架空输电线路防雷讲义(演示版).doc

湖北电网架空输电线路防雷1 湖北电网雷害情况输电线路地处旷野，纵横交错，绵延数千里，很容易遭受雷击。雷击是造成线路跳闸停电事故的主要原因，同时雷击线路形成的雷电过电压波，沿线路传播侵入变电站，也是危害变电站设备安全运行的重要因素。电网中的事故以输电线路的故障占大部分，而架空输电线路的供电故障一半是雷电引起的。我国线路运行的大量统计数据表明，无论是高压或超高压的输电线路，雷害故障占线路故障的40%70%，因此必须十分重视输电线路的雷电过电压及其保护问题。1.1湖北输电线路雷害特征1.1.1 雷电活动的季节特征湖北的雷雨最早从每年的1月开始，最迟到12月结束，且7、8月达到高峰（见图1）。其中春季和夏季雷雨天气较多，此时不仅落雷密度大，而且雷电流幅值高，线路遭受雷击跳闸集中发生在每年的4月-8月。1.1.2 湖北地区雷击多发区的划分湖北地区向东方向和中部江汉平原地势平坦，雷害活动较少，北部、西部和南部山区、丘陵地带是雷害活动频发区域，这主要包括宜昌、襄樊、十堰、随州、咸宁、黄石。黄石地区由于地下金属矿产丰富，引雷作用较为明显。各地区根据多年来线路雷击跳闸情况结合雷电定位系统划分雷击多发区，湖北输电线路90%的雷害均发生在各自的雷击多发区。荆州由于地处江汉平原，雷害较少，雷击点分散，雷击多发区特征不明显。下图为湖北省各地区落雷密度图。 宜昌 鄂州 黄冈 黄石 荆州 十堰 咸宁 襄樊 孝感 荆门 武汉 随州图2 湖北各地区1998年2007年年平均落雷密度分布图根据各地区落雷密度统计并结合运行经验，划分的雷击多发区，见表1。表1 各单位划分的雷击多发区单位雷击多发时间雷击多发区地形地貌武汉3月8月黄陂、武湖、花山、九峰、东西湖、郭徐岭河湖与湿地交汇宜昌6月9月长阳、五峰、远安、三峡坝区、红花套山区荆州3月9月雷击多发区不明显湖泊河网荆门6月8月胡集镇（处于磷矿区）、麻城（处于膏矿区）、双河镇、张河镇、东宝山、永兴镇、沙洋烟沟镇、高阳。矿区襄樊4月9月枣阳、黑龙集、茨河、吴集、艾家沟山地、丘陵十堰7月8月武当山、黄龙滩、郧西地区和丹江水库水库、山区随州5月7月徐家河水库周边丘陵孝感5月10月大悟山区（铜矿、磷矿）、应城（盐矿、膏矿）、安陆北部丘陵、孝感城区南部、云梦山区、矿区黄冈4月8月天堂山区、塘峰至大埠一带、白莲河水库周边地区、蕲州至武穴、大吉至黄石一带、茅江至江岩丘陵、山区鄂州4月8月鄂冈至郎家畈、汀周至碧石（铁矿）丘陵、矿区黄石7月8月黄荆山脉、东方山、云山、天台山、紫金山、石家湾、俞家山山区咸宁6月8月温泉潜山、汀泗桥鞍山段、汪庄余段、洪下段、琅桥山区输变电4月9月大冶磁湖（矿区）、阳新龙岗（山区）、鄂州东沟镇、咸宁通山（山区）、大悟山区、黄石东方山、恩施矿区、山区超高压4月9月山地、丘陵从调研的情况看，根据落雷密度与运行经验确定的雷击多发区基本一致。宜昌、襄樊、十堰、随州、黄石、咸宁是防雷重点地区。1.2湖北输电线路雷击跳闸总体情况从国网公司、华网公司、湖北电力公司近几年统计情况看，在输电线路跳闸总次数中，由雷击引起的线路跳闸占第一位。表2 20052007年度220kv及以上输电线路跳闸统计单位时间雷击跳闸次数总跳闸次数雷击跳闸占总跳闸百分比（%）国网公司2005451125835.920065751338432007686148346.3华网公司200516139640.7200620140150.1200725748353.2湖北电网2005246636.42006305653.62007276144.3从表2可以看出雷击引起的线路跳闸占输电线路总跳闸次数的近一半，因此，要降低输电线路跳闸率，首先要降低线路雷击跳闸次数。1.3 近几年国网、华网和湖北220kv500kv输电线路雷击跳闸率指标对比图3 20052007年国网、华中、湖北500kv输电线路雷击跳闸率湖北500kv线路雷击跳闸率近三年呈波动现象。但三年平均跳闸率为0.136次/100km.年，低于国网和华网公司平均水平，也低于运行规程0.14次/100km.年的要求。图4 20052007国网、华网、湖北220kv输电线路雷击跳闸率图5 19992003年湖北220kv输电线路雷击跳闸率湖北220kv线路9年以来，年雷击跳闸率均小于规程规定的220kv线路0.315次/100km.年，并长期维持在0.22-0.26次/100km.年之间。经过老旧线路改造和杆塔地网整治后，雷击跳闸率近三年呈下降趋势。从图3、4、5可以看出湖北电网220kv500kv输电线路雷击跳闸率近几年不仅低于规程要求，且与国网、华网相比，也处于较低的水平，其中2007年220kv、500kv线路雷击跳闸率均低于国网、华网平均水平。说明湖北电网输电线路雷击跳闸情况总体来说不高。1.4 20052007年湖北省各供电公司雷击跳闸率情况图6 20052007年湖北各单位500kv线路雷击跳闸率从统计结果看，湖北500kv线路雷害，在很大程度上，取决与雷电气候变化，年平均0.136次/百公里年已接近0.14次/百公里年规定值。图7 20052007年湖北各单位220kv线路雷击跳闸率湖北220kv线路雷击跳闸率20052007年呈逐年下降趋势。但宜昌、襄樊、十堰、黄冈、随州、黄石和咸宁在近三年内，线路跳闸率均有超过0.315次/百公里年规程限值。图8 1998年2007年年平均落雷密度(个/km2年)从1998年2007年年平均落雷密度分布图看，湖北宜昌、襄樊、十堰、随州、黄石、咸宁属于雷电活动多发区，与线路遭受雷击跳闸规律一致。鄂州由于近年来加强杆塔地网整治和绝缘子检测及更换，耐雷水平提高，220kv线路已连续20012007年6年未发生跳闸。黄冈不属于雷电活动多发区，但雷击跳闸率偏高，特别是天路线2007年发生3次雷击跳闸。1.5湖北电网现有防雷技术管理选择评价1.5.1 防雷技术管理湖北省电力公司每年投入大量的费用，对线路地网和绝缘子进行改造和更换，特别是通过老旧线路的技改，普遍反映改造后的线路跳闸率降低，各供电公司对输电线路防雷工作较为重视。1.5.2 绝缘子和地网湖北各线路维护单位，近年来加大了对绝缘子零值检测、更换和杆塔地网改造工作，目前全省220kv及以上线路绝缘子运行状态良好。各供电公司近年来大量使用复合绝缘子（含雷击多发区线路），主要考虑降低线路维护工作量，但复合绝缘子耐雷水平比同等安装长度的瓷或玻璃绝缘子低，根据规程要求，在雷击多发区域，不宜使用复合绝缘子。我省黄石、十堰的事例也早已验证。1.5.3 雷电定位系统的应用我省雷电定位系统自1998年运行至今，已积累了可靠的基础数据，可以用于事故定量分析，使用雷电定位系统进行事故点查找，能节省大量人力,有助于分析事故原因，采取有效的防雷措施，降低雷害。但部分单位在应用雷电定位系统技术水平有待进一步提高。1.5.4 雷击形式的判断我省部分单位对线路雷击事故的分析不到位，主要是分不清楚雷击线路路径是绕击还是反击。因此，提出的措施针对性不强，使采取的综合防雷措施一再增加，这也是投入加大但雷击跳闸率居高不下的主要原因之一。今后各单位对雷害事故的分析，须明确雷击形式。1.5.5 耦合地线 耦合地线对防绕击效果好，我省在咸宁等少数杆段使用耦合地线后，未再发生雷击事故。1.5.6 可控避雷针的应用可控避雷针作为一种较为有效的防雷手段，基本要求是在雷击多发区的线路（段）上连续安装。但现场普遍存在只对雷击过的杆塔进行分散安装，未能充分发挥可控避雷针的防雷效果。2 输电线路雷击形式分类 由于输电线路所经地区的地形、地貌、雷电活动情况以及线路自身的防雷设计和绝缘水平不同，雷击引起的故障原因各不相同。如果不能正确区分雷击形式没有针对特殊地段采取特殊的防雷措施，难以收到较好的防雷效果。通过调研发现部分单位生产人员，尤其是基层工作人员对于雷击输电线路引起线路跳闸，雷击形式分析不明。因此有必要对雷击输电线路的一些基本概念进行阐述。正确区分雷击形式对于我们采取有效而准确的防雷措施有着重要的作用。线路雷害事故的形成一般要经历如下阶段：在雷电过电压作用下，线路绝缘发生闪络，然后从冲击闪络转化为稳定的工频电弧，引起线路跳闸。由大气中的雷云对架空输电线路放电引起的过电压称为雷电过电压，其持续时间大多在几十微秒。输电线路上出现的雷电过电压主要有两种，即为感应雷过电压和直击雷过电压。2.1感应雷过电压雷闪击中输电线路附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的输电线路上感应出的过电压称为雷电感应过电压。发生在架空输电线路上的雷电感应过电压，经实测，过电压峰值最大可达300400kv。对35kv及以下钢筋混凝土杆线路，可能造成绝缘闪络；但对于110kv及以上线路，由于绝缘水平较高，一般不会引起闪络。2.2直击雷过电压雷闪直接击中输电线路引起的过电压称为直击雷过电压。直击雷按击中线路设备的部位又分为3种:雷击于杆塔顶部及靠近杆塔的地线,即常说的反击雷；绕过避雷线击于导线，即绕击雷；雷击于避雷线档距中央。雷击避雷线的档距中间且与导线发生闪络引起跳闸的情况是及其罕见的，因此直击雷防护主要是反击过电压和绕击过电压的防护。反击是雷击线路杆塔或避雷线时造成塔顶电位升高，对导线发生闪络，使导线出现过电压；绕击是雷电绕过避雷线直接击中导线，在导线上引起的过电压。实际运行经验表明，不同电压等级输电线路雷击跳闸的主要原因不同。110kv线路雷电过电压主要是反击造成的；220kv线路绕击和反击造成线路跳闸的机会基本相当；500kv超高压输电线路雷电过电压主要是绕击造成。3 如何区分雷击形式正确查找线路雷击跳闸原因，判断是因绕击还是反击，对我们采取有效防雷措施至关重要。因为不同的雷击形式，所采用的防雷措施是不相同的，反击有反击的防范措施，绕击有放绕击的措施，只有正确判断雷击形式，采取有针对性的防治措施，才能在线路防雷工作上取得事半功倍的效果。区分雷电的绕击和反击,可通过现场故障表象、耐雷水平、雷电流的测量以及雷电定位系统提供的数据来进行综合分析判断。绕击的发生有一些共同特点，例如故障都发生在边相、杆塔走向为山区大跨越、导线上有明显灼痕、被击杆塔地线无烧损痕迹等。反击一般有下列特征：多相故障一般是由反击引起，水平排列的中相或上三角排列的上相故障一般是由雷电反击引起。线路绕击和反击的特点描述参见下表。表 绕击与反击判断方法项目反击绕击接地电阻大小雷电流大小及电流路径雷电流较大易反击，电流由地端流向导线（电弧起始点在绝缘子上方）雷电流较小易绕击，电流由导线流向地端（电弧起始点在绝缘子下方）闪络基数及相数一基多相或多基多相单基单相或多基同相闪络类别水平排列中相或上三角排列上相水平或上三角排列边相故障现象金具、绝缘子、杆塔等有明显放电痕迹导线上有灼痕、被击杆塔地线无烧伤痕迹地形地貌一般山坡杆塔的边坡外侧及山顶杆塔 要说明的是，该表是反映雷电反击和绕击的一些有效经验，不可作为雷击故障原因的绝对判据。雷击原因应结合杆塔耐雷水平、周边地形地貌、地线保护角、现场放电痕迹、雷电流测量和雷电定位系统数据来进行综合分析判断。判断输电线路雷击形式要现场实际与理论相结合并通过雷电定位系统提供的相关雷电参数综合分析。有时线路遭受雷击跳闸有绕击引起，却错误地降低接地电阻，浪费了大量的人力和物力，效果却不明显。一条线路跳闸率高是什么原因，要根据具体情况及线路运行经验仔细分析，这样才能采取合理有效措施，保证系统安全可靠运行。4 防雷电绕击和反击的具体措施4.1防绕击措施(1)减小避雷线的保护角是预防绕击的主要措施之一。对于新设计线路，在雷电活动较强的山区线路应采用较小的保护角或负保护角。 (2)在杆塔或地线上安装防绕击避雷针针，以防护进入杆塔侧面避雷线屏蔽失效区的低空雷电先导，补充避雷线屏蔽的不足。(3)增加杆塔绝缘。线路绕击耐雷水平与线路绝缘的50%放电电压密切相关，其表达式是i=2u50%/z，式中i是能引起绕击的最小雷电流；z是线路波阻抗。从式中可看出，增加线路绝缘(如增加绝缘子片数)对减少绕击数是有利的。（4）线路型氧化锌避雷器。但线路避雷器价格高、运行维护工作量大。因此，在使用线路避雷器作为防雷手段时，一般选择在土壤电阻率高、降阻困难线段，且应根据运行经验在雷击易闪杆塔安装，切实起到防雷作用。线路避雷器既可防反击又可防绕击。4.2防反击措施(1)降低杆塔接地电阻是预防反击的主要措施之一。(2) 架设耦合地线。架设耦合地线能在雷击杆塔时起分流作用和耦合作用，降低杆塔绝缘子串上承受的电压，提高线路的耐雷水平。(3)线路型氧化锌避雷器。(4) 增加杆塔绝缘。(5)安装可控放电避雷针。5 各种防雷措施对耐雷水平的影响对于输电线路，发生绕击与发生反击所采取的防雷措施是不同的，因此防雷措施应因地制宜，根据输电线路遭受雷击形式，确定有效的防雷措施。采取的常规防雷措施包括：降低杆塔接地电阻、加强线路绝缘、采用线路避雷器、架设耦合地线等。5.1降低杆塔接地电阻对线路耐雷水平的影响5.1.1 220kv输电线路的几种常用典型塔型计算耐雷水平的计算雷击塔顶时反击耐雷水平的计算公式为： （1）式中 计及电晕影响的耦合系数；杆塔对雷电流的分流系数，一般长度档距220kv、500kv线路双避雷线杆塔分流系数取0.88； 杆塔接地电阻； 杆塔电感，h，铁塔杆塔电感为0.50h/m； 导线平均高度，m；塔头绝缘（绝缘子串或塔头间隙）50冲击放电电压。从式(1)可知，雷击杆塔时的耐雷水平与分流系数b、杆塔等值电感lgt、杆塔接地电阻rch、导地线间的耦合系数k和绝缘子串的50冲击闪络电压u50%有关。对一般高度的杆塔，增大导地线间的耦合系数k可以减少绝缘子串上的电压，可以提高耐雷水平；同样增加绝缘子片数以增大线路u50%冲击闪络电压，同样也可以提高耐雷水平。但是接地电阻上的压降对绝缘子串两端电压影响最大，降低杆塔接地电阻rch能最有效地提高线路的耐雷水平。对于220kv输电线路：绝缘子串长：2.2m；导线弧垂： 12m；避雷线弧垂：7m；地线半径： 5.5mm(1)220kv酒杯型(zb)铁塔 图 220kv酒杯型(zb)铁塔(mm)(a)计算避雷线与导线间的耦合系数避雷线的平均高度为导线的平均高度为与中相导线相比，由于与避雷线之间的耦合系数小，边相导线上的过电压更为严重，故取边相导线作为计算条件。避雷线对外侧导线的耦合系数k0为0.229经电晕修正后耦合系数为： (b)计算等值电感杆塔等值电感为： (c)耐雷水平由式（1），r=10,雷击杆塔时的耐雷水平i1为(d) 保护角tg=1700/5700 =16.6在上面计算中，分流系数b、杆塔等值电感lgt、冲击电晕系数k1和绝缘子串的50冲击闪络电压u50% 均可从有关规程查得。不同条件下的耐雷水平计算结果见表。绝缘子片数50冲击闪络电压u50%(kv)接地电阻()耐雷水平(ka)保护角1313005119.616.61092.71575.42064.03048.9图 接地电阻与耐雷水平(2) 220k猫头塔图 220kv猫头铁塔(mm)耐雷水平i1 及保护角根据相同方法计算可以算出,见表。绝缘子片数50冲击闪络电压u50%(kv)接地电阻()耐雷水平(ka)保护角1313005123.6111096.11578.72066.53050.8图 接地电阻与耐雷水平(3) 220kv上字(zs)型拉线塔图 220kv上字型拉线塔(mm)耐雷水平i1 及保护角根据相同方法计算可以算出,见表。表绝缘子片数50冲击闪络电压u50%(kv)接地电阻()耐雷水平(ka)保护角131300595.626.11074.11560.32050.93039.1图 接地电阻与耐雷水平(4) 220kv v(zvl1)型拉线塔图 220kv v型拉线塔(mm)耐雷水平i1及保护角根据相同方法计算可以算出,见表。表绝缘子片数50冲击闪络电压u50%(kv)接地电阻()耐雷水平(ka)保护角1313005131.618.810100.11581.72067.8 3051.2图 接地电阻与耐雷水平5.1.2 500kv输电线路的几种常用典型塔型计算绝缘子串长：5m；导线弧垂： 12m；避雷线弧垂：8m；地线半径： 5.7mm（1）500kv酒杯型塔图 500kv酒杯型铁塔(mm)不同条件下的耐雷水平计算结果见表。绝缘子片数50冲击闪络电压u50%(kv)接地电阻()耐雷水平(ka)保护角2824005176.11010142.315119.420102.83080.5图 接地电阻与耐雷水平（2）500kv猫头型塔图 500kv猫头铁塔(mm)耐雷水平i1 及保护角根据相同方法计算可以算出,见表。表绝缘子片数50冲击闪络电压u50%(kv)接地电阻()耐雷水平(ka)保护角2824005165.56.910134.715113.62098.23077.2图 接地电阻与耐雷水平（3）耐张塔图 500kv承力铁塔(mm)耐雷水平i1 及保护角根据相同方法计算可以算出,见表。绝缘子片数50冲击闪络电压u50%(kv)接地电阻()耐雷水平(ka)保护角2824005162.513.710130.915110.02094.43073.8图 接地电阻与耐雷水平通过线路常用典型杆塔耐雷水平计算，可以看出：(1) 对于220kv线路13片绝缘子时，当接地电阻小于15时，耐雷水平满足规程规定的220kv耐雷水平75110ka的范围；500kv线路28片绝缘子当接地电阻小于15时，耐雷水平满足规程规定的500kv耐雷水平125170ka的范围。(2) 从计算结果可知，湖北主网线路杆塔接地电阻在不大于10的情况下，耐雷水平有大幅度的提高，因此降低杆塔接地电阻是必须的。(3) 对于单根避雷线的上字型杆塔耐雷水平计算，接地电阻必须小于10以下，否则防雷效果较差，不宜在多雷区使用。5.2增加线路绝缘对线路耐雷水平的影响对于一般高度(约40m以下)的220kv酒杯型(zb)铁塔，绝缘子片数13片，50冲击闪络电压u50%为1410kv。116001700256003500 图 220kv酒杯型(zb)铁塔(mm)避雷线的平均高度为导线的平均高度为与中相导线相比，由于与避雷线之间的耦合系数小，边相导线上的过电压更为严重，故取边相导线作为计算条件。避雷线对外侧导线的耦合系数k0为0.229经电晕修正后耦合系数为杆塔等值电感为： 杆塔分流系数为：b0.88。耐雷水平由式（1），r=10,雷击杆塔时的耐雷水平i1为当增加两片绝缘子后50冲击闪络电压u50%约为1627kv，耐雷水平为：0.224结果分析通过对湖北主网线路常用220kv酒杯型(zb)铁塔耐雷水平计算，可以看出：对13片绝缘子，当接地电阻为10时，耐雷水平为100.6ka，当增加两片绝缘子后耐雷水平为115.8ka，耐雷水平增加15；对于500kv输电线路绝缘子片数由28片增加3片到31片时可使雷击跳闸率降低10%。通过适当增加绝缘子片数，可以提高线路绝缘水平和耐雷水平。对已建成投运的线路，除考虑投资因素外，还会受制于杆塔头部的结构及尺寸。故在满足线路正常运行和内过电压要求的前提下，只能在有限的范围内加强绝缘，因此这种方法采用不多，只是在高海拔地区和雷电活动强烈地段，可以考虑适当加强绝缓。5.3增加耦合地线对线路耐雷水平的影响在土壤电阻率很高、杆塔接地电阻难降、杆塔机械强度允许的情况下,可考虑在导线下方增设耦合地线。以500kv线路为例。加挂耦合线后500kv输电线路杆塔计算模型s1、s2为避雷线，a、b、c为导线，e为耦合地线。加挂耦合线后的耦合系数计算对于500kv输电线路，在其导线下方（或其附近）加挂耦合线，耦合线的耦合系数可按下面方法计算。设有两根避雷线（1、2）、一根耦合地线（3）及一根导线（4），则根据公式可得两根避雷线一根耦合地线对导线的几何耦合系数为： 根据上图所给计算模型，可以计算出加挂一根耦合线后500kv输电线路三根地线对边相导线的几何耦合系数。下表为根据计算模型所算出的值。表 有耦合线与无耦合线时值（