淺談架空線路遭雷擊原因及防雷措施

張 彪

(民航江蘇空管分局技術部，江蘇南京 211113)

淺談架空線路遭雷擊原因及防雷措施

張 彪

(民航江蘇空管分局技術部，江蘇南京 211113)

空管系統導航臺架空輸電線路遭雷擊引起的跳閘事故很多，因此架空輸電線路采用什么措施防雷也成為空管各地動力設備人員的一個題難。本文通過對民航某空管分局東北、西南導航臺架空輸電線路遭雷擊的原因進行分析，在重視輸電線路的雷電檢測和預防，加大對輸電線路防雷的投入，加強輸電線路的運行維護工作，以及提高輸電線路防雷科技含量的基礎上，提出提高輸電線路防雷、避雷、耐雷水平，降低雷擊跳閘率的對策。

導航臺;架空輸電線路;雷擊跳閘;防雷措施

一、概述

導航臺供電線路傳輸安全是保證通信導航設備暢通的基礎，是整個空管系統的能量保證，它的作用是整體性和全局性的。雖然它不是通信導航監視主流設備，但它卻是空管系統中最重要、最關鍵的設備之一。雖然在整個空管系統中占的比例比較小，但它是整個空管系統的關鍵性基礎設施。如果某個通信導航監視系統的供電系統發生故障而中斷供電，就會使整個系統癱瘓，威及航行安全。所以說電源是整個空管系統的堅實基礎與根本保障，在空管系統中的位置極其重要。喻電源為空管系統的“心臟”并不過分。然而對于導航臺供電架空輸電線路來講，雷擊跳閘一直是影響高壓輸電線路供電可靠性的重要因素。由于大氣雷電活動的隨機性和復雜性，目前世界上對輸電線路雷害的認識研究還有諸多未知的成分。架空輸電線路和雷擊跳閘一直是困擾安全供電的一個難題，雷害事故幾乎占線路全部跳閘事故1/3或更多。因此，尋求更有效的線路防雷保護措施，一直是動力設備工作者關注的課題。

二、民航某空管分局東北、西南導航臺架空輸電線路現狀

民航某空管分局技術保障部動力設備室所轄的QL導航臺、ZG導航臺、HX導航臺、XDY導航臺等分布在東北、西南兩個方向，共有10KV高壓架空輸電線路3條、線路總長26．6公里、架空桿塔322座、高壓線路避雷器8組、高壓進出開關柜8臺、高壓聯絡開關柜1臺、變壓器4臺、柴油發電機組4套;設備是1996年施工安裝，1997年上半年投入使用。高壓架空輸電線路沿途地形情況為丘林地帶的小山區和水網平坦地帶，樹木生長旺盛。根據省氣象局雷電監測相關統計報告:南京地區每年江寧、六合地區的雷電最多，年平均雷暴日為30－43天，最高年份達73天。因為高壓架空輸電線路沿途為丘林地帶的小山區和水網平坦地帶造成雷云產生后不易散開或飄遠，容易發生雷電。下圖是我們統計輸電線路數據

三、高壓架空輸電線路雷擊的原理

1、雷電放電的發展過程

通常雷擊引起的電力系統過電壓，稱為大氣過電壓。雷云放電在設備上產生的過電壓，是由于雷云的影響而產生的，所以也稱作雷電過電壓。大氣過電壓可分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓。雷直接擊于輸電線路時，巨大的雷電流在被擊物上流過造成的過電壓，成為直擊雷過電壓;雷擊輸電線路附近的地面或其他物體時，由于電磁感應和靜電感應在電氣設備或輸電線路上產生的過電壓，成為感應雷過電壓。

作用于輸電線路的大氣過電壓是由雷云對地放電所引起的。雷云就是積聚了大量電荷的云層。關于雷云帶點的機理，迄今為止沒有同意的定論。通常認為，在含有飽和水蒸氣的大氣中，當遇到強烈的上升氣流時，會使空氣中水滴帶電，這些帶點的水滴被氣流所驅動，逐漸在云層的某部位集中起來，就形成帶電雷云。雷云中的電荷一般不是在云中均勻分布的，而是集中在幾個帶電中心。測量數據表明，雷云的上部分帶正電荷，下部帶負電荷。正電荷云層分布在大約4－10km的高度，負電荷云層分布在大約1．5－5km的高度。直接擊向地面的放電通常從負電荷中心的邊緣開始。

雷云對大地的放電通常包括若干次重復的放電過程，而每次放電又可分為先導放電、主放電和余輝放電三個主要階段。雷云下部大部分帶負電荷，故絕大多數的雷擊是負極性的。雷云中的負電荷會在附近地面感應出大量正電荷，當云中某一電荷中心的電荷較多，雷云與大地之間局部的電場強度達到大氣游離所需的電場強度(25－30kv/cm)時，就會使空氣游離。當某一段空氣游離后，這段空氣就由原來的絕緣狀態變為導電性的通道，稱為先導放電。先導通道是分級向下發展的，每級先導發展的速度相當高，但每發展到一定的長度(約25m～50m)就有一個(30～90)μs的間歇。所以它的平勻發展速度較慢(相對于主放電而言)，約為(1～8)×105m/s，出現的電流不大。先導放電的不連續性，稱為分級先導，歷時約0．005～0．01s。在先導通道發展的初始階段，其發展方向受到一些偶然因素的影響并不固定。但當它發展到距地面一定高度時(這個高度稱為定向高度)，先導通道會向地面上某個電場強度較強的方向發展，這說明先導通道的發展具有“定向性”，或者說雷擊有“選擇性”。當先導接近地面時，地面上一些高聳的突出物體周圍電場強度達到空氣游離所需的場強，會出現向上的迎面先導，當先導通道的頭部與迎面先導上的異號感應電荷或與地面之間的距離很小時，剩余空氣間隙中的電場強度達到極高的數值，造成空氣間隙強烈地游離，最后形成高導電通道，將先導頭部與大地短接，這就是主放電階段的開始。主放電完成后，云中的剩余電荷沿著主放電通道繼續流向大地，形成余輝放電，電流不大，約為103～101A，持續時間較長(0．03～0．05s)。由于云中同時可能存在幾個帶電中心，所以雷電放電往往是重復的。

2、10KV高壓輸電線路遭受雷擊的主要因素

10KV高壓輸電線路遭受雷擊的事故主要與三個因素有關:線路絕緣子的50%放電電壓;雷電流強度;桿塔的接地電阻。高壓送電線路各種防雷措施都有其針對性，因此，在進行高壓輸電線路防雷方式選擇時，首先要明確高壓送電線路遭雷擊跳閘原因。現35KV以下高壓輸電線路都采用的是無避雷線輸電線路，這樣雷擊線路的部位只有兩個，一是雷擊導線，二是雷擊塔頂。當雷擊導線后，雷電流便沿著導線向兩側流動，假定Z為雷電通道的波阻抗，Z/2為雷擊點兩邊導線的并聯波阻抗(若計及沖擊點暈的影響，可取Z=400Ω)。則雷擊點過電壓

雷擊導線的過電壓與雷電流的大小成正比。如果此電壓超過線路的劇院耐受電壓，則將發生沖擊閃絡。由此可得線路的耐雷水平為

當雷擊線路塔頂時，雷電流I將流經桿塔及其接地電阻流入大地。架設桿塔電感為Lgt，桿塔的沖擊電阻為Rch，導線懸掛點高度為Hd，雷電流為斜角平頂波，切工程計算取波頭為2．6us，則作用在絕緣子串上的電壓為由此可知，加在線路絕緣子串上的雷電過電壓與雷電流的大小，陡度，導線與桿塔高度及桿塔接地電阻有關。如果此值等于或大于絕緣子串的50%雷電沖擊放電電壓時，塔頂將對導線產生反擊。在中性點直接接地的電網中，有可能使線路跳閘，此時線路的耐雷水平為

而我國60kV及以下電網采用中性點非直接接地的方式，雷擊塔頂時若雷電流超過耐雷水平，會發生塔頂對一相導線放電。由于工頻電流很小，不能形成穩定的工頻電弧，故不會引起線路跳閘，只有當第一項閃絡后，再向第二相反擊，導致兩相導線絕緣子串閃絡，形成相間短路時，才會出現大的短路電流，引起線路跳閘，這種閃絡就是反擊閃絡。

四、高壓輸電線路防雷措施

清楚了高壓輸電線路雷擊跳閘的發生原因，我們就針對性采取了以下幾種措施:

1．加強高壓輸電線路的絕緣水平。每年組織人員對高壓輸電線路進行上桿檢查，杜絕零值絕緣子產生。因為高壓輸電線路的絕緣水平與耐雷水平成正比，所以加強零值絕緣子的檢測，是保證高壓輸電線路有足夠的絕緣強度是提高線路耐雷水平的重要因素。

2．降低基桿塔的接地電阻。每年組織人員對高壓輸電線路的基桿塔的接地電阻進行檢測，對查出的接地電阻不合格的桿塔接地線進行開挖檢查。對檢查中發現已爛斷或無接地引下線的桿塔進行整改。對重新處理后接地電阻仍然不理想的桿塔在接地極周圍敷設了降阻劑，這樣可以起到增大接地極外形尺寸、降低與周圍大地介質之間的接觸電阻的作用。從而起到降低接地極的接地電阻。在實際應用中發現降阻劑用于小面積的集中接地、小型接地網時，其效果較為顯著。降阻劑是由集中物質配制而成的化學降阻劑，其具有導電性能良好的強電介質和水分，這些強電介質和水分被網狀膠體所包圍，網狀膠體的空格又被部分水解的膠體所填充，使它不至于隨地下水和雨水而流失，因而能長期保持良好的導電作用。

總之，接地電阻與耐雷水平成反比，所以盡可能地降低桿塔的接地電阻，也是提高高壓輸電線路耐雷水平的最經濟、有效的手段。

3．在降低桿塔接地電阻有困難時，在導線下方架設一條增設耦合地線。由于耦合地線可以使避雷線和導線之間的耦合系數增大，并使流經桿塔的雷電流向兩側分流，從而提高高壓送電線路的耐雷水平。

4．對線路交叉跨越檔的保護。即在交叉檔兩端的鋼筋混凝土桿或鐵塔(上、下方線路共4基)，加裝接地。

5．對大跨越檔的桿線增加線路避雷器保護。其由于安裝線路避雷器使得桿塔和導線電位差超過避雷器的動作電壓時，避雷器就加入分流，保證絕緣子不發生閃絡。根據了解到情況:在雷擊跳閘較頻繁的高壓送電線路上選擇性安裝避雷器可達到很好的避雷效果。目前在全國范圍已使用一定數量的高壓送電線路避雷器，運行反映較好。但是采用線路避雷器保護的局限是每組避雷器的保護范圍只是安裝避雷器的本基桿塔;要想全線防護，安裝線路避雷器的數量就非常大，不但采購成本高，維護運行成本也大大增加，況且線路避雷器的產品質量層次不齊，這樣也會給線路增加了故障隱患。所以線路避雷器選擇用在大跨越檔的桿線地段。另外在線路避雷器一般有兩種:一種是無間隙型，即避雷器與導線直接連接，它是電站型避雷器的延續，具有吸收沖擊能量可靠，無放電時延、串聯間隙在正常運行電壓和操作電壓下不動作，避雷器本體完全處于不帶電狀態，排除電氣老化問題;串聯間隙的下電極與上電極(線路導線)呈垂直布置，放電特性穩定且分散性小等優點。另一種是帶串聯間隙型，避雷器與導線通過空氣間隙來連接，只有在雷電流作用時才承受工頻電壓的作用，具有可靠性高、運行壽命長等優點。一般常用的是帶串聯間隙型，由于其間隙的隔離作用，避雷器本體部分(裝有電阻片的部分)基本上不承擔系統運行電壓，不必考慮長期運行電壓下的老化問題，且本體部分的故障不會對線路的正常運行造成隱患。在對比后選用了帶串聯間隙型線路避雷器

6．加強高壓輸電線路巡視。每季組織人員對高壓輸電線路進行巡視，巡視的主要內容:

第一，桿塔部分:(1)桿塔是否傾斜:鐵塔構件有無彎曲、變形、銹蝕:螺栓有無松動:混凝土桿有無裂紋、酥松、鋼筋外露，焊接處有無開裂、銹蝕。

(2)基礎有無損壞、下沉或上拔，周圍土壤有無挖掘或沉陷。

(3)桿塔標志(桿號、相位警告牌等)是否齊全、明顯。

(4)對地距離及交叉跨越距離檢查，發現超過規定界限的樹木及時處理。

(5)有無危及安全的鳥巢、風箏及雜物。

第二，橫擔及金具部分:(1)鐵橫擔有無銹蝕、歪斜、變形。

(2)金具有無銹蝕、變形;螺栓是否緊固，有無缺帽;開口肖有無銹蝕、斷裂、脫落。

第三，絕緣子部分:(1)瓷件有無臟污、損傷、裂紋和閃絡痕跡。

(2)鐵腳、鐵帽有無銹蝕、松動、彎曲。

第四，導線(包括耦合地線)部分:(1)有無斷股、損傷、燒傷腐蝕現象。

(2)三相馳度是否平衡，有無過緊、過松現象。

(3)接頭是否良好，有無過熱現象(如:接頭變色，雪先熔化等)，連接線夾彈簧墊是否齊全，累帽是否緊固。

(4)過(跳)引線有無損傷、斷股、歪扭，與桿塔、構件及其他引線間距離是否符合規定。

(5)導線上有無拋扔物。

(6)固定導線用絕緣子上的綁線有無松弛或開斷現象。

第五，防雷設施部分:(1)避雷器瓷套有無裂紋、損傷、閃絡痕跡，表面是否臟污。

(2)避雷器的固定是否牢固。

(3)引線連接是否良好，與鄰相和桿塔構件的距離是否符合規定。

(4)各部附件是否銹蝕，接地端焊接處有無開裂、脫落。

(5)引雷裝置是否脫落

第六，接地裝置部分:(1)接地引下線有無丟失、斷股、損傷。

(2)接頭接觸是否良好，線夾螺栓有無松動、銹蝕。

(3)接地引下線的保護管有無破損、丟失，固定是否牢靠。

(4)接地體有無外露、嚴重腐蝕，在埋設范圍內有無土方工程。

第七，拉線、頂(撐)桿、拉線柱部分:(1)拉線有無銹蝕、松弛、斷股和張力分配不均等現象。

(2)拉線棒(下把)、抱箍等金具有無變形、銹蝕。

(3)拉線固定是否牢固，拉線基礎周圍土壤有無突起、沉陷、缺土等現象。

(4)頂(撐)桿、拉線柱、保護樁等有無損壞、開裂、腐朽等現象。

第八，線路沿線部分:(1)沿線有無易燃、易爆物品和腐蝕性液、氣體。

(2)導線對地、對道路、公路、鐵路、管道、索道、河流、建筑物等距離是否符合規定，有無可能觸及導線的鐵煙筒、天線等。

(3)周圍有無被風刮起危及線路安全的金屬薄膜、雜物等。

(4)有無威脅線路安全的工程設施(機械、腳手架等)。

(5)防護區內的植樹、種竹情況及導線與樹、竹間距離是否符合規定。

(6)線路附近有放風箏、拋扔外物、飄灑金屬和在桿塔，拉線上栓牲畜等。

表1 配電線路預防性檢查、維護周期表

五、結束語

通過對輸電線路防雷的研究，筆者體會到雷電現象的復雜性和雷電活動的分散性，雷擊幾率受制約因數的多樣性，它的危害不可能完全消除和避免。只要我們重視輸電線路的雷電檢測和預防，不斷努力探索和嘗試，加大對輸電線路防雷的投入，加強輸電線路的運行維護工作，提高輸電線路防雷的科技含量，同時在工作中注意以下幾點:

第一，雷電危害與氣候、環境、地質、設備等多種因素有關。因此，防雷工作應深入一線，掌握現場第一手資料，要有針對性地采取綜合防雷措施;

第二，防雷技術措施的實施，要進行技術經濟綜合比較，合理選擇。已運行線路還可能受桿塔結構強度、高度等條件的影響，因此應從實際出發;

第三，任何防雷措施、設施都不能一勞永逸，要不斷完善，勤于運行維護和檢修，才能充分發揮其作用;

第四，應該對線路歷年雷擊資料和各種防雷措施投運后的實際效果，建立完整詳實的原始資料，以便積累真實客觀的第一手資料，為今后線路防雷措施的進一步完善和今后運行線路附近新建工程的防雷設計提供依據;

第五，接地裝置施工要規范嚴格，接地電阻測試要客觀真實可信;

第六，維修輸電線路時，維修單位要嚴格按有關規程、規范進行施工，講究施工工藝，確保施工質量，并使用優質合格的原材料。維修過程中，運行單位要嚴格把關，全過程參與，及時監督和檢查以確保工程質量;

總之，只要我們在平時的工作中，重視輸電線路的雷電檢測和預防，加大對輸電線路防雷的投入，加強輸電線路的運行維護，提高輸電線路防雷的科技含量，輸電線路的防雷是可以得到控制的，降低其雷擊跳閘率也是可以實現的。

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1003－4145［2012］專輯－0332－04

2012－04－19

張 彪，男，民航江蘇空管分局技術部助理工程師。

(責任編輯:欒曉平)