评估国内1000kV特高压线路的耐雷性能

结合中国晋东南—南阳—荆门1000kV交流特高压试验示范工程和淮南—皖南—浙北—沪西1000kV交流特高压同塔双回输变电工程，对1000kV特高压交流线路的耐雷性能进行计算，并对塔型、地面倾角和杆塔接地电阻等影响因素进行分析。

8.1.3.1　特高压交流线路的耐雷性能分析

对于晋东南—南阳—荆门1000kV特高压线路，平原地区使用猫头塔，M型（即边、中相导线分别采用“I”、“V”型绝缘子串）三角排列；山区使用酒杯塔，M型水平排列。另外，导线采用8×LGJ-500/35型钢芯铝绞线，分裂间距为400mm；避雷线一根采用JLB20A-170型铝包钢绞线，另一根为OPGW-175；线路绝缘采用54片结构高度为195mm的瓷绝缘子（二级污秽区）；杆塔水平档距取为500m。

对于淮南—皖南—浙北—沪西1000kV同塔双回输电线路，使用鼓形塔，“I”型绝缘子串布置。具体的典型杆塔塔形如图8-15所示。另外，导线采用8×LGJ-630/45型钢芯铝绞线，分裂间距为400mm；避雷线一根采用LBGJ-240-20AC型铝包钢绞线，另一根为OPGW-240；线路绝缘采用50片结构高度为195mm的瓷绝缘子（二级污秽区）；杆塔水平档距取为500m。

图8-15　1000kV特高压交流线路的杆塔典型塔型

1）绕击跳闸率的计算

针对如图8-15所示的塔型，对中国1000kV特高压线路的绕击跳闸率Nr进行计算，结果如表8-3所示（地闪密度Ng取为2.8次/（100km2·a））。

表8-3　中国1000kV特高压线路的单回绕击跳闸率

注：鼓形塔保护角为避雷线对中相导线的保护角，下同。

由表8-3可知，在现行条件下，1000kV线路酒杯塔的绕击耐雷性能最优，鼓形塔次之，猫头塔的绕击跳闸率相对最高。但三种塔型线路对应的绕击跳闸率都满足预期的雷击跳闸率，在可接受的范围内。

由高、超高压输电线路运行经验可知，线路的绕击跳闸率与避雷线保护角和地面倾角直接相关。以下分别分析了保护角、地面倾角对特高压线路绕击跳闸率的影响，计算结果如表8-4和表8-5及图8-16所示。

表8-4　避雷线保护角对1000kV特高压线路单回绕击跳闸率的影响

图8-16　避雷线保护角和地面倾角对特高压线路绕击跳闸率的影响图示

由表8-4可知，避雷线保护角对线路的绕击跳闸率影响很大，减小保护角是改善线路防绕击性能的最有效措施。例如，在其他相关条件不变时，避雷线保护角为0°增大为5°时，猫头塔1000kV线路绕击跳闸率明显增大。因此，为保证特高压线路的防雷性能，避雷线的保护角在平原地区宜小于0°。

由表8-5可知，绕击跳闸率随地面倾角的增加而增大，这与实际运行中山坡线路易遭绕击的经验相一致。另由日本特高压线路运行经验可知，绕击跳闸多发生在地面倾角较大（对应约20°～30°）的山区。现以图8-2所示典型杆塔为例，在地面倾角30°且雷暴日为25的条件下，使用EGM计算所得的单回绕击跳闸率为0.74次/（100km·a），与0.9次/（100km·a）的实际统计值相接近。这一方面说明了在山区地区应使用更小的避雷线保护角，另一方面也说明了使用EGM方法计算特高压线路绕击跳闸率是比较合理的。

表8-5　地面倾角对1000kV特高压线路单回绕击跳闸率的影响

因此，要特别重视地面倾角较大的山区线路的防绕击问题，应尽量避免在地面倾角较大的地点架设输电线路，如确实必要则建议采用更小的负保护角或安装线路型侧向避雷针等其他措施来改善线路防绕击性能。

综上，地面倾斜角是导致绕击跳闸率偏大的主要原因之一，而减小避雷线保护角可显著降低线路的绕击跳闸率，是提高线路防绕击性能的最有效措施。因此，在选择特高压线路避雷线保护角时，应特别注意考虑地形因素（即地面倾角θ）的影响。

对于1000kV特高压交流线路，避雷线间距较大，还存在雷电从两避雷线间绕击导线的可能。现以避雷线间距最大的ZBS2型酒杯塔为例，采用电气几何模型进行分析，计算结果表明雷电从地线之间绕击导线的可能性是存在的，但能绕击导线的雷电流很小，即使在避雷线保护角为-2.5°的条件下，最大也只有8kA，远小于1000kV线路绕击耐雷水平，不会造成线路绝缘闪络。对于其他塔型，避雷线间距更小，无需考虑雷电从避雷线之间绕击导线而造成线路绝缘闪络的可能性。但在变电站进线段等特殊场合，为进一步提高特高压变电站的防雷可靠性，可考虑加装三条避雷线。

2）反击跳闸率的计算

1000kV线路绝缘水平较高，使得线路反击耐雷水平一般在250kA及以上，而且国外（苏联和日本）特高压线路尚无反击跳闸的记录。因此，从严考虑，杆塔冲击接地电阻取为15Ω，则对应的典型塔型的反击耐雷水平及跳闸率如表8-6所示。

由表8-6可知，对于晋东南—南阳—荆门1000kV单回线路，单回反击跳闸率很低，最高不超过0.0038次/（100km·a）；对于淮南—皖南—浙北—沪西1000kV同塔双回输电线路，该双回线路的单回反击耐雷水平比单回线路低，但也达到250kA以上。因此，特高压线路的反击耐雷水平是很高的，雷击杆塔或附近避雷线造成反击跳闸的概率很小。(www.xing528.com)

表8-6　1000kV特高压线路的单回反击跳闸率

*注：对于鼓形杆塔，括号内外的反击耐雷水平分别为单、双回耐雷水平。

另外，特高压同塔双回线路的双回同时反击跳闸率的理论计算值非常低，而且考虑到中国500kV同塔双回线路和日本1000kV同塔双回线路尚未出现双回同跳事故，因而可以认为其概率为零。因此，特高压同塔双回线路无需考虑不平衡绝缘方式。

由高压、超高压输电线路运行经验可知，线路的反击跳闸率与杆塔接地电阻的大小直接相关。以下分别分析杆塔接地电阻对特高压线路反击耐雷性能的影响，计算结果如图8-17所示。由计算结果可知，为保证特高压线路的防反击性能，特别是同塔双回线路，杆塔接地电阻不宜大于15Ω。

图8-17　杆塔接地电阻对特高压线路单回反击耐雷水平的影响图示

综上，对于1000kV特高压交流线路，反击不是线路雷击跳闸的主要原因，特高压线路的防雷应主要加强防绕击的研究。

8.1.3.2　特高压交流示范工程大跨越防雷研究

晋东南—南阳—荆门1000kV交流特高压试验示范工程共有两处大跨越段：汉江大跨越和黄河大跨越。现以塔高、档距均相对较大的汉江跨越段为例，对特高压大跨越线路的雷电性能进行研究。

汉江大跨越段采用耐—直—直—耐的跨越形式，最大跨越档距达1650m，断面示意图可见图8-18。另外，直线塔采用酒杯塔，呼高170m，全高181.8m，耐张塔为单回路干字塔，呼高40m，全高72m；导线采用8×AACSR/EST-410/153型特高强钢芯铝合金绞线，地线一根为JLB14-240铝包钢绞线，另一根为OPGW-24B1-246光缆；线路绝缘采用48片420kN的瓷质绝缘子串联组成；杆塔接地电阻取为15Ω。

图8-18　汉江大跨越断面示意图

针对UHV汉江大跨越线路如图8-19所示，采用8.1.2节所介绍方法评估大跨越段线路的耐雷性能，计算结果见表8-7和表8-8。

图8-19　汉江大跨越的跨越塔和锚塔结构图（mm）

表8-7　汉江大跨越段绕击跳闸率计算结果

注：在绕击计算时，跨越档等分为100段；考虑风偏时，地面上方10m处的基准风速取为10m/s。

表8-8　汉江大跨越段反击耐雷水平计算结果

汉江大跨越的绕击跳闸率为1.22次/（100km·a），折合年绕击跳闸次数为0.02次/a，相当于50年绕击跳闸一次。为进一步降低大跨越线路段的雷击跳闸率，由图8-20可知，可减小避雷线保护角至≤-5°，也可考虑在边相导线处安装线路型避雷器。

汉江大跨越的反击耐雷水平为206kA，反击跳闸率为0.08次/（100km·a），折合年反击跳闸次数为0.0013次/a，相当于769年反击跳闸一次，反击耐雷性能较好。

值得注意的是，对于大跨越特高杆塔，降低杆塔接地电阻并不能有效改善其防反击性能（图8-20）。

图8-20　避雷线保护角和杆塔接地电阻对汉江大跨越段雷击跳闸率的影响图示

综上可知，汉江大跨越的总雷击跳闸率为1.3次/（100km·a），防雷安全年限为46年，与大跨越防雷要求指标（50年）相接近。