500kV线路避雷装置雷电过压保护性能研究

杜刚 王磊

摘 要：500kV输电线路作为超高压输电，具有输送容量大传输距离远的特点，其架空线建设长度范围很广，通常为数十里甚至上百里，线路铺设所经过的地区跨度大，不仅地质条件各异，气候条件也大不相同，因此输电线路十分容易受到恶劣天气环境的影响。雷击作为对最常对输电线路造成损坏，且损坏程度最大的自然灾害，一旦发生将使线路保护断路器切断输电线路，在系统自动重合闸装置不能有效工作的情况下，不仅会对电力系统造成巨大的危害，对供电区域内所造成经济损失也是不可估量的。因此，关于500kV超高压输电线路避雷装置雷电过压保护性能的研究对整个电力系统的安全运行意义重大。

关键词：500kV线路 保护改造升级 防护措施

1 引言

500kV超高压输电线路在铺设完毕后会长时间的暴露在外界环境中，且部分地区地形地貌的特殊性，对输电线路的维护与检修造成了很大程度上的困难。根据实际统计数据，在众多自然气候灾害中雷击是输电线路最主要的威胁。因此，避雷器作为保护输电线路主要防雷措施之一，其保护性能的优劣就显得十分重要。本文在介绍了输电线路产生雷电过电压原理的基础上，分别对避雷器的雷电反击以及雷电绕击过电压保护性能、保护范围进行了研究，并总结了高压输电线路防雷的一些有效改进措施，对现防雷方法的改进具有一定的参考意义。

2.输电线路雷电过电压原理

通常情况下，雷电过电压在输电线路上主要有两种形成方式：一种是线路设备周围有雷电发生时，即使线路设备没有被雷电直接击中，输电导线上也会因为静电感应现象而出现大量电荷，当雷电击中地面目标并进行发电时，由于雷电电荷迅速向目标转移，导线上产生的感应电荷也会随之向导线两端进行移动，从而出现过电压；另外一种是雷电直接击中线路设备，高幅值的雷电冲击电流通过线路设备通入地面，从而在被击物上产生较高的压降，引起雷电过电压。其中第一种情况产生的雷电过电压幅值较低，对超高压输电线路影响甚微，而第二种由于雷电直击线路设备产生的过电压对高电压、超高电压、特高电压等电力系统都具有极大的危害。在此之上，雷电直接击中线路设备产生的过电压又可以分为两种：击中杆塔产生的过电压以及绕过屏蔽线击中导线产生的过电压，也可以称为反击雷电过电压与绕击雷电过电压。

（1）反击雷电过电压

应用于高压输电线路中的杆塔，其本身在设计时就具有一定的电阻以及的电抗，在发生雷击现象，产生的冲击电流作用于杆塔顶部时，大电流经杆塔的引导流入大地，杆塔顶部与底部间会形成的较大的电压差并造成输电线路上的电位大幅上升。如果线路上绝缘串所承受电压超过其电压阈值，引起绝缘子串闪络，可能同时造成输电线路接地故障。雷电反击造成的主要危害有杆塔处电压陡增和绝缘装置闪络并被击穿两种，其简要的发生过程如图1所示。

（2）绕击雷电过电压

另一种情况下，当雷电直接击中线路设备时，会有大量雷击产生的电流通过导线流向大地，导致线路与地面间压降增大导致线路上出现过大电压现象。此时，如果线路上隔离设备所承受电压超过其电压阈值，隔离装置中的绝缘子串就会产生闪络，杆塔将线路中的电流引向大地。雷电绕击时，由于雷电先是直接作用于输电线路，产生冲击电流分量会出现在线路上的行波中，雷电绕击过程如图2所示。

3 避雷性能分析

（1）导线耐雷水平

根据550kV线路相关参数可知，线路无避雷装置时的自然耐雷水平为22kA，也就是说普通的550kV架空线对于电流幅值小于该数值的雷击有自然的免疫力；当输电线路上预装有额定电压395kV的避雷装置时，线路实际耐雷水平将提高到120kA；当输电线路上安装的避雷装置的额定电压由395kV提升至430kV时，线路实际耐雷水平将会降低到100kA；随着输电线路避雷装置额定电压继续提升至450k V时，线路实际耐雷水平也继续下跌至80kA。由此可见，在输电线路上安装避雷器可在一定程度上提高线路实际耐雷水平，但是避雷器额定电压与线路耐雷水平之间的关系成凸线性，即起初耐雷水平随避雷装置额定电压呈正相关关系，当经过某个临界值后呈负相关关系。

（2）避雷器保护范围

近年来，避雷技术的日益成熟，许多防雷效果优异的设备被相继开发出来，复合外套金属氧化物避雷器就是其中一种。在超高压输电过程中，线路上任何一部分的电阻都会导致在输电时产生大量的功率损耗，因此在超高压输电线路上取消合闸电阻是降低线路功率损耗的必然需求。所以，线路型避雷装置就成为了超高压输电线路防雷降损的首要选择。在不同程度的雷电灾害下，线路型避雷器过电压保护范围会有很大的变化。避雷装置保护范围指的是避雷器对雷击做出反应动作后的作用效果范围。也可以称之为避雷装置对雷电产生过电压大小的敏感程度，若雷电引起的线路的过电压很小，不在避雷器的触发电压范围内，则避雷器就无法对线路实施有效的保护。

4 防护措施及总结

超高压输电线路受到雷电攻击而造成线路故障的危害极大，因此，相关技术人员采取了很多措施来预防该现象的发生。常用的方法有：合理设置避雷器数量、调整系统走线布局、设计杆塔接地电阻等。避雷器的合理分布能有效地将雷击电流进行分流，减小瞬间冲击电流大小；导线的空间位置会触发耦合作用，能有效降低雷电过电压；雷击发生后大部分雷击电流会通过杆塔导向大地，接地电阻能抑制其大小。

本文简要讨论了雷电过电压的产生原理，并在此基礎上对避雷器性能及防护范围的影响因素进行了分析，最后对主要的有效避雷措施进行了总结，为进一步更加细致的超高压输电线路雷电过电压研究奠定基础。

参考文献：

[1] 吴伯华， 陈继东. 500kV线路型避雷器的雷电过电压保护性能研究[J]. 华中电力， 2001， 14（5）：1-5.

[2] 文丽. 500kV输电线路雷电过电压研究[D]. 西华大学， 2013.

[3] 贾东瑞， 谢兴利， 赵东成. 雷云荷电模型量子反演[J]. 电瓷避雷器， 2013（6）：100-105.

[4] 王剑， 万帅， 陈家宏，等. 三峡—上海±500kV同塔双回直流输电用线路避雷器的雷电防护效果分析[J]. 高电压技术， 2013， 39（2）：450-456.

[5] 薛艺为. 500kV变电站雷电过电压仿真计算研究[J]. 电瓷避雷器， 2012（5）：74-78.