110kV输电线路雷击故障原因分析及防范措施
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110kV输电线路雷击故障原因分析及防范措施
电力系统中输电线路遭受雷击的现象越来越多，雷击成为引起线路跳闸故障的主要原因之一，严重影响到输电线路的运行安全。本文针对一起110kV输电线路雷击故障后进行了详细分析，并对雷击故障做了详细的理论计算，最后结合运行实践经验提出了针对性预防措施，为电力运行单位提高输电线路运行可靠性和防雷管理工作提供了借鉴与指导。
标签： 输电线路;雷击跳闸;原因分析;防雷措施
一、引言
浙江桐庐电网35千伏及以上输电线路多分布在山顶或山脊，山势陡峭，线路所经地区起伏变化较大，气象条件十分复杂。虽然该地区全线都架设双避雷线保护，但由于输电线路距离长、跨度大、高杆塔较多，极易遭受雷击。近几年的故障跳闸统计资料表明，雷击引起的高压输电线路跳闸次數占总跳闸次数的93%，因此雷击已成为当前输电线路故障跳闸的主要原因，不仅影响线路、设备的正常运行，而且极大地影响了日常的生产、生活。同时输电线路故障跳闸直接影响功率的输送，也对电网的安全、稳定运行构成了严重威胁，采取有针对性的防范措施，尽最大可能降低输电线路跳闸率，是线路运行单位追求的目标，也是构建“坚强智能电网”的前提和根本。
二、具体故障描述
2012年8月5日20：21时，桐庐电网发生了乔方1052线A相故障，距离Ⅱ段，零序Ⅱ段保护动作，重合成功，乔林变测距29.2km（约73#塔左右）;根据该局SCADA系统历史事项显示，在这个时间点乔方1052线RTUSOE保护信号8个。浙江省雷电定位系统线路雷电查询结果显示，8月5日20：20-20：21乔方1052线附近共计落雷点4个，数据如下：
表1 浙江省雷电定位系统线路雷电查询结果
序号 时间 经度 纬度 电流（kA） 回击 站数 最近距离（m） 最近杆塔
1 20：20：08.958 119：31：11 29：55：54 -13.5 0 14 322.4 72～74
2 20：20：08.492 119：31：7 29：55：56 -13.8 0 14 250.8 72～74
3 20：20：08.933 119：31：7 29：55：58 -14.9 0 14 202.0 72～74
4 20：20：14.098 119：26：56 29：56：14 22.8 1 18 545.1 95，96
经现场查找，发现乔方1052线73#塔A相瓷瓶串1片瓷瓶（上至下第2片）
雷击破碎，4片瓷瓶有雷击痕迹，导线上有不同程度的雷击痕迹。
三、线路雷击故障理论计算分析
3.1计算基础资料
110kV乔方1052线#73为直线塔，塔型为7810，呼高为35.7米，全高为42.2米，边相导线保护角为13.45°，绝缘子型号是FC7P/146，绝缘子串长1.862m，双串装置7片，铁塔位于斜山坡，山坡倾角35°。
导线型号：LJGX-240/30，地线型号：GJ-50。A相面向乔林变为右边相，该耐张段从#68-#75，档距4268m，代表档距为787米，#72-#73塔间的档距为497米。#73-#74塔间档距938米，该塔接地电阻值为13.5欧姆，地形：山地。
3.2、临界击距及临界电流的计算
利用线路的电气几何模型分析：
根据上述110kV乔方1052线相关资料，计算73#塔的临界击距及临界电流。
73#塔的临界击距及临界电流的简化计算：
①临界击距
=（-3.08+17.294）/2*[1-sin（13.45+35）]
=28.24m
其中：hd=35.7-1.862-2/3×55.382=-3.08m;
hb=42.2-0.25-2/3×36.984=17.294m。
以上式中：——发生绕击的临界击距（m）
hd——导线平均悬挂高度（m）
hb——避雷线平均悬挂高度（m）
θ——杆塔的山坡倾角
α——边导线保护角
当73#～74#档距为938米，在40度的环境温度下：fd=55.382m，fb=36.984m
临界电流采用美国电气电子工程学会（IEEE）1985推荐公式
，可得IK=6.96kA
以上式中：——发生绕击的临界电流值（kA）
由此可以得出，如果雷电流幅值超过IK=6.96kA时，则不可能发生绕击。
3.3杆塔绕击闪络校验
绕击时，导线上的电压随雷电流幅值的增加而增大，若产生的电压超过线路绝缘子的冲击闪络电压时，绝缘子将有可能发生闪络。#23段线路最小绕击电流为：
Imin==2×676.7/361.1=3.75kA
以上式中：Imin——最小绕击电流（kA）
Z——导线的波阻抗（Ω），查设计手册表，110kV线路LJGX-240导线的几何均距选D=4.0m，因此正序电抗X1=0.386（Ω/km）正序电纳b1=2.96×10-6（S/km），波阻抗361.1Ω，
U50%——绝缘子串的U50%放电电压，其中#73塔的绝缘子的U50%=533LX+132=676.7kV。
因此，110kV乔方1052线#73段线路最小绕击电流为3.75kA。
综合上述2和3分析，发生绕击闪络的必要条件是：
Imin≤≤，即3.75kA≤≤6.96kA，则杆塔就有可能发生绕击。
四、雷击杆塔耐雷水平校验为了验证上述判断，现计算乔方1052线#73塔的反击耐雷水平。计算参数详见下表：
序号 名称 #73
1 绝缘子的50%放电电压U50%（kV） 676.7
2 铁塔全高（m） 42.2
3 铁塔电感Lgt（） 21.1
4 分流系数 0.86
5 雷击杆塔顶时的电晕系数K1 1.20
6 导线平均高度hd（m） -3.08
7 避雷线平均高度hb（m） 17.264
8 冲击接地电阻（Ω） 13.5
计算导线避雷线间的耦合作用产生的耦合系数K0。
因为对于#73塔（7810-35.7），可知：=4.5/1000m，=75.66，=12.18，=82.81，=8.2，=75.05，=7.51
=0.390
故修正后的耦合系數为K=K1×K0=1.20×0.388=0.47
上式中：——避雷线半径;
——线1与线3在地中的镜像距离;
——线1与线3间的距离;
——线1与线2在地中的镜像距离;
——线1与线2间的距离;
——线2与线3在地中的镜像距离;
——线2与线3间的距离。
双避雷线的镜像图
则#73塔的反击耐雷水平I23：
I23==59.39kA
以上式中：K——修正后的耦合系数
hd——导线平均悬挂高度（m）
——分流系数
——铁塔电感（）
——杆塔的接地电阻（Ω）。
根据73#杆塔地貌和线路接地电阻和以上计算表明，当雷电流数值在3.75kA≤≤6.96kA范围内则会发生绕击，当雷电流数值大于59.39kA时则会发生反击。
雷电定位系统显示线路故障前后当地雷电流活动较为频繁，根据浙江省雷电定位系统线路雷电查询结果显示，#72-#74段落雷点密度较大，共有3个落雷满足线路发生绕击闪络条件，但没有达到线路杆塔或避雷线发生反击故障条件。故障杆塔接地电阻小，位于高山斜坡上，故障发生在线路边相A相，位于山坡外侧，具有较典型的雷电绕击地貌特征，可以判断乔方1052线故障原因为雷电绕击A相导线引起的。
五、雷击故障防范措施
输电线路防雷设计的目的是提高线路的耐雷水平，降低线路的雷击跳闸率。在确定线路防雷方式时，应综合考虑系统的运行方式，线路的电压等级和重要程度、线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌特点、土壤电阻率的高低等自然条件，参考当地原有线路的运行经验，根据技术经济比较的结果，采取合理的预防措施。
5.1架设避雷线
这是超高压线路防雷的基本措施，其主要作用是防止雷直击导线，产生危及绝缘的过电压。装设避雷线后，雷电流即沿避雷线经接地引下线进入大地，从而可保证线路的安全供电。根据接地引下线接地电阻的大小，在杆塔顶部造成不同的电位;同时雷电波在避雷线中传波时，又会与线路导线耦合而感应出一个行波，但这行波及杆顶电位作用到线路绝缘的过电压幅值都比雷电波直击档中导线时产生的过电压幅值小的多。110kV及以上电压等级的线路一般都应全线架设避雷线。避雷线的保护角大多取20-30°。500kV及以上的超高压、特高压线路都架设双避雷线，保护角在15°及以下。
5.2装设接地装置和降低杆塔接地电阻
装设接地装置是防止架空输电线路雷害事故的有效措施之一。接地装置由接地体和接地线组成。接地体指埋入地中直接与大地接触的金属体，接地线指电力设备与接地体连接的金属体。对于一般高度的杆塔，降低杆塔冲击接地电阻是提高线路耐雷水平降低雷击跳闸率的有效措施。在土壤电阻率低的地区，应充分利用铁塔、钢筋混凝土的自然接地电阻，在高土壤电阻率的地区，用一般方法难于降低接地电阻时，可以采用多根放射形接地体，或连续伸长接地体，利用接地模块或者采用有效的接地降阻剂降低接地电阻值。
5.3架设耦合地线
