架空輸電線路雷電防護研究

韓璐斌

摘 要：由于架空輸電線路常以橫豎交叉的形式在大范圍空曠場地建設，且離地較高，因此，容易引來雷電攻擊。為保護架空輸電線路，對其加強雷電防護尤為重要。本文首先分析架空輸電線路的雷電過電壓的類型，然后提出架空輸電線路雷電防護措施，如架設避雷線、降低桿塔接地電阻、安裝線路避雷器、調整絕緣子爬電距離，以期為架空輸電線的雷電防護提供參考。

關鍵詞：架空輸電線路;過電壓;防護措施

中圖分類號：TM863文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）07-0148-03

Abstract： Because overhead transmission lines are often constructed in a wide range of open space in the form of horizontal and vertical cross， and they are higher off the ground， so it is easy to lead to lightning attack. In order to protect overhead transmission lines， it is very important to strengthen lightning protection. This paper first analyzed the types of lightning over-voltage of overhead transmission lines， and then put forward lightning protection measures for overhead transmission lines， such as erecting lightning wires， reducing tower ground resistance， installing line arresters， adjusting insulator creepage distance， in order to provide reference for lightning protection of overhead transmission lines.

Keywords： overhead transmission line;overvoltage;protective measures

維護架空輸電線路的穩定及安全運行對日常用電及工業用電有著極其重要的作用，因此對維護架空輸電線路穩定運行方法的研究顯得尤為重要。在大多數自然災害中，雷電打破架空輸電線路穩定運行狀態的可能性相對較大，其對架空輸電線路造成的損害也較為嚴重。這主要是因為架空輸電線路通常以橫豎交叉的形式在大范圍空曠場地進行建設，且離地較高，容易引來雷電攻擊。雷電擊中架空輸電線路后會在其上產生雷電過電壓，該過電壓對輸電線路的沖擊較大。為保護架空輸電線路，當其出現過電壓時，一般會采取斷電措施，但這會打破電力系統平穩運行的狀態，從而造成巨大的經濟損失。

根據架空輸電線路承受雷擊的水平以及雷擊后跳閘概率的大小可以判斷架空輸電線路耐雷性能的高低。為了提升架空輸電線路的耐雷性能，可采取架設避雷線等措施。在選擇雷電防護措施的過程中，應對各類措施的優缺點進行系統性分析，從而發揮其最佳性能。

1 架空輸電線路的雷電過電壓

1.1 直擊雷過電壓

架空輸電線路的設備（桿塔、避雷線或導線）被雷電直接擊中而產生的過電壓即為直擊雷過電壓。按照雷擊線路部位的不同，可將直擊雷過電壓分為兩種類型，即反擊和繞擊。在110 kV或超過該電壓等級的架空輸電線路上通常整線配備避雷線，這是為了確保架空輸電線路的全程均能受到相應的保護。雷直擊于有避雷線的架空輸電線路的情形主要有三種，即雷擊桿塔頂部、雷擊避雷線中央部分、繞過避雷線擊于導線。當雷擊架空輸電線路桿塔頂部時，有較大電流流過桿塔進入大地，該過程會對架空輸電線路桿塔造成一定程度的沖擊。該受擊情形在架空輸電線路中形成的過電壓遠大于其他兩種情形，因此避免雷電直接擊中桿塔頂部是架空輸電線路雷電防護的重中之重。雷電繞過避雷線擊于架空輸電線路導線時，導線上形成的過電壓越大，在其上流過的電流也就越大。

1.2 感應雷過電壓

感應雷過電壓是雷擊線路附近大地，雷云在對地放電過程中，放電通道周圍空間的電磁場發生急劇變化，在導線上產生的過電壓。感應雷分為靜電感應和電磁感應，這兩類感應的原理有較大的不同。若架空輸電線路導線上未裝配避雷線，則雷電襲擊其周圍大地時，架空輸電線路上會產生感應雷過電壓，該感應雷過電壓與架空輸電線路的導線高度以及電流大小等因素有關。架空輸電線路導線高度及電流增大時，感應雷過電壓也會增大，但雷擊點與架空線路之間距離的增加會導致感應雷過電壓的降低。感應雷過電壓的幅值比直擊雷過電壓要低得多，因此其對高電壓等級架空輸電線路的影響較小，通常只對35 kV以下的線路具有危險性。除此之外，感應雷過電壓的波形變化與直擊雷過電壓的波形變化有較大差異。感應雷過電壓的波形變化呈現出較為平緩的態勢，其波頭和波長較長，而直擊雷過電壓的波形變化十分劇烈。

2 架空輸電線路雷電防護措施

2.1 架設避雷線

避雷線常用于電壓等級較高的架空輸電線路中，通常能有效避免雷電直接擊中架空輸電線路上的導線，從而削弱過大沖擊電流對架空輸電線路的直接損害。一般情況下，架空輸電線路基本都裝配有避雷線，而在電壓等級為超高以及特高的架空輸電線路上會架設兩條避雷線，該方式通過增加避雷線的數量來提高避雷線的防雷保護能力。避雷線保護角的大小會對架空輸電線路的雷電防護水平產生較大影響，我們需要通過對避雷線保護角的調整來提升線路的雷電防護能力。在相同條件下，避雷線的保護角越小，架空輸電線路的耐雷水平越高。降低避雷線的保護角，可以大大地降低輸電線路的雷擊繞擊率，從而較好地預防雷擊故障。

2.2 降低桿塔接地電阻

降低桿塔接地電阻對于防范雷擊有著重要的意義[1]。雷電電擊絕緣電阻較大的架空輸電線路時，架空輸電線路的桿塔頂部會形成較高的電位，絕緣子將會承受更大的電壓，更容易被擊穿，若架空輸電線路上的絕緣子被擊穿，則會破壞電力系統的平穩運行狀態;與此同時，在線路桿塔的絕緣電阻小的情況下，雷擊桿塔時，桿塔頂部電位更小，絕緣子將會承受更小的電壓，不容易被擊穿。降低絕緣電阻的方法較多，如延長接地體長度[1]，增加接地體的埋地深度，使用新型石墨烯接地體，使用降阻劑等。合理利用這些方法能夠對降低桿塔接地電阻起到較好的效果，進而提升架空輸電線路自身的雷電防護能力。

2.3 安裝線路避雷器

跳閘事故的發生對電力系統運行的穩定性以及人民用電保障性的破壞都是極為嚴重的，在架空輸電線路上安裝避雷器能有效減少雷電擊中線路后發生跳閘事故的次數。避雷器結構性能的不同使得它們的應用場合有所不同，因此在不同場合下應選擇適宜的避雷器，才能充分發揮其防雷保護能力。避雷器的種類有很多，主要包括管型避雷器、閥型避雷器以及氧化鋅避雷器。其中，管型避雷器由兩個串聯間隙組成，一個間隙在大氣中，稱為外間隙，它的任務就是隔離工作電壓，避免產氣管被流經管子的工頻泄漏電流所燒壞;另一個裝設在氣管內，稱為內間隙或者滅弧間隙，管型避雷器的滅弧能力與工頻續流的大小有關，且受工頻續流的影響較大。管型避雷器大多用在供電線路上作避雷保護。閥型避雷器內部由火花間隙和碳化硅制造的非線性電阻片組成，具有較好的保護特性，因而被廣泛應用于各種電壓等級的線路和電氣設備上。氧化鋅避雷器被廣泛應用于架空輸電線路上，這是因為氧化鋅避雷器具有其他類型避雷器所不具備的特性，這一特性對架空輸電線路的雷電防護極為適用。對于操作不當產生的過電壓以及雷電在線路中形成的過電壓，氧化鋅避雷器均能發揮良好的抑制作用，這得益于氧化鋅良好的非線性伏安特性[2]。利用氧化鋅良好的非線性伏安特性，使在正常工作電壓時流過避雷器的電流極小（微安或毫安級）;當過電壓作用時，電阻急劇下降，泄放過電壓的能量，達到保護的效果。氧化鋅避雷器在受到雷擊時，能將雷擊電流導入地下[3]，進而削弱過大的電流對架空輸電線路帶來的損傷，且避雷器能在雷擊結束后快速恢復到原狀態，有效提升了架空輸電線路雷電防護的快速性。除此之外，氧化鋅避雷器對污染的抵抗能力較強，能較好地適應惡劣的環境，這也符合了架空輸電線路通常所處的環境條件。與其他避雷器相比，其質量相對較輕，這一特點也使得其在架空輸電線路上的裝配變得較為便利。

2.4 調整絕緣子爬電距離

調整線路絕緣子爬電距離也能對架空輸電線路的雷電防護起到一定作用，選擇合理的調整方式尤為重要。調整絕緣子爬電距離的方式為：將絕緣子上的絕緣片片數增大到一個合理的數值;改變架空輸電線路上裝配的絕緣子類型。不同類型的絕緣子對架空輸電線路絕緣子爬電距離的調整效果有著較大的區別，因此在對其調整之前應充分了解絕緣子的相關特性。通過合理調整絕緣子爬電距離，可以提高架空輸電線路的最大擊穿電壓以及整條線路對雷擊的耐受能力，從而提高架空輸電線路的絕緣能力。需要注意的是，在利用該方法實現對架空輸電線路雷電防護的同時，應使架空輸電線路及變電站的絕緣能力保持基本一致。若未達到這一條件，雷擊于架空線路后產生的電波有可能對變電站設備造成破壞，進而造成巨大的經濟損失。因此，對架空輸電線路絕緣能力的提升應保持在合理的范圍之內，否則將會打破電力系統各組成部分之間的平衡狀態，這對電力系統的平穩運行也是極為不利的。

2.5 加裝保護間隙

對架空輸電線路的雷電防護不能只通過阻塞的方式來實現，也可采用“疏導式”防雷保護作為“堵塞式”防雷措施的有力補充，如在架空輸電線路上裝配并聯保護間隙。并聯間隙應在裝配于各絕緣子之間，從而使得雷電擊于架空輸電線路時產生的閃絡發生在并聯間隙中，進而使雷電對線路的損傷降到最低。在裝配保護間隙時，需要保證架空輸電線路上的絕緣子長度大于招弧角。在這一條件下加裝保護間隙能對工頻電弧的疏通引導起到較好的作用，同時能促進工頻電場的合理化改進。由此可以看出加裝保護間隙能夠較好地以另一種方式實現對架空輸電線路的雷電防護，且為輸電線路的雷電防護提供了一種新的思路。

2.6 安裝可控放電避雷針

可控放電避雷針是一種安裝在輸電線路桿塔頂部的一種具有特殊結構的避雷針裝置，常裝配于電壓等級為500 kV的架空輸電線路上。當雷電擊架空輸電線路時，可控放電避雷針的應用能降低線路的繞擊率，從而降低線路的雷擊跳閘率。當可控放電避雷針安裝處附近的地面電場強度較低時，雷云不會對避雷針保護區范圍內的地面內的地面物體發生放電，此時可控放電避雷針針頭（由主放電針、可控放電均壓環、可控儲能裝置組成）的可控儲能裝置處于儲存雷云電場能量工況，可控放電均壓環和主放電針處于同等電位且為浮動狀態，與周圍大氣電位差小，針尖頭部的電場強度降低，因此幾乎不發生電暈放電，即保證了空間電荷很少的要求。通過對可控放電避雷針在架空輸電線路受雷擊時作用過程的分析，可以得到該措施能有效降低雷擊輸電線路所帶來的損傷，其作用突出表現在降低跳閘率以及抑制電暈放電等方面。

2.7 架設耦合地線

架設耦合地線是一種有效降低線路反擊跳閘率的防雷措施。對于某些建成投運后雷擊故障頻發的線段，可以采用在導線下方架設地線的措施。架設耦合地線在架空輸電線路的雷電防護過程中通常具有兩方面的作用，一方面增加避雷線與導線間的耦合作用，以降低絕緣子串上的電壓;另一方面，耦合地線還可增加對雷電流的分流作用。運行經驗證明，耦合地線對降低雷擊跳閘率的作用非常顯著。這一良好的特性使得耦合地線在架空輸電線路雷電防護中的應用較為廣泛。

3 結語

通過研究可知，直擊雷過電壓和感應雷過電壓對不同電壓等級的架空輸電線路的影響程度不同。因此，對于不同的過電壓現象，應采取適宜的雷電防護措施。

參考文獻：

[1]李平，朱海波，杜超，等.架空輸電線路防雷措施研究[J].通訊世界，2019（8）：328-329.

[2]譚任良.關于高壓架空輸電線路防雷措施的探討[J].科技與創新，2018（17）：90-91.

[3]王祥祥.高壓架空輸電線路的防雷措施分析[J].集成電路應用，2019（4）：99-100.