從施工難度和經(jīng)濟(jì)效益方面考慮是不明智的防雷改造方案。110kV大祁942線路大部分桿塔接地電阻大于10Ω，降低了線路的反擊耐雷水平，難以抵御大電流的沖擊，是線路雷擊跳閘率高的關(guān)鍵因素。要想提高線路耐雷水平降低雷擊跳閘率，結(jié)合線路調(diào)研分析，可以考慮以下兩點(diǎn)防雷策略：

1）降低桿塔接地電阻

塔頂電位的高低與接地電阻的大小密切相關(guān)，降低桿塔接地電阻是所有線路防雷最直接有效的方法。在高電阻率地區(qū)降低接地電阻值可采用多支線外延增加接地裝置，選擇潮濕肥沃的土壤置換，或采用接地網(wǎng)進(jìn)行灌澆降阻劑的方法降低桿塔接地電阻值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 充分利用現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)， 沿等高線做水平射線， 或在巖性地帶利用巖性裂縫鋪設(shè)水平接地體并施加銅包鐵接地棒，可有效地降低桿塔接地電阻[5]。

2）應(yīng)用新型防雷設(shè)備

近幾年大量應(yīng)用在云南、貴州的新型波阻式防雷設(shè)備具有很好的防雷效果反饋[6]，波阻式防雷設(shè)備的防雷思路是通過(guò)分析雷電沖擊的特性，把電磁“場(chǎng)”和電磁“波”的概念引入線路防雷電領(lǐng)域，通過(guò)設(shè)備中的防雷器件濾除危害頻率、阻礙尖峰傳輸、加強(qiáng)向外輻射、增大內(nèi)部衰減等精確控制雷電波的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電災(zāi)害的“避其害而順其勢(shì)”的防護(hù)，實(shí)現(xiàn)線路防雷從能量對(duì)抗到信息對(duì)抗。工程設(shè)計(jì)上通過(guò)影響雷電波的時(shí)間特性、頻率特性，影響雷電波的傳輸、沖擊，用電的方法難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以用磁的方法、電磁轉(zhuǎn)換的方法，影響雷電波的危害形成，最終設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電和操作過(guò)電壓等沖擊的有效控制。波阻式防雷設(shè)備能削減雷電波峰幅度可達(dá)30%以上，有效的降低作用于桿塔及其支持構(gòu)架的沖擊過(guò)電壓幅值，可同時(shí)對(duì)線路進(jìn)行反擊與繞擊保護(hù)，提高線路耐雷水平。并且，新型波阻式防雷器件是一個(gè)不在線的防雷設(shè)備，無(wú)需接入輸電線路，與桿塔原有防雷不沖突，可與現(xiàn)有防雷設(shè)備結(jié)合加強(qiáng)桿塔防雷能力。

5 結(jié)論

位于山區(qū)的高壓輸電線路，容易遭受雷電的反擊與繞擊，通過(guò)對(duì)110kV大祁942線的防雷應(yīng)結(jié)合線路走廊地形特點(diǎn)、地理位置、現(xiàn)有防雷措施、桿塔接地電阻等實(shí)際情況進(jìn)行逐線逐基桿塔的防雷分析，采取了加裝55套新型波阻式防雷設(shè)備、改造接地電阻的針對(duì)性的防雷綜合措施實(shí)施，2016年雷擊跳閘率降低了80%，取得了明顯的效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張峻林（1973-），男，本科，現(xiàn)就職于國(guó)網(wǎng)黃山供電公司，從事輸電線路運(yùn)維管理工作，聯(lián)系電話 05592937286，郵箱hs_zjl@sina.com