WXRedian | CES电气 | 西安热工研究院郭巍、汪德军等：镇宁地区110kV架空线路雷击跳闸分析及防雷策略研究

为降低雷击对山地新能源场站电力送出的影响，提升输电线路雷害防护的有效性，西安热工研究院有限公司的郭巍、汪德军、赵江、王靖程、牛瑞杰在2024年第7期《电气技术》上撰文，以贵州镇宁地区某100MW光伏电站为例，首先分析场站所在区域的地理气候条件和雷电时空分布规律，通过对雷击故障的暂态波过程及杆塔雷电压、雷电流成因的探讨，深入剖析输电线路杆塔雷击放电机理。事故现场勘察结果显示，输电线路雷击跳闸主要由杆塔接地电阻超标引发的反击雷过电压，以及超出耐雷水平的直击或绕击雷过电压导致。

计及雷击跳闸的主要诱导因素，本文实施若干防雷措施，包括杆塔柔性接地降阻、增强线路绝缘匹配、易击段加装无间隙氧化锌避雷器等。经实地测试，杆塔工频接地电阻显著降低且保持性较好，以全年为时间尺度，改造后线路的跳闸率远低于同区域相邻线路及本线路历史同期水平。本文研究表明，综合防雷策略能有效提升输电线路的安全性和可靠性，对雷击高发区的输电线路性能提升具有实际参考价值。

输电线路是电力组网的重要基础设施，其主要功能是将发电站生产的电能以高压形式输送至变电站，然后通过电压变换为电力用户提供所需的电能。作为电力供给侧与需求侧的连接纽带和主要载体，输电线路发生雷击故障会直接破坏系统潮流平衡，进而威胁电力系统的稳定运行。

尤其在地理条件复杂的山区，输电线路常需穿越雷电高发地带，这使其雷击风险进一步增加。随着技术的不断进步，雷电定位系统和分布式故障定位装置的广泛应用为输电线路雷害预防工作提供了有力支撑。相关技术的应用使人们能够更好地掌握雷击事件的特点和规律，进而结合故障机理分析和技改示范应用，对输电线路的防雷措施进行综合研究和优化，从而制定更有效的防雷策略，为社会生产和民生用电提供保障。

1 线路概况

贵州省镇宁县某光伏电站装机容量100MW，通过同塔四回110kV架空线路接入电网，线路全长49km，共计130基杆塔，主要跨越山地和丘陵地形，平均海拔达1270m。自投入运营以来，该线路频繁发生雷击跳闸事故，分布式故障定位数据显示，2021—2022年间，雷击跳闸事故累计发生14次，主要为单相或两相短路接地故障，其中单相故障5次，两相故障6次，三相故障3次。同时，站内35kV架空集电线路在雷雨季节也频繁出现闪络接地事故。

上述雷击跳闸事故导致场站平均每年损失利用小时高达68.32h，较大程度地影响了电站经济效益和当地电网的稳定性。

2 雷击放电机理

2.1 雷电时空特性

电站所在地区的雷电活动主要集中在每年的4—8月，以负极性雷电为主。雷电活动的时空分布上，西部地区显著强于东部地区，尤其是兴义、毕节地区。电站架空线路沿途的六马、紫云地区雷电分布活动也较为剧烈。

从雷电的日变化特征来看，贵州地区的雷电日变化呈现“双峰”分布，主峰位于15:00—20:00，次峰位于23:00—次日02:00，峰值最高点在17:00左右。从雷电流分布规律来看，正、负闪电强度都呈现准单峰变化，负闪电峰值在12kA左右，峰值区范围较小，峰值区前后斜率较小，负闪电强度分布相对均匀；正闪电峰值在30kA左右，峰值区范围较大，峰值区前后斜率较大，正闪电强度分布集中，强度较大。电站所在地区的地理气候条件见表1。

表1 电站所在地区地理气候条件

2.2 雷电压与雷电流成因

图1 雷击导线及杆塔的波过程示意图

3 雷击跳闸简析

造成输电线路雷击跳闸的原因一般是多方面的，在工程实践中，最常见的线路雷击跳闸原因一般分为两类：一是杆塔接地电阻超标或线路绝缘裕度不足导致的反击雷过电压，即架空线路杆塔顶部或避雷线发生雷击放电时，雷电流向大地泄放过程中，杆塔接地阻抗上产生的电压降会导致杆塔对地形成高电位，阻抗越大绝缘子承受的冲击电压越高，当绝缘子发生击穿时则会出现杆塔向导线的反向放电；二是超过线路耐雷水平的直击或绕击雷过电压，相关研究表明110kV高压输电线路绕击较为多发，占比约为总跳闸事故的40%左右。

在易击段（沿坡、山顶、跨沟）、高风险大跨距档段或地线斜率过大的杆塔，地线对导线屏蔽作用减弱，这是雷电绕过地线对导线放电概率增加的主要原因。在此情景下发生绕击，线路的耐雷水平仅为3.5～15kA，远低于反击耐雷水平，通常110kV线路的反击耐雷水平可达65kA左右，因此即使雷电流较小也能引起线路跳闸事故。

3.1 杆塔接地电阻超标

在杆塔尺寸、型式和绝缘子型号数量确定的情况下，影响线路反击耐雷水平的主要因素是杆塔的接地阻值。一般而言，杆塔的接地电阻值越大，线路的耐雷水平就越差。根据GB/T 50064《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中对110kV线路杆塔尺寸和绝缘子50%冲击绝缘水平的规定，当杆塔的接地阻值为100W时，线路的耐雷水平仅为17.5kA。

而雷电流幅值超过17.5kA的概率为63.3%，很容易导致雷击跳闸。杆塔的接地阻值大小直接影响接闪后是否会引发地电位反击。雷击事故造成的设备损坏通常发生在土壤电阻率较高的位置，尤其是在山地和丘陵地区，土壤电阻率往往高达几千W∙m，大部分输电线路杆塔长期运行后的接地电阻在10W以上，即使在基建施工阶段，施工方使用填埋土壤、离子降阻剂等手段，将杆塔接地电阻降低至规定范围内，但投运多年后，受降雨致土壤流失、降阻剂失效等影响，接地电阻仍会持续增大，进而加重雷击损害。杆塔接地典型问题及接地阻值测量结果见表2。

表2 杆塔接地典型问题及接地阻值测量结果

3.2 线路耐雷水平不足

式（1）

表3为110kV线路的直击/绕击耐雷水平，只要雷电流的幅值超过了耐雷水平，无论何种雷击类型都有可能导致110kV线路发生雷击闪络。

表3 110kV线路的直击/绕击耐雷水平

4 防雷策略与措施

4.1 杆塔接地降阻

图2 石墨基柔性接地降阻改造现场

4.2 加强绝缘配置

绝缘配合的根本目的是提升电气设备的性能及其相互之间的匹配性。通过增强的绝缘配合，可以提高线路整体防雷性能，使其在雷电环境中更好地抵御雷击影响。在实际应用中，以满足塔头空气间隙、线路风偏及交叉跨越距离为基础条件，根据雷电活动强度、线路通道区位分布和实际运行条件进行综合设计，通过增加不同数量的绝缘子片对输电线路进行绝缘配置优化。

110kV同塔四回线路差异化绝缘配置见表4，其中M为110kV线路的每相绝缘子片数。同塔四回线路常见的布置方式包括垂直布置和水平布置，如图3所示，以垂直布置为主。在保持常规回路原绝缘配置的情况下，高绝缘回路保持上层一回绝缘不变，其他三回各相增加2片绝缘子；条件受限时不平衡绝缘配置方案见表4括号内数据。

表4 110kV同塔四回线路差异化绝缘配置

图3 同塔四回线路典型布置方式

4.3 装设线路避雷器

除以上两项措施外，加装带脱离装置的无间隙氧化锌避雷器也能够达到有效泄放导线雷击电流的效果。设计安装中需充分考虑线路所处的地形，包括平地、山谷、山坡、山顶等。实际操作时，首先通过电气几何模型（electrical geometric model, EGM）法进行拟合建模，然后根据拟合结果、雷电活动数据和场站历年统计的线路跳闸测距数据综合计算得出线路易击段，从而明确避雷器安装区段。

上述四种地形条件下的地线屏蔽弧与地面屏蔽弧，实际上与边相暴露弧密切关联，由此造成了雷电绕击概率差异，在存在这种差异的前提下，可以在山坡型地形中的杆塔一侧安装避雷器。

实际安装时，需要区分上山坡、下山坡，考虑到边坡侧导线暴露弧小的特点，将其安装于下山坡。平地型、山地型地形中宜在两侧安装，山谷型地形则无需安装。此外，输电线路为110kV同塔四回线路，为兼顾雷电反击和绕击防护，优先在上层的一个或两个回路安装，推荐顺序为上相→中相→下相；位于边坡的杆塔，优先在边坡外侧的一个或两个回路安装。加装带脱离装置的无间隙氧化锌避雷器现场如图4所示。

图4 加装带脱离装置的无间隙氧化锌避雷器现场

5 防雷效果评价

5.1 评价方法

雷击跳闸次数是直观评判输电线路防雷改造效果的关键指标，可分为纵向、横向两个维度进行评价。纵向对比，在雷暴日数和雷电流大小相近的条件下，记录同一线路在进行防雷技术改造前后的完整雷雨季数据。对比分析两种情况下的线路雷击跳闸数据，可验证防雷技术改造措施对线路雷击保护效果的影响。横向对比，在同一区域内挑选相邻线路，获取改造后完整雷雨季的线路故障记录，进行雷击线路跳闸次数的对比。

5.2 统计结果

防雷改造前后线路雷击跳闸数据统计如图5所示，2022年3月—2023年2月线路雷击跳闸14次，2023年3月改造后至2024年2月线路雷击跳闸5次，纵向对比防雷改造后较历史同期线路跳闸次数降低了64.28%。横向对比相邻线路，2023年3月—2024年2月相邻线路雷击跳闸16次，改造线路雷击跳闸5次，仅为相邻线路的31.3%。综上所述，配置防雷措施后输电线路的雷击跳闸次数明显下降，本文所述的若干防雷措施应用效果显著。

图5 防雷改造前后线路雷击跳闸数据统计

6 结论

根据本文的研究结果，影响110kV输电线路跳闸的因素主要包括气象地理条件、接地电阻超标及施工设计等问题。在类似项目实践中，建议选择适配度较高的防雷技术，并通过绝缘子片数的不平衡配置、长效免维护的石墨基柔性接地体，以及加装带脱离装置的无间隙氧化锌避雷器等防雷措施来解决输电线路防雷方面的实际问题。这些措施旨在提升线路的防雷性能，进而为电力系统的安全运行提供保障。

本工作成果发表在2024年第7期《电气技术》，论文标题为“镇宁地区110kV架空线路雷击跳闸分析及防雷策略研究”，本课题得到中国华能集团公司众创科技项目的支持。

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西安热工研究院郭巍、汪德军 等：镇宁地区110kV架空线路雷击跳闸分析及防雷策略研究

本工作成果发表在2024年第7期《电气技术》，论文标题为“镇宁地区110kV架空线路雷击跳闸分析及防雷策略研究”，本课题得到中国华能集团公司众创科技项目的支持。

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