110,kV线路雷击故障分析及防雷探索

张 勋，刘幸殊

（1.五凌电力有限公司东坪水电厂，湖南 益阳 413500；
2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

东坪水电厂是以发电为主的中型水电工程，位于湖南省安化县东坪镇资江干流，所辖110 kV线路地处山区，辖区内高山林立、重峦叠嶂，山地、丘陵、岗地犬牙交错，气候温暖湿润、雨水充沛，属亚热带季风性湿润气候，平均年雷暴日在80 d左右，雷暴活动剧烈，雷电强度大，属于强雷电活动地区；
电厂有两回出线，一回资东线通过东坪变与系统并网，另资株线通过下游株溪口水电厂（17.9 km）并网。近几年的运行数据表明，因雷击110 kV出线造成全厂设备停运的事故屡有发生，严重影响水电厂的安全生产运行。经过对2014～2016年线路运行数据的统计（见表1），其中2015年雷击导致全厂停电事故多次发生，甚至在1 d内多次发生，对电厂安全生产造成极大危害，严重影响了电网的安全稳定运行。

表1 2014-2016年资株线雷击跳闸事故统计

通过对线路雷击故障分析及避雷研究，结合东坪水电厂110 kV资株线情况，基于该地区雷电活动监测数据，对该地区雷电活动特征进行统计分析，同时依据该地区历年雷击频次分布，总结110 kV资株线所在区域雷害分布规律，构建资株线在实际雷电活动特征下的线路雷击过电压仿真分析和防雷性能计算，实现线路整体防雷性能的准确评估。考虑国内外传统的“堵塞型”输电线路防雷保护措施和防雷手段的现状，分析输电线路防雷措施的相互关系，结合经济性、可行性和技术性分析，提出110 kV线路防雷措施的优化配置方法，将新型防雷装置对线路防雷手段加以改进，从而有效抑制110 kV资株线雷击故障的发生，提高线防雷水平，有效防范110 kV资株线因雷击造成的风险，为有发电企业在线路防雷技术改造方面提供指导与参考。

2.1 资株线线路情况

2.1.1 资株线全线杆塔数据测量情况

对110 kV资株全线杆塔进行了地型地貌、杆塔高程、杆塔接地电阻等数据测量并收集，以及对资株线路径进行了查勘，统计情况如图1、表2所示。依据DL/T 475-2017《接地装置特性参数测量导则》规范进行测量。分析地形发现：110 kV资株线全线走向是从高山、山地、丘陵、岗地交错地形经过，整体地形平均海拔从西往东为下降趋势。

表2 资株线杆塔数据统计表

图1 110 kV资株线走向示意图

根据测量数据显示，有B2～B5、B7、B9～B12、B14～B16、B32、B35、B38杆塔的接地电阻已大于10 Ω，不符合防雷要求。

续表2

2.1.2 资株线避雷器运行情况

通过对电厂资株线避雷器绝缘以及动作测试，A、B、C三相底座绝缘分别为17 200 MΩ、16 900 MΩ、15 300 MΩ，绝缘合格。三相避雷器都分别进行了动作测试3～5次，放电计数器均能正常动作。A、B、C三相避雷器接地端接地电阻测得数值分别为2.45 Ω、2.89 Ω、3.12 Ω。因此线路开关避雷器处于正常运行状态。

2.1.3 避雷引下线

杆塔避雷线经龙门架接地勘查时发现龙门架避雷线引下线扁钢偏小，为截面90 mm2镀锌扁钢，且扁钢与避雷线焊接点存在锈蚀现象，经测量避雷线与接地网之间电阻达到5.1 Ω（如图2所示）。

图2 避雷线与接地网之间测量电阻

2.2 线路跳闸原因分析

2.2.1 输电线路常见雷击方式

（1）雷击于线路导线上，产生直击雷过电压；

（2）雷击塔顶或避雷线后，反击于输电线上；

（3）雷击于线路附近或杆塔上，在输电线上产生感应过电压。

图3 雷击方式

2.2.2 输电线路常见避雷措施

（1）架设避雷线

设避雷线是输电线路防雷保护的最基本和最有效的措施。避雷线的主要作用是防止雷直击导线、分流作用、减小线路绝缘子的电压、对导线的屏蔽作用。因此，110 kV及以上电压等级的输电线路都应全线架设避雷线。

（2）降低杆塔接地电阻

降低杆塔的接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高，此方式是配合架设避雷线所采取的一项有效措施，两者的防雷作用起到正反馈效应。采取增大地网型号或增加地网辐射线的方式对接地网进行降阻，还可采用接地降阻材料以满足线路运行要求。

（3）架设耦合地线

在难以实现降低杆塔接地电阻特殊情况下，可采用架设耦合地线的措施，即在导线下方再架设一条地线。其作用主要是加强避雷线与导线间的耦合，使线路绝缘上的过电压降低，其次能增加对雷电流的分流。

（4）采用中性点非有效接地方式

在变电站/电站中通常采用中性点经消弧线圈接地的方式，这样可使由雷击引起的大多数单相接地故障能够自动消除，从而避免引起相间短路和跳闸。中性点非有效接地系统因发生单相接地时接地电流较小，也称为小电流接地系统，在我国有着长期的运行经验，但仍然存在众多问题。其主要难关是难以克服接地电流超标的问题，当接地电流超标且未经消弧线圈补偿，易造成过电压，损坏设备。

2.2.3 线路跳闸原因

线路杆塔大多建于山上，引起跳闸的原因主要是过电压，而过电压的产生是由于雷云所携带的大量电荷通过闪电通道进入地网，地网所存储的电荷量过小，无法中和大量的异性电荷，从而造成大量雷电荷的堆积，这样就产生了过电压。

消除过电压就要构建一个能够存储与雷云电荷量相同数量级电荷的接地网。而且这部分地网必须分布在15 m的范围内，否则无效果。

常规情况下，假定杆塔接地电阻在常规技术下能达到10 Ω，则杆塔受雷击瞬间产生的冲击接地电阻的漂移为R=1.220×10 Ω·m，即384 Ω·m。采用电流为500 A做个计算U=IR=500×384=19 200 V，这是一个很高的电压。如果采用1 000 A计算就是384 000 V，现场的接地电阻按照标准要求如果在1 000～2 000 Ω·m的话应该是25 Ω，那么此时的冲击接地电阻会变成38.4×25=960 Ω，过电压会变为480 000～960 000 V，如果此时设备绝缘在湿闪的情况下出现污秽就会大大降低绝缘程度，发生污秽放电产生跳闸。

通过线路杆塔统计数据分析，依据DL/T 620-2016《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，110 kV线路杆塔接地电阻不应大于10 Ω，有B2～B5、B7、B9～B12、B14～B16、B32、B35、B38杆塔的接地电阻已不符合规程要求以及现场实际防雷需求。

从地形、地貌分析，110 kV资株线全线走向是高山、山地、丘陵、岗地交错地形经过，整体地形地势由西往东为下降趋势。经过研究发现，以B16杆塔为界，西侧线路（近东坪水电厂）杆塔接地电阻平均值高于东侧线路（近株溪口水电厂侧）杆塔接地平均电阻。因此当线路发生雷击时，导线上产生大量电荷，雷电波以近光速向导线两边传播，而整体线路近东坪水电厂一侧避雷线接地电阻偏高，且东坪水电厂端避雷线经龙门架引下扁钢偏小，瞬间电流得不到有效释放，增加了雷击时线路反击导致东坪水电厂跳闸几率。

2.3 线路防雷改造

2.3.1 杆塔接地电阻强化技术路线

雷击塔顶时反击耐雷水平的计算公式为：

式中：k—计及电晕影响的耦合系数；

β—杆塔对雷电流的分流系数，对于一般长度档距线路双避雷线杆塔分流系数取0.88；

Rch—杆塔接地电阻；

Lgt—杆塔电感，铁塔杆塔电感为0.50 μH/m；

hd—导线平均高度；

U50%—塔头绝缘〔绝缘子串或塔头间隙〕50%冲击放电电压。

从公式可知，雷击杆塔时的耐雷水平与分流系数、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，增大导电线间的耦合系数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。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。

根据调研结果并结合理论分析，经过科学研究，综合考虑，确定以下改造方案。

（1）利用杆塔接地网的散流特性，选用先进、强效降阻产品对资株线杆塔接地电阻大于或接近10 Ω的以及高程较高的B1、B2、B3、B4、B5、B7、B9、B10、B11、B12、B14、B15、B16、B20、B24、B25、B26、B32、B35、B38，共计20个进行接地网强化，使接地电阻达到10 Ω以下的合格范围，实现强电流通过杆塔接地网逐级快速对地释放，构建与雷电冲击电荷容量相符的杆塔冲击地网，完善杆塔接地耐冲击性能，确保杆塔的接地网容量达到雷电冲击水平，保证资株线防雷效果。

（2）对龙门架避雷线引下线扁钢进行改造更换，降低避雷线接地电阻。

（3）在东坪水电厂端安装PLR-1000G型强电离等离子抗雷装置1台，保护厂房区域不遭受雷击。

2.3.2 杆塔接地网改造实施

构建与雷电冲击电荷容量相符的杆塔冲击地网，可以完善杆塔接地耐冲击性能，确保杆塔的接地网容量达到雷电冲击水平。

通过现场勘查发现高程在200 m以上的杆塔基础土层岩石含量比较高，如B4、B9、B12等，其中B10、B11基础含砂量高，表层土层松软，土层导电率低。这种情况给接地电阻的降低带来了很大的困难，所以必须选用高科技、性能优异的接地材料进行杆塔的接地网改造。

（1）接地材料选用

东坪水电厂杆塔接地网改造选用的材料是柔性接地体HD-R10，该材料是一种新型接地降阻材料，符合GB/T 21698-2008《符合接地体技术条件》标准，专门用于山区岩石地貌接地网的接地降阻和防腐蚀。

柔性接地体HD-R10的一个显著特点就是能够以不规则形状成型，并与介质之间形成的有效接触面积，从而获得以往任何接地极和接地模块都无法达到的降阻效果。

柔性接地体同时能够最大限度降低介质的电阻率，降阻系数能达到0.16，即100 Ω可降至10 Ω左右，这种效率是目前任何产品都达不到的。

由于其添加的防腐蚀配方能够有效地延缓镀锌金属体腐蚀年限。符合环保要求，产品是一次性成型反应不可逆，最终状态不溶于水，不含有害重金属，对环境无影响。

产品在冲击雷电流和工频短路电流的作用下，响应曲线好，自身变化率小，理论设计寿命30年。

自身含水量保持长期稳定，受周围环境影响小，接地电阻能够长期保持稳定状态。柔性接地体在消除反击过电压上作用显著，效果明显。

表3 柔性接地体技术参数

说明：以上数据均是测试数据的加权平均值。

型号：HD-R10

商品名称：柔性接地体

商品净重：15 kg

电阻率/Ω：1.38

冲击测试（平均变化率）：0.0.36%

工频测试（变化率）：2.60%

腐蚀性试验镀锌扁钢：0.002 2

降阻效果系数：0.16

缓释系数：0.833

适用范围：不受环境、地域限制，适用于所有地域

（2）杆塔接改造施工方法

水平接地体采用镀锌扁钢与柔性接地体结合方式，埋设深度不小于0.4 m，水平接地体不与其他高压电缆及光缆同沟敷设，与高压电缆及光缆间距不小于3 m。当水平接地体与其他电缆及光缆交叉时，如扁钢从电缆及光缆下部穿过，其间距不小于0.5 m。接地线之间采用焊接方式连接，焊接应牢固，无虚焊；
焊缝应平整而无间断，焊缝处的焊渣应清除干净，接地网中所有焊接点必须进行防锈、防腐处理。

接地带敷设HD-R10型柔性接地体包裹扁钢，在敷设柔性接地体前首先在沟槽底部铺设100 mm厚素土，然后浇水沉降，敷设柔性接地体完成后，再回填300 mm厚素土，然后浇水沉降，最后回填细土。接地装置的焊接应采用搭接焊接，除埋设在混凝土中的焊接接头外，应采取防腐措施。扁钢与扁钢搭接长度不小于扁钢宽度的2倍，4面焊接。

（3）柔性接地体的施工步骤

将配置好的溶液放置在接地沟槽的边缘，不断搅拌并观察溶液的变化状态。溶液由清澈到浑浊，再至清澈。当开始变得粘稠时，延沟槽方向均匀倒入沟槽，每桶可倒2～3 m长，但宽度不小于0.15 m。倒入沟槽的溶液须静待其凝固，不得用任何器具搅拌。

大约1 min后柔性接地体形成带有弹性的接地导体，此时将不再溶解于水，可以回填土并浇水沉降，柔性接地体的施工由此结束。

图4 柔性接地体水平敷设图

图5 柔性接地体垂直敷设图

图6 水平环形地网敷设图

图7 柔性接地体浇筑成型图

2.3.3 龙门架避雷线引下线改造

由于龙门架避雷线与引下扁钢之间电阻实际测量值达到5.1 Ω，且引下扁钢截面积偏小，所以必须进行改造更换，将龙门架避雷线引下扁钢由原截面90 mm2镀锌扁钢更换为160 mm2截面的镀锌扁钢，降低避雷线接地电阻。改造后，避雷线与接地网之间电阻测量结果为1.5 Ω。

2.3.4 强电离等离子抗雷器的安装

PLR等离子抗雷装置不同于多年来沿用的以避雷针为代表的“引雷入地”防雷方式，采取国际领先的雷电防护理论，运用电荷中和的原理，通过复合强电离放电产生消散电流，对雷云异极性电荷形成强有效中和，及时破坏雷电先导，消除被保护范围内的雷击现象，是一种新型防雷装置。

利用雷云电场激励多重放电器在低场强和高场强下均能强电离放电,无源产生的等离子体总量为有源发生等离子体的500倍，而消散电荷高达30 mC/s、保护角大于85°。PLR结构简捷而结实可靠，比具有电力电子器件的有源等离子发生器具有更好的耐候性和更长的使用寿命。其轻巧的结构更适用于机动或难攀特高目标,还适于经济和灵活地构成阵列布局，满足全方位抗雷和取代干扰抗雷运行的传统避雷针的需要。并且PLR发散的等离子体中的正离子上升有利于大气污染净化、负离子下降有利于生物健康。适合安装在保护范围内的制高点。

图8 PLR作用机理演示图

根据现场实际，在东坪水电厂龙门架顶端安装PLR-1000G型抗雷装置1套，保护厂房区域不遭受雷击。

图9 PLR强电离等离子抗雷器现场安装图

110 kV资株线杆塔接地网强化改造完成后对杆塔接地电阻进行了复测，测量结果如表4。对比前期调研数据，杆塔接地电阻降低27.53%～79.02%，平均降幅达到41.89%，全部达到10 Ω以下的规范要求。

表4 改造后杆塔接地电阻对比

3.1 线路杆塔耐雷水平计算

根据雷击塔顶时反击耐雷水平的计算公式，雷击杆塔时绝缘子串承受最大雷电冲击电压所对应的雷电流：

式中k—计及电晕影响的耦合系数；

β—杆塔对雷电流的分流系数；

Rch—杆塔接地电阻；

Lgt—杆塔电感；

hd—导线平均高度；

U50%—塔头绝缘〔绝缘子串或塔头间隙〕50%冲击放电电压。

（1）电晕影响的耦合系数k取值

表6 电晕校正系数k1

根据实地勘测资株线为双地线、无耦合线型式，电晕影响的耦合系数k=k1k0为1.2×0.438≈0.53

（2）杆塔对雷电流的分流系数β取值

表7 杆塔分流系数β

对于一般长度档距线路双避雷线杆塔分流系数取值0.88，所以β=0.88。

（3）杆塔电感Lgt取值

表8 典型杆塔的波阻抗和电感

根据数据，铁塔杆塔电感为0.50 μH/m，水泥双杆为0.42 μH/m，Lgt数值取0.5 μH/m。

（4）导线平均高度hd取值

根据查阅设计图纸得出，资株线铁塔典型导线高度为12 m，地线高度为18.5 m。

（5）绝缘子串50%冲击放电电压U50%取值

查阅资株线杆塔设计图纸以及现场实际查勘得知，资株线典型杆塔绝缘子片数为6片，单片50%冲击放电电压120 kV，考虑折旧等因素，6片折合电压取值700 kV。

（6）杆塔接地电阻Rch取值

根据表4，杆塔接地强化改造前平均接地电阻为14.14 Ω，改造后平均接地电阻为7.51 Ω，平均降幅达到41.89%。

取接地电阻降幅较大的B11（改造前后电阻分别为：22.9 Ω、8.46 Ω）杆塔改造前后电阻，以及接近改造前后电阻值接近平均接地电阻的B7（改造前后电阻分别为：15.1 Ω、7.3 Ω）杆塔进行计算比较。

（7）杆塔耐雷水平计算

B11杆改造前耐雷水平

B11杆改造后耐雷水平

B7杆改造前耐雷水平

B7杆改造后耐雷水平

（8）雷电流冲击时反击计算

根据上述计算，结合实际情况，改造后资株线全线杆塔平均接地电阻7.3 Ω，当发生100 kA雷电流冲击时，绝缘子反击计算如下：

而绝缘子串U50%耐压等级为700 kV，所以当100 kV雷电流冲击时线路不会发生反击。

（1）经过对110 kV资株线防雷改造研究，杆塔接地网强化改造完成后，杆塔接地电阻降低27.53%～79.02%，平均降幅达到41.89%，全部达到10 Ω以下的规范要求。

（2）基于雷击塔顶时反击耐雷水平的计算，当杆塔接地电阻降低时，取杆塔接地降低平均值计算，杆塔的反击耐雷水平相应平均提升约52.72 kA。当100 kA雷电流直击杆塔或避雷线时，绝缘子串承受的冲击电压平均由775.25 kV降低至504.63 kV，绝缘子串承受的雷电冲击电压平均降低34.91%，未超出绝缘子串700 kV的耐压等级，不会发生反击现象。

（3）当雷击杆塔时，通过全线杆塔的平衡散流，雷电流经接地网注入大地，经过接地网有效释放，塔顶和塔身电位升高在绝缘子串两端形成的反击过电压则相应降低，大幅降低了雷击杆塔时线路反击过电压导致绝缘子串发生闪络造成跳闸的可能性，研究改造后以来，未发生雷击跳闸现象。

（4）通过资株线防雷研究取得了良好的效果以及重要的实践价值，为运行提供了实际数据，特别是柔性接地体的垂直渗入施工工艺，对于山地高电阻率地区杆塔降阻非常有效，可以应用到其他送出线路的防雷改造中。