高壓輸電線路防雷的探討

夏春劉歡 曾元耀

(1、四川電力送變電建設公司，四川 成都 610051 2、河南省駐馬店電業局調度中心，河南 駐馬店 463000 3、四川電力送變電建設公司，四川 成都 610051)

1 輸電線路雷電干擾成因

一切對電氣設備的絕緣有破壞性的電壓升高，均稱為過電壓，在絕緣配合中，一是應考慮空氣間隙，二是應選擇適當的絕緣子片數。任何間隙的雷電沖擊擊穿電壓與操作波作用一樣，都是正極性比負極性低，同時，考慮到90%以上的直接雷是負極性，相當于在導線上施加正極性雷電沖擊電壓。所以線路塔頭空氣間隙的選取，采用正極性雷電沖擊擊穿電壓的數據。而且，降雨對空氣間隙的雷電沖擊擊穿電壓實際上沒有影響，所以可以用干閃情況下的空氣間隙來表示雷電沖擊擊穿電壓的空氣間隙。非直線塔跳線間隙的雷電沖擊擊穿電壓比直線塔低。雷電流高壓效應會產生高達數萬伏甚至數十萬伏的沖擊電壓，如此巨大的電壓瞬間沖擊電氣設備，足以擊穿絕緣使設備發生短路，導致燃燒、爆炸等直接災害。雷電流高熱效應會放出幾十至上千安的強大電流，并產生大量熱能，在雷擊點的熱量會很高，可導致金屬熔化，引發火災和爆炸。雷電流機械效應主要表現為被雷擊物體發生爆炸、扭曲、崩潰、撕裂等現象導致財產損失和人員傷亡。電流靜電感應可使被擊物導體感生出與雷電性質相反的大量電荷，當雷電消失來不及流散時，即會產生很高電壓發生放電現象從而導致火災。因此，對輸電線路雷電危害進行分析，為更好做好防雷做好準備。

2.500kV輸電線路防雷計算分析

高壓架空線路導線上方有架空避雷線。架空避雷線和地面對導線有屏蔽作用，可防止雷電直接擊在導線上。但桿塔高度增加時，地面的屏蔽效應減弱，使更多的雷不擊中地面而擊中導線，即繞擊增加。線路通過山區時，由于線路從山上通過，使桿塔和導線的等值高度增加，使地面屏蔽效應減弱。另外隨地形變化，架空避雷地線對導線的保護角也發生了變化，架空地線的屏蔽作用也減弱，因而使擊中導線的機率增大，使繞擊率增加。

2.1 輸電線路繞擊率計算

繞擊率 P是表征線路出現一次雷擊后繞越擊中導線的概率與程度。高壓線路裝設避雷線之后，導線遭受雷擊的事故已大大減少。但由于避雷線安裝位置，桿塔高度、線路經過地區的地形和地質條件等原因影響，雷電沖擊波仍然有繞過避雷線而擊中導線的可能。繞擊一旦出現，則容易引起絕緣子串的閃絡。所以用繞擊率來表征線路出現一次雷擊時繞超擊中導線的概率和程度。規程推薦的繞擊率計算式為

輸電線路為平原線路:

輸電線路為山區線路:

式(1)及式(2)中:α-避雷線對邊導線的保護角。若取相同的h高度和α值同時代入上式計算并比較結果，可以看出，山區的繞擊率為平原的近3倍。而要保持山區與平原的繞擊率接近相同，則山區線路避雷線的保護角應減小約80。由于這些外部條件和原因形成的差別，設計規程建議，500kV線路保護角α只有100一150。從上述公式中也可以看出，對于超高壓或大跨越的高桿塔要保持與其它桿塔相同的繞擊率就得降低α角。

2.2 輸電線路建弧率計算

高壓線路雷擊閃絡后，雷電流經過閃絡通道入地。由于這個時間很短，線路斷路器來不及反映時，故障點閃絡通道空氣和絕緣或許已經恢復。但如果雷電流泄放后閃絡通路受線路工頻電壓作用，工頻電流接續短路使電弧持續燃燒時，斷路器必將跳閘。因此把線路雷電沖擊閃絡后出現穩定工頻續流電弧的概率稱之為建弧率，用η表示。由經驗和實驗得出的建弧率表達式為：η＝(4.5E0.75－14)×10-2式中，E為絕緣子串運行的平均電位梯度。

輸電線路上的雷電過電壓按其形成分兩種情況：一種是雷云直接擊于線路（包括導線、桿塔，或許還有避雷線），在其上產生危害絕緣的電壓，稱為直擊雷過電壓；另一種是雷擊輸電線路附近地面，在輸電線路的三相導線上，因感應而出現的高電壓，稱為感應雷過電壓，在雷電高頻干擾下，現有的各種暫態保護判據都有可能出現誤判。對于暫態保護來說，除了直擊雷會造成嚴重影響外，感應雷擊同樣會在線路上產生高頻的暫態量，而且由于其發生的頻率高，所產生的危害甚至比直接雷電沖擊更嚴重。

3 防雷新措施探討

3.1 繞擊雷對500kV輸電線路的危害

雷電對輸電線路造成危害的形式主要有感應雷與直擊雷，對于220kV及超高壓輸電線路，由于自身絕緣水平較高，感應雷不會構成威脅，雷電危害主要是直擊雷的影響。隨著雷電定位系統的廣泛采用，人們對輸電線路雷擊故障有了更加清晰的認識，大量的雷擊跳閘故障都是由相對較小的15～30kA左右雷電流繞擊引起的。現場數據分析表明，220kV和500kV線路雷電繞擊跳閘率占雷擊跳閘總數的50%和85%以上，線路繞擊呈現如下規律：雷擊閃絡故障以桿塔邊相為主；雷電流幅值較低，一般在15～30kA左右；耐張轉角塔遭雷擊比例較高；平原地區也有一定的概率。

3.2 安裝避雷針

避雷針由避雷針針頭(接閃器)、引流體和接地體三部分組成，如圖1所示。1-針頭；2-鋼結構；3-接地體；4-被保護物500kV變電站的避雷針針尖由直徑40~80mm、壁厚為4~8mm的三節無縫鋼管串接而成。引流體利用變電站門型鋼構架(構架避雷針)或獨立鋼構架(獨立避雷針)。避雷針的接地裝置除利用變電站的接地網外，還應就地作集中接地，在一般土壤導電較好的條件下，用三根2.5m長的40mm×40mm×4mm的角鋼打入地中并聯后與鋼構架可靠連接。

避雷針一般明顯高于被保護的設備和建筑物，當雷云先導放電臨近地面時首先擊中避雷針，避雷針的引流體將雷電流安全引入地中，從而保護了某一范圍內的設備和建筑物。避雷針的接地裝置的作用是減小泄流途徑上的電阻值，降低雷電沖擊電流在避雷針上的電壓降，即降低沖擊電壓幅值。

圖1 避雷針結構示意圖

3.3 應用避雷線

避雷線的結構基本與避雷針相同，它由水平懸掛的導電線、雷電流引下導體和埋入地中的接地裝置三部分組成。兩根等高避雷線的保護范圍（見圖2），避雷線外側的保護范圍按單根避雷線的保護范

圖2 兩根等高避雷線的保護范圍

圍計算。

當hx≥h/2時。rx=0.47(h-hx)p

當hx＜h/2時。rx=(h-1.53hx)p

式中rx--每側保護范圍的寬度；h-避雷線高度，m。hx--被保護物的高度，m。p-避雷針高度影響系數。兩避雷線之間的保護范圍由通過1、0、2 的 圓 弧 確 定 ，0 點 的 高 度 h0按 式h0=h-D/4p計算。

式中D-兩避雷線間的距離，m。500kv輸電線設備區上空架設多條避雷線對設備區和建筑物起到保護作用。

4.避雷針與避雷線的運行維護

(1)500kV的避雷針或避雷線一般處于45m的高空。長年在風力的作用下，避雷針或避雷線產生高頻擺動或振動，故應防止避雷針或避雷線因金屬疲勞而折斷墜落。國內已有500kV變電站避雷針長7m的針尖在鋼管串接接縫處折斷墜落的先例。所以，需嚴密觀察和檢查避雷針、避雷線的外表與機械狀況。

(2)在雷電流導通入地回路中，若構架至地中接地裝置的連接扁鋼嚴重腐蝕，將影響雷電流的安全入地和避雷效果。需定期開挖檢查地中接地扁鋼的腐蝕情況。

(3)測量獨立避雷針集中接地裝置的接地電阻值，要求接地電阻值、要求接地電阻值小于于l0Ω。500kV構架避雷針或避雷線的集中接地體-般與接地網接死，其接地電阻與主接地網一同測量。

[1]姜洪，張秋華.戶外用高壓電動機及其輸配電線路的防雷措施.伊春市電力總公司，哈爾濱鐵路局佳木斯車輛段，黑龍江伊春、黑龍江佳木斯.[期刊]防爆電機，2005-05-30.