高壓架空輸電線路防雷技術探討

蘇北海

（瀏陽市株樹橋水庫管理局瀏陽市410102）

1 線路雷擊及跳閘分析

（1）據電網故障分類統(tǒng)計表明，在我國跳閘率較高的地區(qū)，高壓線路運行的總跳閘次數中，由雷擊引起的次數占50%～70%，尤其是在多雷、土壤電阻率高、地形復雜的地區(qū)，雷擊輸電線路引起的事故率更高。

（2）雷電對輸電線路的危害。雷電對輸電線路安全運行危害極大，經常造成絕緣子閃絡事故，特別在山區(qū)、交通不便的地區(qū)，給巡視、查找故障增加不少困難。我區(qū)因特殊的地理位置，雷電時常伴有瞬間大風與急雨，極大的風速經常造成高大樹木倒落導線上、輸電線振動、橫向碰擊和倒桿斷線的發(fā)生。如對這些現象處理不及時的話，就會造成電力事故，嚴重時會危機人們生命財產的安全。

（3）線路雷擊跳閘的兩種主要表現形式。一種是直擊雷，是指帶電云層與大地上某一點之間發(fā)生迅猛的放電現象。直擊雷威力巨大，雷電壓可達幾萬伏至幾百萬伏，瞬間電流可達十幾萬安，在雷電通路上，物體會被高溫燒傷甚至融化。直擊雷多為擊于塔頂及塔頂四周的避雷線，一般造成該塔一相或多相瓷瓶閃絡。另一種是繞擊雷，是繞過避雷線擊于導線上，繞擊雷多發(fā)生在大跨越檔和線路四周空曠地區(qū)。一般造成邊相瓷瓶串閃絡，該邊相應該是迎著雷云走向的一側，有時因雷電流較大，雷繞擊導線后雷電流沿導線兩側傳遞，也會造成該檔相鄰的桿塔同相瓷瓶串閃絡，當較大的雷電流繞擊在靠一側桿塔的導線上時，造成該塔的瓷瓶串閃絡，同時由于雷電流大，在通過桿塔入地時造成塔頂電位高，同樣可以引起反擊，造成其它相瓷瓶閃絡。

（4）線路雷擊次數。對高度小于、等于20 m的線路，每年每百公里的雷擊次數：

式中T——每年平均雷電日；

H——輸電線路高度（m）；

R——落雷密度，為每平方公里雷電日對地落雷次數。

對20 m高線路，在每年30雷電日地區(qū)，每百公里落雷次數為9次。對于30 m高線路，

在每年30雷電日地區(qū)，每百公里落雷次數為11.7次。根據新標準，按40雷暴日計，每年每百公里落雷次數為：N=0.28（b+4 h）

式中b——架空地線間距離；

H——輸電線路高度（m）。對20 m高線路，在每年40雷電日地區(qū)，每百公里落雷次數為22.4次。對30 m高線路，在每年40雷電日地區(qū)，每百公里落雷次數為33.6次。

（5）感應雷電過電壓。距架空線路S>65 m處，雷云對地放電時，線路上產生的感應過電壓按下式計算：Ui≈25×I.hc/S

式中Ui——雷擊大地時感應過電壓最大值（kV）；

Hc——導線平均高度（m）；

I——雷電流幅值（kA）；

S——雷擊點與線路的距離（m）。

線路上的感應過電壓為隨機變量，其最大值可達（300～400）kV，一般僅對35 kV及以下線路的絕緣有一定威脅。

（6）雷擊架空線路導線產生的直擊雷過電壓可按下式計算：Us≈100.I

式中Us——雷擊點過電壓最大值（kV）；

I——雷電流幅值（kA）。

雷擊導線形成的過電壓易導致線路絕緣閃絡，架空避雷線可有效地減小雷直擊導線。因雷擊架空線路的塔頂及四周的避雷線形成作用于線路絕緣的反擊過電壓，其反擊過電壓與雷電參數、桿塔形式、高度和接地裝置電阻值有關。運行經驗證實，雷擊檔距中間的避雷線時，發(fā)生線路跳閘的情況是極為罕見的，可不予考慮。

（7）有避雷線的線路雷擊跳閘率的確定。

●在下列情況下線路將要跳閘:

雷擊桿塔頂部發(fā)生閃絡并建立電??；

雷擊繞過避雷線擊于導線發(fā)生閃絡并建立電弧。

●耐雷水平的確定

雷繞擊導線時的耐雷水平：I2=4.U50%/=U50%/100式中U50%——絕緣子串的50%沖擊放電電壓；

Z——雷擊導線處的波阻抗約為400 Ω。

●由雷擊點左右兩側導線波阻并聯和雷擊到波阻為Z/2的導線上其阻抗近似等于雷電通道波阻ZO時的雷電流比雷擊零歐時減半而構成的。

雷繞擊導線時的耐雷水平如下：

110 kV線路桿塔每串瓷瓶為7×X～4.5時耐雷水平為7 kA。

一旦有超過上述耐雷水平的雷電繞擊與導線都會出現瓷瓶串閃絡，跟隨而來的工頻續(xù)流建立電弧，造成線路跳閘。所以防止雷直擊導線一般采用架設單雙避雷線、架設與導線平行的耦合地線等措施。

雷擊塔頂時的耐雷水平：雷擊桿塔頂部時，有雷電流通過桿塔，在塔頂產生電位Utd，空中迅速變化的電磁場在導線上感應一相反符號的感應過電壓Ug。

式中a——感應系數，為雷電流陡度取I/2.6；

Hd——導線平均高度。

有避雷線的桿塔，絕緣承受的電壓瞬時值為：

式中K——避雷線與導線間的耦合系數。

雷擊塔頂時，桿塔頂部電位最大值為：Utd=β。

將Ug、Utd代入式得出桿塔上絕緣承受的過電壓最大值：Uj=β+ahd（I-K）

式中β——桿塔的分流系數，110 kV雙避雷線為0.88；

Rch——桿塔沖擊接地電阻；

Igt——桿塔電感，鐵塔為0.5 μH/m、無拉線鋼筋混凝土雙桿為0.42 μH/m。

當Uj大于絕緣子串的50%沖擊放電電壓，將發(fā)生閃絡。取Uj=U50%，可求出桿塔頂部耐雷水平：I1=U50%/（IK）β+hd/2.6。

當雷電流大于I1時，雷擊桿塔頂部絕緣子將發(fā)生閃絡。

從上面公式可見要提高桿塔耐雷水平，可以增加絕緣子片數U50%放電電壓值；減低桿塔接地電阻。

●有避雷線線路的雷擊跳閘率：

式中NL——每百公里每年線路雷擊次數；

η——建弧率，η=（4.5E0.75-14）×10-2；

E——絕緣子串的平均運行電壓（kV/m）；

G——擊桿率，雙根避雷線平原取1/6，山區(qū)取1/4；Pa——繞擊率，山區(qū)線路的繞擊率約為平地線路的3倍；

P1——超過雷擊頂部的耐雷水平的雷電流概率；P2——超過雷繞擊導線時耐雷水平的雷電流概率。

2 輸電線路防雷措施

2.1 架設避雷線

架設避雷線是輸電線路防雷保護的最基本和最有效的措施。避雷線的主要作用是防止雷直擊導線，同時還具有以下作用：

（1）分流作用，以減小流經桿塔的雷電流，從而降低塔頂電位；

（2）通過對導線的耦合作用可以減小線路絕緣子的電壓；

（3）對導線的屏蔽作用還可以降低導線上的感應過電壓。

通常來說，線路電壓愈高，采用避雷線的效果愈好，而且避雷線在線路造價中所占的比重也愈低。因此，110 kV及以上電壓等級的輸電線路都應全線架設避雷線。同時，為了提高避雷線對導線的屏蔽效果，減小繞擊率，避雷線對邊導線的保護角應做得小一些，一般采用20°～30°。220 kV及330 kV雙避雷線線路應做到20°左右，500 kV及以上的超高壓、特高壓線路都架設雙避雷線，保護角在15°左右。

2.2 安裝避雷針

安裝避雷針也是架空輸電線路常用的一種防雷措施。但是在實際應用卻存在以下問題：

（1）由于避雷針而導致雷擊概率增大。

（2）保護范圍小國內外不少防雷專家，對避雷針能向被保護物有多大的保護距離做了系統(tǒng)的研究得出的結論是：“對一根垂直避雷針無法獲得十分肯定的保護區(qū)域”。英國的BS6551法規(guī)曾指出：“經驗顯示不能依賴避雷針提供任何保護區(qū)內的完整保護”。而德國防雷法規(guī)則有意識地不引入避雷針保護范圍的概念。從避雷針因側擊雷、繞擊雷，造成事故的實例來分析，其保護范圍是不十分肯定的。

（3）由于避雷針的引雷作用，所以雷擊次數就會提高，當雷電被吸引到針上，在強大的雷電流沿針而流入大地過程中，雷電流周圍形成的磁場會產生截應過電壓，它與雷電流的大小及變化速度成正比，與雷擊的距離成反比。而被保護物的自然屏蔽裝置對電磁感應或電磁干擾的屏蔽作用，不能達到有效屏蔽，使被保護區(qū)內的弱電設備因感應過電壓而損壞。

（4）反擊的危害當雷電被吸引到針上，將有數千安的高頻電流通過避雷針及其接地引下線和接地裝置，此時針和引線的電壓很高，若針對被保護物之間的距離小于安全距離時，會由針及引下線向被保護物發(fā)生反擊，損壞被保護物。我國國標規(guī)定針距被保護物的空氣中距離≥5 m，針距被保護物的接地裝置間的地中距離Sd≥3 m，針對這一要求，微波塔和電視發(fā)射塔的各種天線上的避雷針是難以滿足規(guī)范的要求。

（5）電磁感應問題在強大的雷電流沿避雷針向下流入地中的過程中，會在周圍產生強大的電磁場，它會使微波通信、計算機等設備產生誤動。強大的電磁場，可以使金屬開口環(huán)或打包用鐵箍的接觸不良處發(fā)生放電，從而引燃引爆易燃易爆物。更常見的則是引起微電子設備(通信設備，計算機設備等)的失靈與損壞。受雷擊的針及引線，在高頻雷電流作用下，將從接觸點至地面產生一個較高的接觸電壓。當雷電流流入大地擴散時，在入地點沿半徑各點形成不同的電位，若跨入該區(qū)域會產生很高的跨步電壓。在測避雷針不適用于對弱電設備的保護，更不易用于易燃易爆品的防雷保護。因它引來強大的雷電流在接地引線斷線卡處易產生火花，還會在附近的金屬開口環(huán)處產生火花，從而引起事故。

2.3 加強線路絕緣

由于輸電線路個別地段需采用大跨越高桿塔(如：跨河桿塔)，這就增加了桿塔落雷的機會。高塔落雷時塔頂電位高，感應過電壓大，而且受繞擊的概率也較大。為降低線路跳閘率，可在高桿塔上增加絕緣子串片數，加大大跨越檔導線與地線之間的距離，以加強線路絕緣。在35 kV時采用差絕緣方式。

此措施適宜于中性點不接地或經消弧線圈接地的系統(tǒng)，并且導線為三角形排列的情況。所謂差絕緣，是指同一基桿塔上三相絕緣有差異，下面兩相較之最上面一相各增加一片絕緣子，當雷擊桿塔或上導線時，由于上導線絕緣相對較“弱”而先擊穿，雷電流經桿塔人地，避免了兩相閃絡。湖南郴州電業(yè)局和包頭供電局在雷害嚴重的一些35 kV線路上應用了這一方法，收到了事故率明顯下降的效果。據計算，采用差絕緣后，線路的耐雷水平可提高24%。

2.4 采用不平衡絕緣方式

在現代高壓及超高壓線路上，同桿架設的雙回路線路日益增多，對此類線路在采用通常的防雷措施尚不能滿足要求時，可考慮采用不平衡絕緣方式來降低雙回路雷擊同時跳閘率，以保障線路的連續(xù)供電。不平衡絕緣的原則是使雙回路的絕緣子串片數有差異，這樣，雷擊時絕緣子串片數少的回路先閃絡，閃絡后的導線相當于地線，增加了對另一回路導線的耦合作用，提高了線路的耐雷水平使之不發(fā)生閃絡，保障了另一回路的連續(xù)供電。

2.5 藕合地埋線

藕合地埋線可起兩個作用：一是降低接地電阻，《電力工程高壓送電線路設計手冊》指出:連續(xù)伸長接地線是沿線路在地中埋設1～2根接地線，并可與下一基塔的桿塔接地裝置相連，它是降低高土壤電阻率地區(qū)桿塔接地電阻的有效措施之一；二是起一部分架空地線的作用，既有避雷線的分流作用，又有避雷線的藕合作用。據有的單位的運行經驗，在一個20基桿塔的易擊段埋設藕合地埋線后，10年中只發(fā)生一次雷擊故障。有文獻介紹可降低跳閘率40%，顯著提高線路耐雷水平。

2.6 預放電棒與負角保護針

預放電棒的作用機理是減小導、地線間距，增大藕合系數，降低桿塔分流系數，加大導線、絕緣子串對地電容，改善電壓分布；負角保護針可看成裝在線路邊導線外側的避雷針,其目的是改善屏蔽，減小臨界擊距。預放電棒與負角保護針常一起裝設，這一方法曾在廣東、貴州等地采用，有一定的效果。制作、安裝和運行維護方便，以及經濟花費不多是其特點。

2.7 裝設消雷器

消雷器是一種新型的直擊雷防護裝置，在國內已有十余年的應用歷史，目前架空輸電線路上裝設的消雷器已有上千套，運行情況良好。雖然對消雷器的機理和理論還存在懷疑和爭論，但它確實能消除或減少雷擊的事實已被越來越多的人承認與接受。消雷器對接地電阻的要求不嚴，其保護范圍也遠比避雷針大。在實際裝設時，應認真解決好有關問題。

2.8 使用接地降阻劑

近幾年來國內一些單位在處理接地時使用了降阻劑，取得了較好的降阻效果，介紹降阻劑的文章也不少，降阻劑確實熱極一時。據有關資料介紹，降阻劑使用后接地電阻隨時間的推移而下降，并且由于其pH值一般均在7.6～8.5之間，有的呈中性略偏堿，對接地體有鈍化保護作用，故基本無腐蝕現象。但是，使用較長時間表明接地降阻劑對接地體產生了嚴重的腐蝕。故在采用這一方法時應關注長期的效果，特別是對接地體的腐蝕問題。

2.9 采用中性點非有效接地方式

在我國35 kV及以下電力系統(tǒng)中采用中性點不接地或經消弧線圈接地的方式。這樣可使由雷擊引起的大多數單相接地故障能夠自動消除，不致引起相間短路和跳閘。而在二相或三相落雷時，由于先對地閃絡的一相相當于一條避雷線，增加了分流和對未閃絡相的耦合作用，使未閃絡相絕緣上的電壓下降，從而提高了線路的耐雷水平。因此，對35 kV線路的鋼筋混凝土桿和鐵塔，必須做好接地措施。

3 結論

總之，影響架空輸電線路雷擊跳閘率的因素很多，有一定的復雜性，解決線路的雷害問題，要從實際出發(fā)，因地制宜，綜合治理。在采取防雷改進措施之前，要認真調查分析，充分了解地理、氣象及線路運行等各方面的情況，核算線路的耐雷水平，研究采用措施的可行性、工作量、難度、經濟效益及效果等，最后來決定準備采用某一種或幾種防雷改進措施。

1 錢冠軍，王曉瑜，丁一正.500 kV線路直擊雷典型事故調查研究[J].高電壓技術，1997，23（2）：73-75.

2 羅真海，何金良，曾嶸，等.爆破接地技術在降低桿塔接地裝置接地電阻中的應用[J].中國電力，1999，6（32）.

3 解廣潤.電力系統(tǒng)過電壓[M].北京：水利電力出版社，1985.

4 楊保初，劉曉波，戴玉松.高電壓技術[M].重慶：重慶大學出版社，2002.

5 周澤存，沈其工，方瑜，等.高電壓技術[M].北京：中國電力出版社，2004.