110kV架空線路綜合防雷技術措施探討

周立云

（寧夏電力公司 吳忠供電局，寧夏吳忠751100）

架空輸電線路由于運行環境較為惡劣、雷擊故障率較高，防雷工作一直是電力工作者研究探討的重點。近年來，110kV及以上高電壓等級電網因雷擊引起的故障率占有較大比例。此類故障主要由于雷擊閃絡后的工頻續流損壞了線路絕緣子及其金具，進而引起線路發生跳閘事故。雷擊架空輸電線路引起線路發生跳閘停電事故已成為我國高壓輸電線路中的主要事故類型［1］。2012年，寧夏吳忠市110kV電網已形成以單環網和雙回路供電為主的網架結構。隨著吳忠市近幾年110kV電網的快速建設發展，架空線路長度不斷增加，網架結構也變得更加復雜，由于征地、地勢等原因，許多線路不可避免的要經過多雷、土壤電阻率高以及地形地勢較為復雜的山區。為提高架空線路防雷水平，降低線路雷擊跳閘事故發生率，就必須結合工程實際采取綜合防雷措施。另外，隨著架空線路走廊的緊缺，同塔雙回或多回110kV架空線路結構在工程中逐步得到應用，桿塔高度不斷增加，尤其是隨著高速公路網建設步伐的加快，大跨越高（超高）桿塔在工程中應用數量急劇增加，造成110kV架空線路遭受雷擊的概率大幅度提高［2］。針對110kV架空線路規劃、施工建設、運行維護等過程中存在的問題，有必要采取諸如降低桿塔接地電阻、加強線路絕緣水平、架設耦合地線等防雷技術措施，提高110kV架空線路的綜合防雷水平，確保線路安全可靠、節能經濟的高效穩定運行發展。

1 架空線路雷擊過電壓原理特征

架空線路中常見的雷電過電壓包括直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩大類。其中，直擊雷過電壓是當雷電直接擊中輸電線路桿塔、避雷線或導線時，引起架空線路出現過電壓；感應雷過電壓則是當雷擊架空線路附近區域時，由于電磁感應作用在導線上產生過電壓。從大量文獻研究和實踐工作經驗可知，直擊雷過電壓對架空線路的危害非常大，而感應雷過電壓則只對35kV及以下的架空線路構成一定的威脅。因此，本文重點分析110kV架空線路直擊雷的綜合防護。根據雷擊架空線路部位的不同，又可將直擊雷過電壓按照兩種情況進行分析：① 雷擊110kV架空線路桿塔或避雷線時，雷電流通過雷擊點使該點對地電位瞬時急劇上升，進而在雷擊點與導線間產生一個電位差。當該值超過110kV架空線路絕緣水平時，就會形成沖擊放電電壓，進而對導線發生閃絡，使其出現過電壓問題。此時，桿塔或避雷線在雷電流作用下的電位有效值要高于導線，通常會造成反擊沖擊破壞。② 雷擊110kV架空線路導線（繞過線路避雷線（屏蔽性能失效）擊中導線）由雷電繞擊直接作用在導線上引起過電壓問題。反擊和繞擊的雷擊部位和作用原理有不同的特征，在實際規劃設計、施工建設和運行維護過程中，應結合工程實際情況，采取不同的技術措施，才能確保線路綜合防雷措施體系取得較好的防雷效果。

2 110kV線路雷擊跳閘的主要影響因素

2.1 架空線路絕緣配置因素

在不考慮運行電壓對架空線路防雷絕緣性能影響的基礎上，如僅按照單回線路進行線路絕緣配置，雖然可以降低110kV同塔雙回架空線路發生雙回同時跳閘的故障率，但如將此種絕緣配置防雷性能折算到2回不同線路上，則其總跳閘故障率將會增加。因此，在實際工程應用中，應對110kV單回和雙回同塔架空線路采取不同的絕緣配置模式：對于同塔雙回線路而言，其中1回輸電線路應按正常模式進行絕緣配置；另1回則需根據工程實際采取加強絕緣模式進行絕緣配置，這樣才可以兼顧110kV同塔雙回線路同時跳閘率和總跳閘故障率等多項絕緣性能指標。

2.2 架空線路相序排列因素

導線的相序排列對架空線路防雷水平影響較大。對于110kV同塔雙回線路而言，通常采取逆相序排列方式以降低雙回線路同時跳閘率。逆相序排列方式中，110kV同塔雙回架空線路的2列上導線間的相位角差為120°，若線路出現雷擊桿塔或避雷線的反擊過電壓時，則會使110kV架空線路上左、右兩邊導線絕緣子串兩側的電位值存在一定差值，使其中1回線路先發生反擊過電壓閃絡，而另外1回線路則會由閃絡放電起到一定保護作用。

2.3 桿塔接地電阻因素

110～500 kV架空線路耐雷水平與桿塔接地電阻間的關系如表1所示。

表1 110～500kV架空線路耐雷水平與桿塔接地電阻間的關系

對于單地線的110kV架空線路而言，由于架空地線的耦合系數偏小，在同樣接地電阻條件下，線路耐雷水平約低25%，也就是說，即便110kV架空線路滿足表1中的接地電阻技術性能要求，也可能會引起同塔雙回架空線路的耐雷水平達不到表1中的指標要求；因此，在110kV同塔雙回架空線路規劃設計、施工建設、運行維護等過程中，要認真對架空線路桿塔布設區的接地電阻值進行監測，尤其在施工建設過程中，要認真測試每座桿塔的接地電阻值。根據DL／T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》、DL／T 621—1997 《交流電氣裝置的接地標準》等相關技術規范要求，在線路施工過程中必須采取相應技術措施將桿塔接地電阻有效控制在15Ω以下，以確保110kV同塔雙回架空線路具有較高防雷水平。

2.4 架空地線保護角

從全國年平均雷暴指數可知，吳忠市紅寺堡區是典型多雷區，繞擊和反擊故障發生次數幾乎相等，各占50%。110kV同塔雙回線路的避雷線出現雙回線路屏蔽性能同時失效的可能性非常低，即繞擊故障通常只會引起同塔雙回線路中的某回架空線路發生跳閘故障。架空線路實用防雷措施效果分析表明，減小110kV同塔雙回架空線路的地線保護角，可以有效降低110kV監控線路的繞擊跳閘故障發生率。

2.5 其他因素

110 kV架空線路運行環境較差，周圍存在化工廠、粉灰廠等污染源，會使絕緣子積污腐蝕較為嚴重，加上日常運行維護沒有跟上，導致絕緣子耐沖擊電壓性能降低，使線路絕緣子容易發生雷擊沖擊擊穿破壞。

3 110kV架空線路綜合防雷技術措施

吳忠市紅寺堡區位居寧夏中部，是扶貧揚黃灌溉工程的主戰場。根據110kV架空線路運行維護經驗知識和現場調研資料，并基于上述分析，筆者認為110kV架空線路需要從加強線路絕緣水平、改善接地裝置、加裝側向避雷針、減小線路保護角度等方面，來提高110kV架空線路的綜合防雷水平。

3.1 加強架空線路絕緣水平

在DL／T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》中明確指出：在海拔不超過1 000m的地區，110kV架空線路的懸垂絕緣子串的絕緣子個數不應少于7片，宜選擇8片。而對于大跨越檔距全高超過40m的線路桿塔，其高度每增高10m，應增加1片絕緣子。紅寺堡區海拔為1 240～1 450m，屬于山間盆地，故可以采取以下措施：① 加強110kV架空線路易擊段桿塔的絕緣配置。該地區平均海拔超過1 000m，應乘以海拔校正系數。對于多次遭受雷擊的桿塔，在技術升級改造過程中，宜考慮增加1～2片絕緣子，以提高架空線路絕緣配置水平。② 宜根據工程實際情況，耐張桿塔增加1～2片絕緣子。③ 對于大跨越或布設在山頂的線路桿塔，宜考慮增加1～2片絕緣子，以提高線路桿塔綜合耐雷水平，確保線路具有較高的運行安全與經濟性。

3.2 改善接地裝置

在運行維護過程中，110kV架空線路應側重于改進線路桿塔的接地裝置。通過有效改善線路接地裝置后，其雷擊跳閘率降幅可以達到25%～30%；而對于接地裝置較惡劣的線路桿塔而言，甚至可以達到30%～50%的跳閘率降幅。

3.2.1 降低接地電阻

通過水平外延接地體、深埋式接地極、填充低阻物質以及加裝導電接地模塊等來降低桿塔接地電阻，提高110kV架空線路防雷水平。在高土壤電阻率地區，采用布設垂直接地極的方法，可以較好地改善表面干燥土壤線路桿塔存在的接地不良問題。對于水泥桿塔線路，其垂直接地極應從距離桿塔3～5m處進行布置；而對于鐵塔則應從5～8m處進行布置。110kV線路桿塔垂直接地極的長度宜選擇1.5m左右，間距宜控制于在4～6m內，并采用圓鋼或角鋼進行加工，施工過程中應注意防腐處理［3］。

3.2.2 增加耦合系數

根據雷擊閃絡的反擊理論可知，增加耦合系數、減少電感、降低接地電阻等均可以提高線路綜合耐雷水平。常規增加耦合系數的方法是采用布設架空地線和增設耦合地線的方式實現，但由于雷擊存在暫態行波和穩態電磁感應過程；因此，可以通過加強型強化電磁感應型桿塔接地射線等技術手段來改善桿塔接地裝置的分布情況，增加耦合系數。110kV架空線路的強化電磁感應型桿塔接地射線結構如圖1所示。

圖1 加強型強化電磁感應型桿塔接地射線結構圖

對于土壤電阻率ρ＞1 000Ω·m的地區，可按照圖1所示的加強型強化電磁感應型桿塔接地射線結構，來增加110kV架空線路的電磁耦合系數，降低線路絕緣子串雷擊過程中所承受的沖擊電壓，進一步提高架空線路綜合耐雷水平。

3.3 安裝側向避雷針

桿塔布設在山頂等位置較高的地區，雷云有時可能與線路或桿塔平行，而有時則可能運動在桿塔或線路的下方，加上桿塔處電磁環境較為復雜，桿塔處比檔距中央更易出現雷電繞擊過電壓問題。據長期的理論研究和工程實踐應用探索，安裝側向避雷針是110kV架空線路行之有效的防繞擊過電壓的一種技術措施。對于110kV架空線路而言，將側向避雷針安裝在桿塔橫擔兩側，其側向避雷針長度達3 000mm較為適宜，中間固定部分長約1 200mm，橫向設備部分長約1 800mm，并設置3個有效固定點，其具體安裝示意圖如圖2所示。

圖2 側向避雷針安裝示意圖

通過避雷針3個固定螺孔與桿塔橫擔進行有效電氣連接，并經接地引下線與桿塔接地體進行有效電氣連接，確保將雷電流有效引入到大地中進行泄流。加裝側向避雷針后，雖可以提高架空線路防繞擊水平，但同時增加了線路引雷率［4］；因此，為了防止安裝側向避雷針帶來反擊故障率升高的情況，可以適當增加絕緣子串片數，如復合型絕緣子應比普通型加長10%～15%；而瓷質或玻璃絕緣子應增加1片，以提高架空線路綜合耐雷水平。

3.4 減小線路保護角

減小保護角是降低110kV架空線路繞擊跳閘率比較有效的一種技術措施。但對于已經建設投入運行的線路，改變線路保護角的可行性和具體實施性較差，尤其對于山區地面傾角較大的線路桿塔而言，因受塔頭結構設計等因素的制約其保護角不可能大幅度降低。減小線路保護角，其所需經濟資源較大；因此，在工程實踐中，應從技術、經濟等多方面進行綜合考慮，以選擇合適的線路保護角，確保線路安全經濟的運行發展。

3.5 安裝線路氧化鋅避雷器

安裝線路氧化鋅避雷器可以較大提高110kV架空線路綜合耐雷水平，有效降低線路繞擊和反擊事故跳閘率，尤其對于雷電活動較為強烈或土壤電阻率較高、常規降低桿塔接地電阻難以實施的易雷擊線路段，使線路耐雷水平得到大大提高，可以有效降低線路雷擊跳閘事故率，確保110kV線路具有較高供電安全可靠性。

4 結 語

（1）防雷工程要始終貫穿于規劃設計、施工建設、運行維護等全過程中，除了上述分析的幾種提高110kV架空線路防雷水平的技術措施外，還有在多雷區的線路桿塔上安裝塔頭避雷針、加裝并聯保護間隙［5］等技術措施，對防止直擊雷過電壓也可取得較好的防雷效果。

（2）在進行110kV架空線路的綜合防雷措施體系構建過程中，要結合工程實際地形、地貌、土壤地質條件以及該地區高壓線路運行維護經驗知識，從技術、經濟等角度進行方案優化選擇，獲得技術上可行、經濟上優越的綜合防雷方案。

（3）提高線路防雷水平是一個系統復雜的工程，需要設計、施工、運行維護等相關部門的密切協調配合。除了要抓好勘察、設計、施工、監督等環節中的施工質量外，還應加強后期運行維護管理水平，提高110kV架空線路綜合防雷水平，減少雷擊跳閘事故發生率，推動線路安全可靠、節能經濟的高效穩定運行發展。

［1］王春杰，祝令瑜，汲勝昌，等.高壓輸電線路和變電站雷電防護的現狀與發展［J］.電瓷避雷器，2010，3（235）：35－46.

［2］鄭瑞晨.山區送電線路防雷保護措施的探討［J］.水電能源科學，2005，23（5）：73－75.

［3］李景祿.輸電線路桿塔接地及其降阻措施［J］.電瓷避雷器，2003（3）：40－42.

［4］王 劍，劉亞新，陳家宏，等.基于電網雷害分布的輸電線路防雷配置方法［J］.高電壓技術，2008，34（10）：2065－2069.

［5］陳維江，孫昭英，李國富，等.110kV和220kV架空線路并聯間隙防雷保護研究［J］.電網技術，2006，30（13）：70－75.