500kV同塔四回輸電線路全線雷擊特性研究

國網江蘇省電力有限公司建設分公司 劉志偉 趙會龍 劉 巍 茅鑫同 揚州北辰電氣集團有限公司 周 俊

為提升輸電線路走廊利用效率、提高輸電線路的經濟性，同塔多回輸電線路已成為遠距離輸電的重要方式[1]。相比于傳統的單回輸電線路，同塔多回輸電線路桿塔高度高、引雷面積大、線路布置更加復雜，因此更容易發生雷擊事故[2-4]。而且，由于多回輸電線路布置在同一桿塔上，當遭遇較大雷電流時，容易發生多回輸電線路同時跳閘的情況，造成大面積停電和電力設備損壞[5]。

因此，輸電線路雷擊特性對筑牢電網生產安全具有重要的作用。為了準確獲取同塔多回輸電線路雷擊特性，需要結合線路實際條件，對全線輸電線路進行分析。本文通過統計虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線路的桿塔結構參數、沿線雷電活動參數等，分析了線路沿線的繞擊和反擊特性。

據長期的運行經驗表明，同塔多回輸電線路因為回路數較多、檔距長、桿塔高，客觀上就導致電網輸電線路遭受的雷擊風險高且越來越多，一旦出現一次雷擊線路的跳鬧問題，都能給電力系統產生極強的擾動，同時還會導致輸電線路的設備出現損毀、發生線路停運的狀況，嚴重的甚至可能會出現大面積的停電事故，必定會給社會造成經濟損失和不利的社會影響。因此，保證500kV 同塔多回輸電線路的安全穩定運行，是擺在電力工作者面前的難題。

據統計，近年來500kV 高壓輸電線路雷擊跳閘次數，呈逐年遞增的態勢。因此，對輸電線路雷電繞擊進行分析，對于影響同塔多回輸電線路防雷性能的敏感因素：地面傾角、接地電阻、保護角、導線的排列方式等進行研究分析是十分必要的。本文通過統計虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線路的桿塔結構參數、沿線雷電活動參數等，分析了線路沿線的繞擊和反擊特性，對全線輸電線路進行雷擊閃絡風險評估，進而制定相應的防雷措施。

1 500kV 同塔四回輸電線路簡介

虞城換流站-玉山500kV 輸電線路起自虞城換流站的500kV 構架，止于玉山500kV 變電站，途經江蘇省常熟市、蘇州市相城區和昆山市。其中，500kV 華能/石牌-車坊雙回線路走廊新建同塔四回線路，長度為14.4km，采用六層橫擔布置。四回路段跨越地形以平地和河網為主，沿線總共36基桿塔，其中直線塔占比53%，耐張塔占比47%，全線均架設有兩條避雷線。本文基于沿線桿塔幾何特性和不等高懸掛模型，利用MATLAB 模擬全線輸電線路（圖中“1”為避雷線，“2～7”為各層導線）的高度分布情況如圖1所示。

圖1 虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線路避雷線和各層導線的高度分布

2 500kV 同塔四回輸電線路雷擊特性

本文基于改進電氣幾何模型進行繞擊耐雷水平和繞擊跳閘率計算，并基于ATP-EMTP 建模進行反擊耐雷水平和反擊跳閘率計算，分析全線輸電線路的繞擊和反擊特性，其中輸電線路繞擊跳閘率N和反擊跳閘率n 的計算公式如下：

式中：η 為建弧率，Ng為地閃密度，Td為雷暴日數，LD為線路長度，Zs為暴露距離，f（I）為雷電流幅值分布函數，ρ（φ）為入射角分布密度函數，b 為避雷線的水平距離，hb為避雷線對地平均高度，g 為擊桿率，PI為雷電流幅值大于反擊耐雷水平的概率。

由圖2和圖3可知，虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線路全線路平均繞擊跳閘率（Nave）為0.067次/100km·a-1，其中超出平均值20%（120%Nave）的線路有7段，超出50%（150%Nave）的線路有3段。對于同塔四回輸電線路而言，第三層線路發生繞擊的概率最大，約為78%，其次是第二層線路和第五層線路，其余線路發生繞擊跳閘的概率很小。其原因在于桿塔第三層橫擔相對比較突出，受地線和上層導線的屏蔽作用較弱，導致暴露弧較大，繞擊風險增加。第一層、第四層線路和第六層輸電線路分別受到地線、第三層線路和大地的良好屏蔽作用，所以繞擊跳閘率較低。

圖2 500kV 同塔四回輸電線路雷電繞擊特性

圖3 輸電線路各層導線的繞擊跳閘率

由圖4可知，全線路平均反擊跳閘率（nave）為0.033次/100km·a-1，超出平均值的桿塔有20基，且#85、#97、#101、#112、#111、#112的反擊跳閘率相對較高，均超過0.063次/100km·a-1。其中，直線塔第二層和耐張塔第一層線路最易發生反擊。結合輸電線路的繞擊特性和反擊特性，可以得到全線路綜合雷擊特性，如圖5所示。虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線路綜合雷擊跳閘率為0.10次/100km·a-1，低于《110（66）kV～500kV 架空輸電線路管理規范》中的指標（0.14次/100km·a-1）；而超出規范值的共有3基桿塔，均為直線塔（#97、#111、#112桿塔，其原因在于上述3基桿塔高度較高，約為140m，從而易于發生雷擊事故。另外，統計發現，直線塔的平均雷擊跳閘率為0.084次/100km·a-1，顯著高于耐張塔的0.05次/100km·a-1。

圖4 500kV 同塔四回輸電線路雷電反擊特性

圖5 500kV 同塔四回輸電線路全線路綜合雷擊特性

3 主要防雷措施分析

對于500kV 同塔四回輸電線路，防雷擊同跳事件是輸電線路防雷的工作重點，且在進行輸電線路設計的初期應嚴格采用“差異化防雷”的思想和策略，并采用合理的雷擊輸電線路仿真模型和計算方法，評估500kV 同塔四回輸電線路的耐雷性能，進而制定針對性防雷保護措施。

3.1 減小保護角

通過對雷電繞擊影響因素的分析，減小避雷線的保護角，或者采用負保護角，可以有效提高導線受避雷線的屏蔽作用，從而降低架空輸電線路發生繞擊的概率，減小保護角降低防雷的措施主要用于輸電線路改造工程和新建線路設計工程。

3.2 降低桿塔沖擊接地電阻

通過對雷電反擊影響因素的分析，降低桿塔沖擊接地電阻，可以有效提高輸電線路的反擊耐雷水平，從而降低輸電線路發生反擊的概率。對于我國平原地區，尤其是土壤電阻率相對較低的地區，常規的接地設計，其桿塔沖擊接地電阻均能滿足要求。

3.3 安裝線路避雷器

安裝線路避雷器是指在線路上安裝避雷器，使避雷器與絕緣子串構成并聯，以提高輸電線路的反擊耐雷水平，降低輸電線路發生反擊的概率。相比其他防雷措施，安裝線路避雷器在防雷保護原理上更好、保護效果更顯著，但其防雷保護范圍僅為安裝線路避雷器處、兩基桿塔之間的一個檔距范圍。

3.4 其他

除以上常見的防雷措施外，當桿塔沖擊接地電阻降低較難實現時，可在導線下方另架設一根地線進行防雷，即架設耦合地線法。另外，還可通過安裝并聯間隙裝置、避雷針等防雷裝置對輸電線路防雷進行較好的補充，最終降低輸電線路的雷擊跳閘率。

4 結論

為了準確獲取同塔多回輸電線路雷擊特性，本文通過統計虞城換流站-玉山500kV 同塔四回輸電線路的結構參數、沿線雷電活動參數等，利用MATLAB 編程和ATP-EMTP 搭建全線仿真模型，計算了全線路的雷電繞擊和反擊特性，并制定相應的防雷措施，研究發現：一是全線路平均繞擊跳閘率為0.067次/100km·a-1，平均反擊跳閘率為0.033次/100km·a-1。其中，第三層導線易發生繞擊，直線塔第二層和耐張塔第一層導線易最先發生反擊。二是全線綜合雷擊跳閘率為0.10次/100km·a-1，低于規程規范中的指標0.14次/100km·a-1。直線塔的平均雷擊跳閘率高于耐張塔，尤其是#97、#111、#112直線型高桿塔的雷電反擊跳閘率較高。

本文針對500kV 同塔四回輸電線路全線雷擊特性的研究可為防雷措施提供理論依據，但并未對不同防雷措施對桿塔的反擊耐雷水平和反擊跳閘率進行試驗比對分析，下一步可結合全線路雷擊特性和各種防雷措施的優缺點，選擇防雷的最優措施來提升高風險桿塔的防雷性能。