輸電線路雷電防護的現狀分析

葉 明，柳志江，吳芳華，鄒治寰

（湛江市防雷設施檢測所，廣東 湛江 524001）

1 引言

輸電線路縱橫交錯分布在曠野上，極易遭受雷擊，因雷擊造成輸電線路閃絡引起的線路故障一直是影響電網安全運行較為主要的原因之一。在我國跳閘率比較高的地區，高壓線路運行的總跳閘次數中由雷擊引起的次數約占 40 %～70 %，在多雷、土壤電阻率高、地形復雜的地區，雷擊輸電線路而引起的事故率則更高。[1]雷電活動特性是輸電線路防雷設計的基礎，與輸變電工程雷電防護相關的雷電參數有雷暴日、地面落雷密度、雷電流幅值及波形等，目前積累最完整的只有雷暴日數值。隨著電力系統的發展，高速攝影、雷電定向定位儀、雷電定位系統、衛星雷電探測系統等現代化測量技術用于雷電觀測、人工觸發雷電及長空氣間隙人工雷電放電實驗研究的進展，豐富了人們對于雷電的認識，本文對如何提高輸電線路的防雷性能進行一些探討研究。

2 雷電參數研究方法

2.1 人工記錄方法

氣象觀測站記錄每天的雷電及閃電數據。

2.2 雷電定位系統

雷電放電是由帶電的雷云引起的，雷電定位監測系統是當前監測雷電的主要技術平臺。我國電網已建立了29個省域的雷電定位系統（LLS）監測地閃發生時間、位置、雷電流幅值、極性等，為電力系統提供具有地域特征的雷電日和地面落雷密度數據。廣東省電力試驗研究所統計1997－1999年3年的LLS監測數據，得出負極性云地閃擊分別占總閃擊次數的95.6 %、95.6 %和 95.8 %。[2]

2.3 衛星雷電探測系統

衛星雷電探測系統是對大范圍雷電現象進行監測的有效手段，可獲得全球和局地閃電發生時間和持續時間、發生地點的經緯度、閃電光輻射能等信息。20世紀90年代，美國航天航空局（NASA）相繼發射衛星探測器、光學瞬態探測器（OTD）和閃電成像傳感器（LIS）探測閃電活動。

2.4 雷電流波形監測

雷電流波形監測裝置是了解雷電流幅值及波形的最直接的手段。先前雷電流波形監測裝置主要安裝在高山或高塔上，最著名的是安裝在多倫多電視塔上的雷電流監測裝置。自高塔或高山上的觀測塔的雷電流監測結果對輸電線路的防雷設計有一定的參考作用，但雷電流波形與實際的桿塔結構及桿塔高度具有重要的關聯性，這些監測結果用于線路防雷時可能會偏高。另外，輸電線路的工作電壓對雷電的吸引作用可能會導致雷擊概率的增加。近年來，已在輸電線路桿塔上安裝了雷電流波形監測裝置進行雷電流波形監測裝置的研究。

2.5 雷電放電過程及閃絡路徑拍攝

安裝高速照相機、攝像機拍攝雷電放電過程及閃絡路徑是近年來雷電研究的一個方向，拍攝得到的雷擊輸電線路的圖片及過程為雷電先導模型的建立提供了重要依據。

2.6 火箭引雷

火箭引雷是用一根導線將火箭與地面連接，使火箭在幾秒內加速進行人工觸發閃電，是獲取雷電流波形的一種方法。火箭引雷獲得的數據是在雷云還沒有完全孕育的情況下獲得的，所得出的雷電流幅值明顯低于監測裝置的記錄結果，可供一定參考作用。

3 雷暴日

雷暴日是指某地區一年中有雷電放電的天數，一天中只要聽到一次以上的雷聲就算一個雷暴日。但遠距離的雷電由于雷聲大小、聽覺原因、背景噪聲或傳播路徑上有障礙原因而漏統計，而且雷暴日不全是可能危及輸電線路安全的云地閃絡，也包含了云間放電。雷暴日只是對雷電活動的粗略統計，雷暴日少的地區并不意味著雷擊次數少，而雷暴日高的地區并不意味著雷擊次數多。目前我國一個地域采用同一雷暴日參數來進行防雷設計，無法考慮雷電的地域性。對于新建的輸電線路，要根據線路沿線附近氣象站點的地面氣象資料進行統計，最好采用年雷暴小時數，分析每年雷暴開始及結束時間等，可確保輸電線路的防雷設計效果更好。

4 地面落雷密度

地面落雷密度Ng指每年每平方千米落雷次數[單位為次/（km2·a）]。我國電力行業標準DL/T 620－1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中取Ng＝γTd。國際大電網會議（CIGRE）推薦Ng＝0.023T1.3d。[3]IEEE推薦的經驗公式為 Ng＝0.04T1.25d。[4]

5 雷電流幅值

1962－1988年歷時27年間，浙江省電力試驗研究院安裝磁鋼棒對220 kV新杭線I回路的雷電流進行了長期的監測，對106個雷擊塔頂的雷電流幅值數據和其中97個負極性數據的統計，得到了雷電流幅值超過IM（單位為kA）的概率P為lgP＝－IM/88。該公式已寫入我國的電力行業標準 DL/T 620－1997中。但將某一線路的雷電參數推廣到全國所有線路的防雷設計值得斟酌。雷電活動具有明顯的地域性，不同地區的雷電流幅值概率特性相差很大，即使同一地區、由于區域地形、氣候的不同，雷電流幅值概率也相差很大。雷電流幅值概率P一般采用公式：

式中，a、b為與被統計地區雷電活動相關的參數，IEEE推薦值為a＝31，b＝2.6。

雷電定位系統在提供地面落雷密度數據的同時，也提供每次雷擊對應的雷電流幅值。其基本原理是通過測試雷電放電產生的電場，根據假設的雷電通道模型來反演得出雷電流的幅值。但監測到的雷電流產生的電場包含了地面、樹木、山體、建筑物等的反射波，因此監測得到的數據是已變形的數據，反演得到的雷電流幅值難以保證其準確度。

6 雷電流波形

6.1 高塔監測結果

可借助高測量塔對通道底部電流進行測量，得出雷電流數據的統計特征。CIGRE推薦的負極性下行閃電的對數正態分布參數見表 1。[5]IEEE 采用的 CIGRE 雷電流推薦波形見圖 1。[3]

表1 負極性主放電電流統計表

圖1 典型的雷電主放電電流波形

6.2 火箭引雷的測量結果

采用火箭引雷可獲取雷電流波形。圖2所示是美國NASA（1985年、1987年、1988年）和法國（1986年）通過火箭引雷得到的雷電流幅值I及波頭部分的dI/dt之間的關聯圖。[6]

圖2 通過火箭引雷得到的雷電流幅值I及波頭部分的dI/dt之間的關聯圖

6.3 輸電線路雷電波形監測裝置監測結果

日本根據1994－2004年10年監測得到的雷電流持續時間及幅值的概率分布與Berger等的高塔監測結果進行了比較，[7]線路桿塔與高塔的雷電流幅值監測結果概率分布基本一致，幅值＜10 kA時有些差別，但二者的波頭時間的概率分布相差較大。

7 線路防雷措施的決定因素

輸電線路遭雷擊閃絡時，經自動重合閘裝置消除工頻續流后繼續運行。只有自動重合閘無法消除的永久性故障時線路才退出運行。輸電線路采用哪一類防雷措施主要是由電力運行部門對雷害事故的考核方式決定的。衡量輸電線路防雷性能的優劣主要有兩個指標：一個指標是線路雷擊跳閘率，它是指每一百公里線路每年（折算到40個雷電日下）由雷擊引起的跳閘次數；另一個指標是線路的耐雷水平，它指雷擊線路時線路絕緣不發生沖擊閃絡的最大雷電流幅值，單位是kA。線路的耐雷水平越高，線路絕緣發生沖擊閃絡的機會越小，說明線路的防雷性能越好。我國的防雷措施的出發點是盡量不讓線路雷擊閃絡。雖然雷擊閃絡后經自動重合閘裝置來排除閃絡故障，但絕緣子表面在工頻電弧作用下會發生燒蝕。

8 防雷措施

在高壓輸電線路中，落雷所擊的部位有三處：桿塔頂、避雷線檔距中央及其附近以及繞過避雷線直擊導線處，其中以雷擊桿塔頂端最為嚴重。輸電線路的耐雷水平主要與四個因素有關：線路絕緣子的50 %放電電壓U50 %、有無避雷線、雷電流強度、桿塔的接地電阻。其中，U50 %是一定的，雷電流強度與地理位置和氣候條件相關。目前多采用降低桿塔接地電阻值、架設避雷線、安裝避雷器等方式來提高輸電線路的耐雷水平，主要防雷措施包括以下幾個方面：

8.1 安裝避雷線

避雷線是輸電線路最基本的防雷措施之一，可防止雷電直擊導線；對雷擊電流的分流；與導線耦合，降低導線上的感應過電壓；降低雷擊桿塔時塔頭絕緣上的電壓。但避雷線的作用是引雷，會造成反擊、繞擊及感應雷擊事故，對高桿塔或大檔距的輸電線路保護不夠理想。

8.2 提高線路絕緣水平

在線路設計過程中，一般不按雷電過電壓的要求選擇絕緣子串的絕緣子強度，但可根據具體情況對輸電線路進行調爬，110 kV輸電線路調整到8片絕緣子，500 kV線路調整為27片、28片，既減少污閃又起到增強線路防雷性能的作用。

8.3 桿塔接地技術

對一般高度的桿塔，降低線路桿塔地網接地電阻是提高線路耐雷水平，以防止反擊的有效措施。接地裝置在雷電流作用下，存在電感效應和火花效應，電感效應導致阻抗增加，而火化效應導致阻抗降低。降低桿塔接地電阻應該降低的是沖擊接地電阻，一般來說，接地裝置的沖擊接地電阻低于工頻接地電阻。但經常出現工頻接地電阻很低的桿塔而雷擊閃絡事故頻繁的現象。其原因是，在一些高土壤電阻率地區采用較長的水平伸長接地體可以有效降低工頻接地電阻，但由于接地體具有雷電沖擊有效長度，沖擊接地電阻卻不會隨之降低。目前，我國一般將桿塔的工頻接地電阻乘以一個估算的沖擊系數來得到沖擊接地電阻。

8.4 架設耦合地線

在降低桿塔接地電阻有困難的時候，可以在導線下方架設一條接地線（耦合地線），作用有：①增加避雷線與導線之間的禍合作用，降低絕緣子串兩端的反擊電壓；②在雷擊塔頂時，增大向相鄰桿塔分流的雷電流。

8.5 雙回輸電線路采用不平衡絕緣

雙回輸電線路采用不平衡絕緣，低絕緣水平的一回線路在雷擊時將率先閃絡來保護另一回線路。過去日本的不平衡絕緣線路采用降低一回線路的絕緣水平的差絕緣方式，結果導致線路總體雷擊閃絡率增加，目前我國采用的是加強一回線路絕緣水平的方式。

8.6 線路裝設自動重合閘裝置

由于雷擊造成的閃絡大多能在跳閘后可自行恢復絕緣性能，所以裝設自動重合閘裝置可使線路恢復供電。

8.7 安裝線路避雷器

線路避雷器工作的基本原理是雷擊避雷線或塔頂時，當產生的過電壓超過一定的幅值時避雷器發生動作，給雷電流提供一個低阻抗的通路，使其泄放到大地，從而限制了電壓的升高。避雷器的性能有待改進使其提高容量、降低殘壓和延遲老化等，同時降低生產成本、擴大應用范圍。經驗表明，線路避雷器可達到100 %防止被保護線段雷擊閃絡的效果，要消除線路雷擊閃絡，需要在易擊段每個桿塔上安裝線路避雷器。

9 結束語

輸電線路的防雷措施主要包括安裝避雷線、提高線路絕緣水平、同塔多回線路的不平衡絕緣、改善桿塔接地裝置沖擊特性、架設耦合地線、裝設自動重合閘裝置、安裝線路避雷器等。對于已投運的輸電線路，減小屏蔽角、提高絕緣水平等措施受到桿塔結構的限制，最有效的方法是安裝線路避雷器。對于新建線路，減小輸電線路的雷擊故障一般的方法是盡量減小避雷線的屏蔽角，降低桿塔接地裝置的沖擊接地電阻，適量安裝線路避雷器。對于不同電壓等級的輸電線路，安裝線路避雷器都是最為有效的線路防雷措施，可實現100 %消除被保護線段的雷擊跳閘事故。但線路避雷器的保護范圍有限，投資較高，在不可能全線安裝線路避雷器時，應充分利用雷電定位系統開展線路避雷器的選址。防雷設計應結合雷電參數的地域特性，綜合評估線路的防雷特性和防雷措施的有效性，因地制宜，不同區域線段采取與之相應的防雷措施。

1 武漢高壓研究所.輸電線路雷擊跳閘率計算方法和500 kV超高壓線路防雷設計中的幾個問題[R]，1982

2 陳水明、樊靈孟、何宏明等.廣東省雷電定位系統運行情況[J].中國電力，2001.34（12）：43～47

3 Anderson R B, Eriksson A J.Lightning parameters for engineering application [J].Electra,1980.39（69）: 65～102

4 IEEE Std 1410－1997 IEEE guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines[S],1997

5 CIGRE.Guide to procedure for estimating the lightning performance of transmission lines: CIGRE Brochure 63[R].[S.l.]: CIGRE, 1991

6 Leteinturier C, Hamelin J H, Eybert－Berard A.Submicrosecond characteristics of lightning return stroke currents[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1991.33（4）:351～357

7 Takami J, Okabe S.Observational results of lightning currenton transmission towers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007.22（1）：547～556