输电线路覆冰拆地线后避雷器选型问题研究

邹建章， 张 宇， 胡 京， 张敦晶， 周龙武

(1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院, 南昌 330096; 2.南昌大学, 南昌 330031)

0 引言

地线严重覆冰或与导线不同期脱冰导致其与导线绝缘距离不足引起的线路跳闸事件时有发生，是引起线路冰害故障的重要原因之一[1-2]。国网公司相关文件规定，对特殊区段，在确保电网安全的条件下，可采取拆除地线的措施。

在输电线路中，地线的主要作用是防止雷电直接击中导线，并对击中杆塔的雷电流进行分流，以降低雷电过电压水平。地线拆除对线路防雷性能有直接负面影响，为保证地线拆除后线路应有的防雷水平，须额外采取其它防雷措施。从防雷保护的可靠性和效果出发，建议安装线路避雷器。理论分析表明，无地线情况下线路避雷器通流及能量吸收情况有明显变化，对避雷器通流能力、配置方案提出特殊要求。

笔者主要对地线拆除对线路防雷性能影响、以及无地线情况下线路避雷器通流能量等问题进行研究，指导线路避雷器合理选型及安装，保证线路避雷器的安全可靠运行和防雷保护效果。

1 地线拆除对线路防雷性能影响分析

1.1 地线拆除对线路防雷性能影响

拆除地线对线路防雷性能影响在防反击和防绕击两个方面均有体现：

防反击方面。没有了地线的分流，雷击塔顶的雷电流全部由杆塔入地，更大的雷电流会在杆塔横担处产生更高的过电压，增加线路绝缘闪络的风险；同时，由于没有了地线的耦合作用，同等雷电流下绝缘子串两端的电位差会上升，更容易发生闪络。

防绕击方面。由于地线的屏蔽作用，一方面限制了能够绕过地线击中导线的最大雷电流Ik，使得能够造成绕击跳闸的雷电流只能在绕击耐雷水平I2和最大绕击雷电流Ik之间，大大减少了绕击危险雷电的数量；另一方面由于地线的屏蔽作用，部分入射角度的雷电流会被屏蔽[3]。取消地线后，在直击雷中，除击中杆塔外，其它均击中导线，当雷电流超过其绕击耐雷水平I2时，绝缘子串就会发生闪络，此种情况下，线路的绕击跳闸率将大幅上升。

由于缺少了地线的屏蔽，所以输电线路绕击跳闸率计算的电气几何模型法已不适用，此处反击和绕击跳闸率的计算均采用规程法。

在中性点直接接地系统中，一般高度的铁塔，无避雷线线路的雷击跳闸率计算公式见式(1)[4]：

n=Nη[gP1+(1-g)P2]

(1)

式中：N为每年每100 km线路的雷击次数，次/100 km·年；η为建弧率；g为线路击杆率；P1为超过雷击杆塔时耐雷水平I1的雷电流概率；P2为超过雷击导线时耐雷水平I2的雷电流概率。

(2)

(3)

其中：U50%为绝缘子串的50%冲击放电电压，kV；Rsu为杆塔冲击接地电阻，Ω；ha为横担对地高度，m；ht为杆塔高度，m；Lt为杆塔电感，μH；hav为导线平均高度，m。

雷电流幅值超过I的概率可按式(4)计算：

(4)

式中：P为雷电流幅值概率；I为雷电流幅值，kA。

1.2 地线拆除前后线路防雷性能计算

以某包含6基杆塔的220 kV线路段为例，线路防雷性能计算参数见表1，导线型号为LGJ-240/30，地线型号为GJ-70，为便于比较，设定地闪密度为标准地闪密度2.78次/平方公里·年。

表1 防雷性能计算参数Table 1 Calculation parameters of lightning protection performance

有地线情况下线路的反击和绕击耐雷性能见表2。

表2 有地线防雷性能计算结果Table 2 Calculation results of lightning protection performance with ground wires

将各杆塔计算结果按档距加权求和，有地线时，220 kV试验线的反击跳闸率为0.400 2次/(100 km·a)，绕击跳闸率为0.031 8次/(100 km·a)，雷击跳闸率为0.432 0次/(100 km·a)。

无地线情况下线路的反击和绕击耐雷性能见表3。

表3 无地线防雷性能计算结果Table 3 Calculation results of lightning protection performance without ground wires

将各杆塔计算结果按档距加权求和，无地线时，220 kV试验线的反击跳闸率为1.220 9次/(100 km·a)，绕击跳闸率为15.250 5次/(100 km·a)，雷击跳闸率为16.471 4次/(100 km·a)。

由计算结果可见，取消地线后线路的反击和绕击跳闸率均大幅上升，其中绕击跳闸率的上升尤为明显，与理论分析结果吻合。因此，为防止冰害故障而拆除地线后，为控制线路雷害水平，必须采取其它防雷措施，从防雷保护效果和可靠性角度出发，优先选择线路避雷器[5-6]。

2 无地线情况下线路避雷器分流系数推导

无地线时，输电线路直击雷分雷击杆塔和雷击导线两种情况，以下分别对两种情况下线路避雷器支路的分流系数进行推导。

1)雷击杆塔

雷击杆塔顶部，雷电流有两条分流路径，一是通过“杆塔—接地电阻”分流，分流系数为βrgt；二是通过“避雷器—导线”分流，分流系数为βd。其等值电路见图1。图中Lgt为杆塔电感；Rch为杆塔冲击接地电阻；Ld为避雷器保护相导线杆塔两侧相邻档的电感并联值；igt为“杆塔—接地电阻”分流；id为“避雷器—导线”分流。

图1 雷击杆塔顶部时的等值电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of lightning stroke on top of tower

经过整理，得到“避雷器—导线”分流系数βd计算公式为

(5)

式中：τ1为雷电流的波头长度，取τ1= 2.6 μs。

2)雷击导线

雷击导线，雷电流有两条分流路径，一是通过“导线—避雷器—杆塔—接地电阻”分流，分流系数为βrd1；二是通过另一侧导线分流，分流系数为βrd2。其等值电路见图2。Lgt为杆塔电感；Rch为杆塔冲击接地电阻；Lrd1为绕击点至线路避雷器段导线的电感；Lrd2为绕击点另侧导线的电感,；ird1为“导线—避雷器—杆塔—接地电阻”分流；ird2为另一侧导线分流。

图2 雷击导线时的等值电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of lightning stroke on conductor

经过整理，得到“导线—避雷器—杆塔—接地电阻”分流系数βrd1计算公式为

(6)

式中：τ1为雷电流的波头长度，取τ1= 2.6 μs。

3)典型线路避雷器分流系数计算

选取典型220 kV线路及杆塔，取线路的档距为400 m，导线的雷击点距线路避雷器100 m，计算参数见表4。

表4 典型220 kV线路及杆塔计算参数Table 4 Calculation parameters of typical 220 kV lines and towers

计算得到：雷击杆塔时，“避雷器—导线”分流系数βd为0.093；雷击导线时，“导线—避雷器—杆塔—接地电阻”分流系数βrd1为0.713。

由以上计算可以得出两个结论：一是雷击杆塔时小部分雷电流从线路避雷器分流，雷击导线时大部分雷电流从线路避雷器分流；二是无地线情况下，雷击杆塔时线路避雷器分流较有地线时有所增加，雷击导线时线路避雷器分流与有地线时基本相当[7-8]。

3 线路避雷器通流容量分析

由线路避雷器分流系数公式可知，无地线情况下，雷击杆塔时线路避雷器支路分流增加；雷击导线时避雷器支路分流系数基本不变，但是根据电气几何模型，有地线情况下绕击雷电流有上限，对于220 kV线路杆塔而言，典型值为40 kA，超过该幅值的雷电流理论上无法击中导线[9]，而无地线情况下，不存在该上限值，理论上超过杆塔绕击耐雷水平的雷电流均可能造成线路跳闸[10-11]。

有、无地线时线路避雷器通流情况不同，为定量比较有、无地线时线路避雷器的通流及能力吸收情况，建立了ATP-EMTP仿真模型[12-13]，见图3。仿真的最大雷电流幅值取100 kA，统计表明超过该幅值的雷电流占比在3%以下[14]，可涵盖绝大部分实际工况。

图3 雷击无地线线路ATP仿真模型Fig.3 ATP simulation model of lightning strick without ground wires

无地线情况下，雷击杆塔和导线时线路避雷器端电压和电流典型波形见图4、图5。

图4 雷电流击中杆塔时避雷器电压电流波形Fig.4 Voltage and current waveform of arrester when lightning current hit tower

图5 雷电流击中导线时避雷器电压电流波形Fig.5 Voltage and current waveform of arrester when lightning current hit conductor

不同雷电流击中杆塔时，有、无地线情况下线路避雷器通流情况见图6，能量吸收情况见图7。取消地线后，由于少了地线的分流作用，避雷器分流及吸收能量显著增加。以100 kA及以下雷电流为计算参数，无地线情况下，避雷器最大通流为有地线时的2.3倍，避雷器最大吸收能量为有地线时的11倍。

图6 雷击杆塔，有、无地线情况下线路避雷器通流情况Fig.6 Current of line arrester with and without ground wire when lightning hit tower

图7 雷击杆塔，有、无地线情况下线路避雷器能量吸收情况Fig.7 Energy absorption of line arrester with and without ground wire when lightning hit tower

不同雷电流击中导线时，有、无地线情况下线路避雷器通流情况见图8，能量吸收情况见图9。

图8 雷击导线，有、无地线情况下线路避雷器通流情况Fig.8 Current of line arrester with and without ground wire when lightning hit conductor

图9 雷击导线，有、无地线情况下线路避雷器能量吸收情况Fig.9 Energy absorption of line arrester with and without ground wire when lightning hit conductor

由于地线的屏蔽作用，一般220 kV线路杆塔最大绕击雷电流不超过40 kA，在40 kA及以下雷电流击中导线时，有、无地线对避雷器通流及能量吸收无明显影响。无地线情况下，线路避雷器通流及吸收能量较有地线情况大幅增加的主要原因是可击中导线的雷电流幅值已无上限。以100 kA及以下雷电流为计算参数，无地线情况下，避雷器最大通流为有地线时的2.6倍，避雷器最大吸收能量为有地线时的3.6倍。

综上，取消地线后，线路避雷器通流及吸收能量较无地线时均大幅增加，在开展避雷器选型时对其通流能力需结合自身需要重点考虑。

4 无地线情况下线路避雷器配置方案

地线的拆除一般以耐张段为单位，线路避雷器配置需考虑耐张段内杆塔和耐张段外邻近杆塔两种情况。

1)耐张段内杆塔避雷器配置方式

雷击杆塔时，取消地线后由于没有了地线的分流，通过杆塔入地电流显著增加，各相反击耐雷水平均下降，更易发生反击跳闸；雷击导线时，由于没有了地线的屏蔽，各相均存在雷击风险，都存在绕击跳闸的可能性。因此，对于耐张段内杆塔，三相都应该加装线路避雷器。

2)耐张段外邻近杆塔避雷器配置方式

雷击杆塔时，对于耐张段内悬垂杆塔，由于没有地线，基本不会影响邻近杆塔；对于耐张段两端耐张杆塔，由于缺少了一侧地线的分流，向另一侧地线及杆塔的分流会增加，可能引起耐张段外第1基杆塔跳闸。

雷击导线时，60 kA雷电流击中耐张段内边缘导线时，耐张段内已安装线路避雷器杆塔绝缘子不发生闪络，但耐张段外邻近杆塔绝缘子发生闪络，仿真波形见图10。因此，为避免发生雷击跳闸，耐张段外邻近1基杆塔也应三相安装线路避雷器。

图10 耐张段内及邻近杆塔绝缘子电流波形(注：虚线为耐张段内杆塔；实线为邻近1基杆塔)Fig.10 Insulator current waveform of strain sectioninside and adjacent tower

综上，在地线拆除后，为避免发生雷击跳闸，整个耐张段所有杆塔及耐张段前后1基杆塔均应该安装线路避雷器，并且三相均安装。

5 结 论

1)地线拆除对线路防雷性能产生重大影响，会大幅降低线路防雷水平，必须采取额外防雷措施，建议加装线路避雷器。

2)无地线情况下，雷击杆塔时，“避雷器—导线”分流系数为0.093，较有地线时有所增加；雷击导线时，“导线—避雷器—杆塔—接地电阻”分流系数为0.713，与有地线时基本相当。

3)相比于有地线情况，无地线时线路避雷器通流及吸收能量均有大幅增加。以100 kA及以下雷电流为计算参数，雷击杆塔时，无地线情况下避雷器最大通流为有地线时的2.3倍、避雷器最大吸收能量为有地线时的11倍；雷击导线时，无地线情况下避雷器最大通流为有地线时的2.6倍、避雷器最大吸收能量为有地线时的3.6倍。在开展避雷器选型时对其通流能力需结合自身需要重点考虑。

4)在地线拆除后，为避免发生雷击跳闸，整个耐张段所有杆塔及耐张段前后1基杆塔均应该安装线路避雷器，并且三相均安装。