220kV架空输电线路防雷分析及对策

孟昭显，胡晓黎，戴卫华，付广学，段玉兵，张皓

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南，250002；2.国网山东省电力公司临清市供电公司，山东临清，252600）

0 引言

本文重点对某省电网近五年220kV线路雷击故障进行了统计分析，从而找出了某省电网输电线路雷击故障特点，本文总结出了雷击故障原因及存在的问题，并列举了典型雷击线路治理案例，提出了有效的防雷措施及对策。

1 某省电网近5年雷击故障基本情况

1.1 雷击故障情况

某省电网近5年管辖220kV线路雷击跳闸率分别为0.082、0.128、0.148、0.055和0.122次/百公里·年，2013年220kV线路雷击跳闸率最高，为0.148

次/百公里·年。小于架空输电线路运行规范规定的0.315次/百公里·年。该指标近5年均未超规范规定。

1.2 线路分布情况

根据统计分析，220kV线路发生重复跳闸的共15条，这些线路大部分虽已在易击段安装了避雷器。但未按照差异化的防雷思路对线路的接地电阻、加装侧向避雷针等影响防雷的重要因素进行整改，造成重复跳闸。

1.3 时间区域分布情况

从时间分布上看，雷击跳闸主要集中在6到8月。按照故障杆塔所处的地域进行分类，近5年，该省中部丘陵和中部山区雷击跳闸次数最多，分别是24和19次。

2 某省电网近五年220kV架空线路故障停运情况

2.1 雷击跳闸类型

102次线路雷击跳闸中，除17次是反击跳闸外，绕击跳闸有85次，占比达83.3%。考虑到线路中单回塔数量较双回塔多，故同塔双回绕击跳闸率高于单回。

2.2 雷击故障杆塔所处地形特点

位于山区的杆塔发生雷击跳闸率较高。线路雷击故障杆塔所处地形为平地的占40.2%，所处地形为山区的占59.8%。

2.3 绕击故障与杆塔保护角的关系

线路保护角越大发生绕击跳闸的概率越大，保护角10°及以上的线路跳闸数占跳闸总数的63.5%。一般情况下，在发生雷电时，往往伴有大风等恶劣天气，使输电线路和避雷线的保护角易发生变化。同时，山区输电设备由于山坡地形的影响会引起线路边导线保护范围的变化，边坡角度的加大会引起屏蔽失效的区间增大，位于山区的线路,一般档距较大，档距中央导线受避雷线保护的区域变小，即失效区变大。

2.4 雷击故障与杆塔接地电阻的关系

102次线路雷击跳闸中，17次是反击跳闸，反击跳闸中由于杆塔接地电阻不合格造成跳闸14次，占比82.35。

2.5 地理特征

某省的两个地市分别处于中部山区和中部丘陵，是该省雷击跳闸最多的两个地区。从某省雷区分布图可以看出这两个地市绝大部分地区处于多雷区，绕击和反击雷害风险都在Ⅲ级，甚至部分地区达到Ⅳ级。近5年某省平均地闪密度为2.10次/平方公里 年，这两个地市的地闪密度分别为2.43和3.10次/平方公里 年，均超出了某省平均地闪密度。另外，处于中部山区的该地市土壤中金属含量较高，也是容易引雷的一个重要原因。

3 某省电网220kV线路雷击故障特点

3.1 山区线路故障率高

山区线路由于特殊的地理环境，成为雷击的易击区段。位于上顶的杆塔易遭雷直击，加上杆塔接地电阻偏高，容易造成反击。位于山坡上的杆塔，由于地面倾角使靠近坡底的边相保护角增大，导致避雷线保护失效而对导线产生绕击。另外，在两山峰之间易形成大跨越段，线段下方为几十米的深沟，易形成风口；同时，两档距较大，导线弧垂大，风偏严重，在大风情况下，避雷线失去对导线的保护，雷电绕击导线档距中央，形成雷电行波在线路绝缘相对较弱的杆塔绝缘子处发生击穿，导致线路跳闸。

3.2 山区线路保护角取值偏大

山区输电线路由于山坡地形变化会引起线路避雷线保护范围的变化，斜山坡地形会引起屏蔽失效的区域增大。根据近年来输电设备雷击跳闸情况分析，山区线路由于雷电绕击引起的跳闸的较多，而保护角取值较大或未随地形进行改进是造成屏蔽失效的主要原因。

3.3 山区杆塔接地电阻取值较高

对于同一电压等级的架空输电线路，随着杆塔接地电阻的增加，雷击塔顶时塔顶电位升高程度增加，绝缘子承受过电压增加，特别是运行多年且未得到良好维护的线路就显得更为突出。污秽较重的绝缘子，其雷电冲击水平会有明显下降，一般可下降6%-10%。最严重时可下降15-35%。线路的反击耐雷水平严重下降。雷击跳闸率显著增加。

4 某省电网220kV线路防雷主要对策

4.1 影响绕击的因素分析及主要对策

图1

根据模拟试验与运行经验, 绕击率Pa即绕击概率与避雷线对导线外侧的保护角α、杆塔高度h以及沿线路的地形地貌地质条件有关, 可按以下近似公式计算:

有上式可知, 影响绕击的因素主要是依赖于线路的设计水平，在线路运行中整改的难度较大，经过实践，有效的方法是在线路上加装可控放电避雷针或侧向避雷针，可控放电避雷针的原理是使主针针头电场发生畸变，诱发雷电上行先导，拦截雷电下行先导，保护导线免遭雷击。侧向避雷针主要是通过在杆塔或地线上安装水平测针，以增强杆塔和地线吸引弱雷的能力，增加雷击保护范围，降低线路绕击率。

某省山区220kV线路，雷击故障后对现场进行勘察，该线路的保护角在设计规程范围内，接地电阻经测量满足接地要求，但仍然发生绕击故障，经过对线路加装塔头和架空地线侧向避雷针，线路运行良好。

4.2 影响反击的因素分析、典型线路举例及主要对策

4.2.1 影响反击的因素分析

雷电塔顶反击时的耐雷水平:

I =U50%/ (bRj+ bLgt/2.6+ hd/2.6)(1-k)从上式可以看出，反击耐雷水平与导、地线间的耦合系数k、杆塔分流系数β、杆塔冲击接地电阻Ri、杆塔等值电感Lgt以及绝缘子串的50%冲击放电电压等诸多因素有关。但在实际工程中, 往往以降低杆塔冲击接地电阻作为提高线路耐雷水平的主要手段。

4.2.2 典型线路举例及主要对策

该省2015年4月某位于山区的220kV线路两套纵联保护动作，B相跳闸，重合成功。故障时间该区域雷电活动强烈，通过对雷电智能监测系统进行查询，该线路87#-88#观测落雷100.1kA，运行单位故障巡线发现#88塔B相合成绝缘子上、下均压环均有烧伤痕迹，检查接地引下线与塔脚接触点均无放电烧伤痕迹，导、地线无损伤。该线路88#塔位于山坡上，周围比较空旷，并且故障相为外边坡侧边相，故障地形属于典型的山峰外侧线路。综合以上分析，并经运行支撑单位专家最终认定，此次故障是因雷雨天气，接地电阻不合格，反击造成绝缘子上、下均压环空气间隙击穿导致，本次雷击故障为雷电反击。

图2

雷电流幅值超过杆塔设计耐雷水平是本次线路雷击跳闸的主要原因。《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定：220kV杆塔接地电阻15Ω时，杆塔对应耐雷水平为76kA，山区线路跳闸率允许值为0.95次/百公里·年。本次线路跳闸，雷电流幅值为-100.1kA，而实测接地电阻为24Ω，超过该杆塔设计耐雷水平。这是导致本次线路跳闸的直接原因。

从图中可以看出，杆塔周围石头多，仅有极少量土，很大程度上影响了接地电阻的进一步降低。当杆塔接地装置不能符合规定电阻时，针对周围的环境条件、土壤和地址条件，应因地制宜，结合局部换土、电解离子接地系统、扩网、引外、利用自然接地体、增加接地网埋深、垂直接地极等降阻方法的机理和特点，进行经济技术比较，选用合适的降阻措施。

对经常遭受反击的杆塔在进行接地电阻改造时，每基杆塔不连避雷线时的工频接地电阻，在雷季干燥时应小于表1所列数值。

表1

针对土壤电阻率较高的情况，运行部门经过对故障现场周围进行勘察，决加装接地模块，经过反复勘察，在方圆200米内选择了4个最佳地点装设接地模块，装设过程中砸入钢钉，连接的圆钢全部挖沟埋设。进过治理，该线路近几年未发生由于反击造成的雷击故障。

5 结束语

本文在分析某省电网近五年220 千伏线路雷击故障的基础上，总结出了雷击故障特点。本文针对故障特点进行了详细分析，给出了有效的解决对策，并列举了典型雷击线路治理案例，为以后的雷击故障治理工作提供了重要参考。