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1、高压输电线路防雷保护的若干问题杜澍春（中国电力科学研究院，北京）摘要：概述了线路雷电性能计算用参数和方法。讨论了各种改善线路雷电性能的措施。指出线路金属氧化物避雷器（MOA）在实践中的良好效果并对其应用提出了建议。关键词：输电线路；线路避雷器中图分类号：TM726.1;TM862输电工程伊始，架空输电线路和雷击跳闸一直是困扰安全供电的一个难题，雷害事故几乎占线路全部跳闸事帮1/3或更多。因此，寻求更有效的线路防雷保护措施，一直是世界各国电力工作者关注的课题。本文从分析我国输电线路雷击跳闸事故的经验和有关研究入手，重点讨论了线路雷击次数、雷电流幅值概率、线路常规防雷保护措施的效果，以及近年来涌现
2、的线路防雷用金属氧化物避雷器卓越的保护性能等有关问题，并对线路避雷器的应用提出了建议，供有关部门参考。1 与线路雷电性能有关的参数和线路耐雷水平的计算方法1、1雷电流幅值累积概率分布1979年我国标准1就线路防雷计算的基本参数雷电流幅值累积概率分布给出了计算式。该式是基于我国各地实测的1205个雷电流数据整理出来的。限于当时条件，其绝大多数雷电流数据是利用磁钢记录器由多塔电流相加而得，但实际上各塔雷电流峰值并非在同一时刻出现，这就使得相加结果明显偏大。我国220kV新杭线经20多年的现场获得了非常宝贵的数据2。由106个雷击塔顶的雷电流幅值测试数据推出的概率分布公式为IgP1 =-I/87.6
3、 （ 1）式中，I为雷电流，kA；P1 为雷电流超过I的累积概率。参照上式，1997年的标准3采用以下公式作为我国雷电流幅值概率分布的计算公式IgP1 =-I/88 （ 2）对除陕南以外的西地区、内蒙古自治区的部分地区（这类地区的平均年雷暴日数一般在20及以下）的雷电流幅值的累积概率分布公式，参照以前标准的处理方法：在式（2）的基础上，对等概率的雷电流值减半。图1给出了式（2）及国外发表的雷电流概率数据曲线。图中，曲线3为ANDERSON-ERIKSSON的对数正态分布4 ，曲线2为IEEE输电线路雷电性能工作级报告推荐曲线 5 ，曲线1为对应本文式（2）的曲线。由图可见，当雷电流在50kA以
4、上时则三条曲线相当接近。由于我国雷电流数据直接取自线路杆塔塔顶上测雷专用小避雷针，因而数据是相当可信的。1、2 地面落雷密度和线路收集雷击宽度以前的标准中，对地落雷（即每km2每个雷暴日D平均雷击地面的次数）取为0.015/km2.D1 。近年来我国一些单位的雷电定位系统（LLS）的测量表明，多数情况下=0.09-0.1。在国外最小值为0.06。实际上，值与年平均雷暴日数Td有关6 。一般来说，若Td 变大，则也随之变大。由于我国幅员辽阔，Td 的变化很大，如西北格尔木的Td仅为0.3，而海南省的澄迈高达133。因此，在标准中仍取用同一值是不妥当的。经过对我国35-220kV共9400km.a
5、架空线路雷害事故统计得出的Td 和之间的非线性关系6 进行比较（参见图2），本文认为采用国际大电网会议33委员会推荐的计算式较为合理。该计算式为Ng=0.023Td 1.3 (3)式中，Ng 为在年平均雷暴日为Td 的条件下，每1km2 大地1年的雷击次数。图2中的圆点，是根据文献7中的值推算出的相应的Ng ，可见它们与按式(3)计算出的结果相当接近。图2 Ng与Td 之间的关系线路每年受轩击次数取决于Ng 和线路收集雷击的等值面积。等值面积取决于线路长度和线路收集雷击的等值宽度W。W一般可下式描述：（）式中，为避雷线间；为系数，一般取。为避雷线平均高度，。我国以前的标准沿袭前苏联的规定，取和
6、。该值与模拟试验的和直击雷保护的运行经验的对照关系考虑，本文推荐采用输电线路雷电性能工作组报告使用的线路收集雷击宽度公式，即.09（）该式经与根据我国平原单杆线路.a雷击跳闸次数的运行经验数据反推出的线路收集雷击宽度确定的（变动于3.00-3.52）比较，表明式（）是可用的。、有避雷线线路雷击塔顶时线路绝缘上所受电压的计算方法以前的标准：对雷击有避雷线线路杆塔塔顶时，绝缘上所受的最大雷电过电压按下式计算：（）（）（）式中，为绝缘上受到的最大电压；为杆塔顶部电压最大值；为导线上感应过电压最大值；为导线与避雷线之间考虑避雷线电晕的耦合系数。式（）中有两点值得注意：其一，绝缘子串悬挂于杆塔横担处，所
7、以绝缘子串的反击电压应取横担处的杆塔电压，而不应取塔顶处电压；其二，避雷线对导线上与反击电压异号hb的感应过电压的屏蔽作用应采用（）计算（式中hd为导线平均高度；为导hd线与避雷线之间的几何耦合系数）。由此式（）宜修改为hhb（）（）（）hhd式中，h为塔杆高度。据此，可计算出线路的耐雷水平等指标。式（）已被新标准采用。、线路雷击跳闸次数的计算结果与讨论除上述各点外，以前的标准中，关于输电线路雷击跳闸率诸的其他参数（如绕击率、建弧率击杆率等）在新标准中均未作变化。雷电流波头长度也仍为.6（该值与文献推荐的.5斜角波头极为接近）。按式（）计算出的我国线路耐雷水平和雷击跳闸次数的结果与运行统计数据
8、已在文献中发表。从其基本接近的结果可以看出，按本文提出的线路绝缘所受最大电压计算方法、所取的雷电参数（雷电流幅值累积概率分布、对地落雷次数和线路雷击次数等）以及线中雷击跳闸次数计算方法计算出的跳闸次数与运行经验统计值基本相当。这说明本文的计算方法是合理、可用的。线路常规的防雷保护措施与效果当前，线路的常规防雷保护措施主要是通过架设避雷线，以减少雷电直击导线的概率；另一方面则是尽可能的提高耐雷水平，以减少雷电击中杆塔或避雷线时反击至导线的概率。对于前者，主要是采用双避雷线以获得较小的保护角。在山区，由于地形的影响即使是。的保护角。也难免出现雷绕击导线的情况。而对于后者，实际可能采用的措施是昼减少
9、杆塔的接地电阻、架设耦合地张、对于同塔双回线线路适当地采用不平衡绝缘技术以减少双回线同时雷击跳闸的概率等。现主要就减少反击的措施讨论如下：、降低杆塔接地电阻的防雷效果分析当杆塔型式、尺寸和绝缘子型式、数量确定后，影响线路反击耐雷水平的主要因素则是杆塔接地电阻的阻值。现将按年电力待业标准中的线路的杆塔尺寸和绝缘子的雷冲击绝缘水平，针对不同的杆塔接地电阻冲击值计算出的各自的耐雷水平列入表。表线路耐雷水平与杆塔接地电阻的关系系统标称电压接地电阻耐雷水平相对危险因数63.4191.01540.734.51.83024.352.93.55015.866.13.57110.25.611575.713.82
10、.53047.728.75.1503243.37.77176.70.98115125.43.83.93081.211.912.15055.223.624.1由表可见，各种电压等级，线路耐雷水平均随杆塔接地电阻的增加而降低。依据雷电流幅值累积概率分布的固有特点：低幅值雷电流出现的概率明显大于高幅值雷电流出现的概率。由此可知，随着系统标称电压的提高，杆塔接地电阻的作用将变得更加重要。表中引入了“相对危险因数”参数。对于各种电压等级下的“相对危险因数”，均以杆塔接地电阻为时耐雷水平的相应概率下的危险因素.为参考，其他杆塔接地电阻时的相对危险因数，则由该接地电阻下相应耐雷水平的相应概率与接地电阻为时耐
11、雷水平的相应概率之比来确定。这样，时的相对危险因数分别为3.5、7.7和24.1。杆塔接地电阻对高压直流输电线路的也有类似的作用。随杆塔接地电阻的增加，对于高压直流线路，单极反击或双极反击的概率均有所增加。因双极反击耐雷水平一般明显高于单极反击耐雷水平，所以因杆塔接地电阴变大（由增加至时），双极反击的相对危险因数高达.8而单极反击的相对危险因数遇为.0。综合以上分析可知，通过相对危险因数可以得出线路电压等级愈高对接地电阻愈加敏感的结论。、架设耦合地线的防雷效果对运行中查明经常发生选择性雷击的杆塔或线段，我国运行部门曾对和有避雷线线路采用过加装耦合地线的作法。耦合地线的作用主要有两个：一是增大避
12、雷线与导线之间的耦合系数，从而养活绝缘子串两端电压的反击和感应电压的分量；二是增大雷击塔顶时向相邻杆塔分流的雷电流。现从运行经验来观察其防雷效果。表为我国部分有耦合地线线路的运行结果汇总。表几条有耦合线线路的雷电性能比较线路名对比线段总长架耦合线前运行.跳闸率.架耦合线后运行.跳闸率.有耦合线与无耦合线的跳闸率对比广东某线（）华东某一回线（）福建某线（）.249.229(1961.01-1969.05;1971.08-1972.09)681(1960.09-1964.12)199(1960.03-1972.09)2192.494.016.4(1964.01-1972.09)345(1965.0
13、1-1972.09)388(1965-1972.09)1141.162.573.470.4550.640.54注：若无耦合线期间扣去线路运行初期（1961.01.，）则.，.44。若无耦合线期间只计年，则为.8.，.40将上述条线路平均，.或=1.84:1 。即架耦合线后，跳闸率降低。此外，澳大利亚在一条几百长的线路上，全线架设了耦合线，在一条双回中线路上也架设一根耦合线来提高耐雷性（年国际大电网会议报告第号）。意大利的文献也认为架设耦合线是有效的。、同杆又回线路不平衡绝缘的防雷效果同杆双回线路因线路走廊占地少，近年来有一定发展。但因导线垂直排列，杆塔较高，线路反击耐雷水平一般比同电压等级、导
14、线水平排列的线路要低。国内外此种线路的运行经验表明，会产生同塔双回线路的绝缘子相继反击的现象，从而造成双回路同时跳闸。日本曾在这种线路上采用过不平衡绝缘技术（一回线路绝缘较正常的另一回降低）。但运行经验表明，此种作法效果不大。我们曾就另一种不平衡绝缘技术（一回线路比政党绝缘的另一回线路增加部分绝缘），对某同杆双回线路，应用自编程序进行过研究。该同杆双回线路原均采用合成绝缘子。对不平衡绝缘的作法是，在某一回线上每相再加片玻璃绝缘子（）。根据实测的线路绝缘雷电冲击放电电压，对型塔采用不平衡绝缘后线路的雷击反击闪络概率进行了统计计算，给出了如表所示的具体结果。表雷击塔顶时线路绝缘闪络概率冲击接地电阻
15、平衡绝缘不平衡绝缘效果（）（）（）第回第回第回第回0.200.330.480.140.270.420.200.330.480.0190.0660.11-86.4-75.6-73.8注：两回线路绝缘子雷电放电电压相差上述结果表明，不平衡绝缘方式下双回线路同时闪络的概率较目前平衡绝缘方式下有降低。杆塔接地电阻越小，效果越大。研究结果显示，在同杆双回线路的一回线路上增加绝缘子，确实可使双回线路同时跳闸的概率降低，但无法完全消除同时跳闸事故。线路避雷器的防雷保护效果及其应用的若干建议运行经验表明，防止输电线路雷击闪络的常规措施效果是有有限的。然而在应用了线路金属氧化物避雷器后，却出现了重要的变化。国内
16、外工程实践表明，线路防雷用金属氧化物避雷器无论在防止雷直击导线方面，还是在雷击塔顶或避雷线时的反击方面都非常有效的。年美国和公司开始开发线路防雷用。支避雷器于年开始在杆塔接地电阻一般为 （最大的）的个杆塔上运行。取得了在这些杆塔上从未出现过的防雷击闪络的良好效果 ，。在日本，年开发出带串联间隙的线路。年合成绝缘子线路也已在双回线路上运行。为防止同杆双回线路的双回路线同时雷击闪络，从年开始线路安装在双回线路的某一回线上运行。据统计，截止到年，在、和线路上运行的线路已达支，且均取得良好的效果。日本在分析线路各种措施的效果时指出 ：增加绝缘、架设耦合地线和减少杆塔接地电阻，只能使跳闸次数分别降至、和
17、。但安装了线路金属氧化物避雷器后则可消除雷击跳闸事故。我国江苏谏奉线在长江大跨越段有跨截止塔基、耐张塔基，总长2.338。原为单回路，改成双回路后，顶端原两根避雷线改为运行的相线，成为无避雷线的双回路跨江段。年月到年月，在基高塔顶上两相导线与横担之间安装了（具有.串联空气间隙）。其间，所装支共动作相次，线路均未发生闪络，开创了我国长江流域线路无避协线运行的先河。我院曾对、有避雷线线路应用线路避雷器的防雷效果进行过计算研究。未安装线路避雷器时线路反击耐雷水平仅为（杆塔接地电阻）。有线路避雷器时为以上。如以前者相应概率下的相对危险因数为.0，则后者比.0001还要小，即根本不会发生闪络。为了充分利
18、用有限的资金获得较好的效益，根据线路雷击特点，建议线路避雷器做先安装在下列杆塔：山区线路易击段易击点的杆塔；山区线路杆塔接地电阻超过且发生过闪络的杆塔；水电站升压站出口线路接地电阻大的杆塔；大跨越高杆塔；多雷区双回路线路易击段易击点的一回线路。结束语（）根据对我国不同年平均雷暴日地区输电线路雷击跳闸情况的分析，并参照国外的研究成果，可以认为：地面落雷密度与年平均雷暴日数Td呈非线性关系；线路因地形地貌影响呈现出明显的选择性，会形成易击段易击点。因此，对于Td较高地区的线路以及频发雷击闪络线路上的易击段易击点，采取有效的防雷保护措施是非常必要的。（）输电线路常规的的防雷保护措施仅能部分的减少线路雷击跳闸次数，为大幅度降低或消除线路雷害事故，必须采取更有效的新措施。（）线路防雷用金属氧化物避雷器可以防止雷直击导线或雷击塔顶、避雷线后绝缘子的冲击闪络，从而可以根本上消除线路雷击跳闸。（）为充分利用有限资金以求得最佳效益，应根据运行经验，力争较准确的选择线路防雷避雷器的安装地点。