摘要：俄罗斯110～1150kV架空线路防雷保护--1999《导则》介绍之一。
关键词：架空线路防雷保护 雷电流 绝缘子串 雷击跳闸 自动重合闸
0 前言
俄罗斯1999年《导则》〔2〕(以下简称99《导则》)的制定，荟萃俄罗斯这方面著名的专业人员俄罗斯1999年版《导则》［2］，参加起草人员有29名俄罗斯著名的专业人员：3位院士、3位教授、4位博士、12位副博士(相当西方和中国的博士学位)，7位有名工程师。总结和吸收了从1954年以来的运行经验和科研成果以及国外先进技术。因此内容上从1954年版《导则》［１］7章13个附录，共95页扩充为三部分9章34个附录，共353页。有《架空线路和变电所耐雷性计算的电子计算机专用程序(稞忪)7个》。总结和吸收了从1954年以来运行经验和科研成果以及国外先进技术。因此，内容上比1954年《导则》〔1〕(以下简称54《导则》)大大扩充了，具有很多新内容。作者拟作一系列介绍报导。本文《俄罗斯110～1150kV架空线路防雷保护》为之一。
99《导则》关于《110～1150kV架空线路防雷保护》俄罗斯1999《导则》［2］架空线路防雷保护内容从54《导则》［１］1章(第5章)29条正文规定和4个附录共23页扩充为3章(第6、7、8章)63条正文规定和13个附录，共161页。比54《导则》〔1〕和DL/T 620-1997〔3〕扩充了很多，因此，本文仅介绍新内容、新观点。
1 防雷保护计算中几个与雷电相关的参数
众所周知，防雷保护计算中要用很多个与雷电相关的参数，不一一叙述，仅就99《导则》〔2〕不同于54《导则》〔1〕和我国现行DL/T 620-1997〔3〕及DL/T 621-1997〔4〕的3个参数进行论述。
1.1 雷电流幅值和陡度
自然雷电流波形，世界各国测得的对地雷电流波形基本一致，多数是单极性重复脉冲波，少数为较小的负过冲。一次对地雷击中，含有很多个脉冲，第1脉冲和后续脉冲，最多记录到42个，平均为2～3个。脉冲波前是相当复杂的形状，不是固定陡度。在防雷计算中，人为地进行加工处理，采用固定斜角波陡度来替代。实测得的分散性很大，所以在防雷计算中，采用第1脉冲和后续脉冲雷电流幅值和陡度不相关。
99《导则》〔2〕介绍实测中，第1脉冲波前陡度记录到72kA/μs，平均陡度24.3kA/μs，幅值记录最大值为250 kA，波长达250 μs；后续脉冲波前最大陡度记录到最大值300 kA/μs，平均陡度39.9 kA/μs，幅值记录到最大值35 kA，波长达170 μs。也就是说，一次对物体雷击中，被击物中流过一连串的不同陡度，不同幅值的波长100 μs上脉冲波。
过去架空线路电压等级不高，在220 kV及以下，杆塔高度不高，54《导则》〔1〕中架空线路耐雷强度计算，仅考虑第1脉冲，这是因为后续脉冲引起线路绝缘闪络概率远低于第1脉冲的。但随着电压等级升高，多回同杆架设，大跨越杆塔，杆塔电感大，99《导则》〔2〕中，要求评估很大电感的杆塔耐雷强度时考虑后续脉冲，99《导则》中同时指出:变电所防雷保护计算中应考虑第1脉冲和后续脉冲。
我国DL/T 620-1997〔3〕中，评估架空线路耐雷强度和变电所防雷保护计算，仅考虑了第1脉冲，看来要增加考虑后续脉冲。
1.2 架空线路雷击次数
至今，世界各国对建筑物(如架空线路、变电所、楼房等)的雷击次数，都是间接地估算的。按其长、宽、高(架空线路按避雷线悬挂平均高度)来推算等效地面面积。等效面积乘以对地雷击密度ρ0获得该被击物雷击次数。对地雷击密度ρ0是指在一个持续期间周期内单位面积内记录的雷击次数。54《导则》〔1〕和DL/T 620-1997〔3〕是以"雷暴日数"与ρ0相关来推算。实测证明，"雷暴日数"与ρ0有很弱的关联。99《导则》〔2〕改用"雷暴小时数"与ρ0相关来推算，这是前进了一步。目前，可依据仪器测量的累积统计资料，绘制全国ρ0分布图。
曾有文指出，靠"雷暴日数"或"雷暴小时数"分布图来推算ρ0会入误判。因为"雷暴日数"或"雷暴小时数"是按预报点在这一日内或1h内只要有一次雷暴来定义的，未表明在这一个雷暴日或一个雷暴小时内雷电活动持续多久或雷击密度，以及至报告点的距离和方向，或雷电放电是在云之间还是云和地之间。
99《导则》〔2〕亦指出了平原和山地雷击强度不同，环山上架空线路的雷击多，侧击雷多。同一走廊，两回架空线路，较高杆塔这回路对较低杆塔回路屏蔽。架空线路受着城市建筑和树木屏蔽，比一般经过野外的地方减少很多。由于这些原因，使得设计测算与实际运行不一致。
中国运行经验显示，雷击有选择性，不是沿架空线路均匀雷击，而是有的杆塔和线段雷击频率很高，有的杆塔和线段在长期(几十年)无雷击。
1.3 架空线路杆塔接地冲击电阻
杆塔接地体通过雷电流时形成火花过程会使得接地电阻降低。在防雷计算中引入一个冲击系数。在长期应用中，这个冲击系数只考虑与接地体形状和土壤电阻率相关。54《导则》〔1〕中，则指出与接地体通过的雷电流幅值大小有关。99《导则》〔2〕除指出上述相关因素外，特别指出：线路绝缘闪络发生在火花区形成之前，防雷计算中就不能引入冲击系数。也就是说，杆塔接地冲击接地电阻减小，不会减小雷击跳闸计算次数。
2 架空线路绝缘子串中个数选择
所有电压等级架空线路绝缘子型式、个数和绝缘子串长度不是根据防雷保护理由而是根据工作电压来选择。99《导则》〔2〕中除54《导则》〔1〕和DL/T 620-1997〔3〕有关规定之外，在正文第8章《110kV及以上架空线路防雷保护措施选择》第8.7.2条关于绝缘子串中个数选择增加1款规定，这是54《导则》〔1〕和DL/T 620-1997〔3〕中没有的，即"为了保证线路绝缘25年不检修运行周期，实施在绝缘子串中增加绝缘子个数"。
俄罗斯对架空线路实施25年不检修运行周期的规定，这是适应"减人增效"发展要求的，过去"零值绝缘子"的检测和更换工作量很大，以后实施在绝缘子串中增加"零值"储备，保证在25年运行周期内不检测和更换"零值"绝缘子。从99《导则》〔2〕参考图表数据来看，大致上比DL/T 620-1997〔3〕多1～3个以上。
依据线路断路器操作资源准则，俄罗斯已发展成全国统一电力系统。电网结构强，对用户供电可靠性，由电网结构和调度自动控制来保证。所以，99《导则》〔2〕第8.3条规定"架空线路允许雷击跳闸次数和防雷保护措施选择是依据线路断路器操作资源准则。"
断路器操作资源是出厂技术条件规定的。不同形式如油的、空气的、SF6断路器具有操作资源是不同的。
一条架空线路允许雷击跳闸绝对次数是依据采用的线路断路器在检修周期之间操作资源全部耗尽条件来计算的。
99《导则》〔2〕附录28专门介绍了将不同型式断路器出厂技术条件规定的参数，如允许不检修断路器开断额定短路电流值和次数，断路器计划检修平均周期(年数)，换算成实际线路沿全长均匀分布短路点(不同短路点、不同短路电流)时的操作资源，将其全部耗尽，为该线路允许雷击跳闸绝对次数。
99《导则》附录26和附录27制作了不同电压等级、不同杆型(金属的、混凝土的、单柱、双柱、单避雷线、双避雷线、保护角)、不同绝缘子串中的个数、不同线路长度，通过不同雷电小时地区时，保证架空线路雷击跳闸绝对次数不超过采用的不同型式线路断路器操作资源允许时，要求杆塔接地电阻计算值(Ω)的参考图表，除方便使用外，提出一个重要新观点：即不是按耐雷水平和土壤电阻率来要求杆塔接地电阻值(Ω)。
99《导则》第8章最后在展望将来中指出“在SF6断路器广泛采用和它们运行经验积累，架空线路防雷保护措施综合选择准则可能要修正。在SF6断路器很高操作资源情况下，供电可靠性将决定于雷电过电压和短路电流作用于它的很敏感的其他变电设备(例如，电力变压器)的状况”。
4 架空线路运行经验和防雷措施
4.1 110～750 kV架空线路运行指标
110～330 kV架空线路耐雷运行指标，各地相差很大，这主要是由于山地条件的雷电活动水平和土壤电阻率以及杆型结构不同所致。
雷击跳闸次数是由反击(雷击杆塔和档中避雷线)和绕击跳闸次数组成，与标称电压等级和架空线路结构(杆型、避雷线根数和布置，接地电阻)等有关。随着架空线路标称电压等级升高，线路绝缘冲击强度提高，架空线路总耐雷性提高，反击闪络跳闸占的百分数下降。但是，随着电压等级升高，雷击跳闸占总跳闸比例上升了(见表1)，雷击跳闸地位和重要性上升了。
表1 110～750kV架空线路(110 km年运行)跳闸运行指标
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电压等级 |
110km年运行跳闸次数 |
雷击跳闸占的比例 | ||||
|
|
跳闸总次数 |
雷击跳闸次数 | ||||
|
|
变化范围 |
平均 |
变化范围 |
平均 |
变化范围 |
平均 |
|
110 |
3.5～14.4 |
9.0 |
0.33～2.3 |
1.0 |
4.5～22.5 |
12 |
|
220 |
1.3～5.8 |
3.0 |
0.03～1.2 |
0.45 |
1.2～30 |
15 |
|
330 |
0.4～3.0 |
2.0 |
0.10～0.66 |
0.20 |
4.3～51.0 |
10 |
|
500 |
|
0.6 |
|
0.08 |
|
15 |
|
750 |
|
0.24 |
|
0.07 |
|
30 |
4.2 110～750 kV架空线路耐雷指标和防雷保护措施分析
(1) 110 kV架空线，一般是使用单柱杆型(金属和混凝土的)，单避雷线。雷击杆塔时反击闪络率高，是110 kV架空线路雷击跳闸的主要原因，对这种单柱混凝土杆架空线路雷电绕击导线跳闸占的比例不超过15％。对其他杆型，这个值还要低一些。比较好的耐雷指标(相差2.5～3.0倍)是混凝土杆架空线路，因杆的高度低，雷击次数少，杆塔电感降低了，以及架空线路"接闪"雷电流最为有利统计。
提高110 kV架空线路耐雷性最基本措施是保证较低杆塔接地电阻。提高其耐雷性，最有效措施是在下导线区内悬挂第2根避雷线(国内称耦合线)，是改善导线静电屏蔽，降低雷击杆塔和避雷线时的反击闪络率。这种措施特别有效地减少了双回路架空线路中双回路同时跳闸次数。
(2) 220 kV架空线路，耐雷指标随着架空线路结构不同，相差5～6倍(在接地电阻10偈 )。单回和双回的单避雷线的高杆塔架空线路，雷击跳闸率最大。悬挂双避雷线，随着接地电阻改善，可降低雷击跳闸率1.4～1.6倍。雷击跳闸主要原因是反击闪络。单回和双回闲Π型植塔双避雷线架空线路具有最优耐雷指标。
(3) 330 kV架空线路基本上是用金属杆塔。按机械荷载，混凝土杆应是Π型。同220kV架空线路相比，绝缘冲击强度增高了，相应地单回单柱杆塔的雷击跳闸率减小了1～1.5倍。220kV和330 kVΠ型杆塔的耐雷指标接近，因雷电绕击跳闸约近雷电总跳闸一半。在单回和双回金属杆塔上悬挂双避雷线，在所有接地电阻值时，雷击跳闸率比单避雷线实际降低1倍左右。
(4) 500 kV和750 kV架空线路唯一方案是用单回，相水平排列，双避雷线保护。500 kV和750 kV架空线路雷电绕击闪络是雷击跳闸主要起因。若进一步减小绝缘子串长度，降低绝缘冲击强度，同时使得避雷线与导线之间垂直距离缩短，将会增大雷电绕击率。这对避雷线正保护角架空线路，是一个最不利的影响因素，可采取增高避雷线支持高度或防止档中避雷线移动。
(5) 北方哈克斯坦1150kV 架空线路雷击跳闸率，在标称电压运行时100 km年为0.4(1150kV架空线路降压500 kV运行时不应跳闸)。1150 kV架空线路运行经验总量为16700 km年(从1986年～1995年)，其中在标称电压运行为3000 km年。在1150 kV架空线路运行全部期间内，雷击跳闸21次。跳闸基本原因--在耐张转角杆塔范围内雷电绕击导线，迫切要求改善避雷线保护。提高1150 kV架空线路耐雷性是要靠使用负保护角避雷线的直线杆塔和耐张转角杆塔来保护。
(6) 提高架空线路不间断供电可靠性的后备措施是自动重合闸(AΠB)，特别是快速重合闸(BAΠB)和单相重合闸(OAΠB)。在雷击跳闸时AΠB成功系数，运行经验数据是：110～500 kV架空线路为0.6～0.8，750 kV和1150kV架空线路为0.8～0.9。AΠB可以部分地补偿因接地困难时的架空线路耐雷水平低的情况。但是，采用AΠB不应减少使用的防雷保护基本措施，因为接地短路会降低变电所设备资源。
(7) 特别应注意弱绝缘杆塔的防雷保护。在弱绝缘杆塔以及易击杆塔上安装过电压限制器(OΠH，国内称交流无间隙金属氧化物避雷器)是很有效的。
5 结论
(1) 俄罗斯99《导则》评估架空线路耐雷性，计算中采用第1脉冲和后续脉冲雷电流幅值和陡度参数。中国GB 50057-1994(2000)《建筑物防雷设计规范》也是这样规定的。中国电力行业标准DL/T 620-1997仅考虑了后续脉冲。
(2) 俄罗斯99《导则》规定架空线路绝缘子串中的个数时，要求"为了保证线路绝缘25年不检修运行周期，实施增加绝缘子的个数"。这是适应"减人增效"要求的。绝缘子个数大致比中国DL/T 620-1997中规定的多1～3个以上。
(3) 俄罗斯99《导则》规定架空线路允许雷击跳闸次数是依据线路断路器操作资源准则，不再是俄罗斯54《导则》和中国DL/T 620-1997那样，按耐雷水平和土壤电阻率作为准则。
(4) 通过俄罗斯架空线路运行经验可知，雷击跳闸主要起因是：110～220 kV是反击闪络；330 kV大致是反击闪络和绕击闪络各一半；500～1150 kV是绕击闪络。
6 参考文献
〔1〕 苏联电站和电工部.руκοводяшие укаэания по эашите от перенапряжений эдектротехнических установок перемнного тока 3~220кв. гэи， 1954.
〔2〕 俄罗斯统一电力系统(ЕЗСРОССИИ).руκοводствопоэашите эдектрических сетей 6～1150квот гроэовых и внутреннихперенапряжений.рд 153-34.3-35.125-99， Санкт-петербург иэд Αтеяьство пэипк，1999.
〔3〕 DL/T 620-1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合.
〔4〕 DL/T 621-1997 交流电气装置的接地.