架空輸電線路防雷與接地的設計分析

福建永福電力設計股份有限公司 倪仁鑫

架空輸電線路以其特有的優勢在我國電力輸送方面發揮了重要價值，通過架空輸電線路成功實現了電能的傳輸與轉換，保護輸電線路的安全性就是保證整個電力系統的安全性[1]。

由于架空輸電線路架設在外部，長年累月經受外界惡劣氣候的干擾，極易受到如暴雨、雷電、冰雹等惡劣氣候因素的影響，其中雷電是一種高發且常見的自然現象，特別是在我國南方地區，降雨量大，更易于發生暴雨、雷電現象，一旦線路遭受雷擊引發跳閘，會影響到電力的正常輸送。據統計，在高壓線路的跳閘總數中，雷擊造成的跳閘故障高達二分之一以上。為保證電力系統的持續性和高效性，做好架空輸電線路的防雷與接地設計十分關鍵。

1 架空輸電線路防雷與接地設計必要性及發生雷擊故障主要原因

我國架空輸電線路分布具有“點多、線長、面廣”的特點，一旦輸電線路發生故障引發跳閘，將會引起大面積停電，影響社會的正常供電。

雷電是一種十分常見的自然現象，在世界各地幾乎每天都會有雷電發生。輸電線路雷擊故障事件屢見不鮮，因輸電線路遭受雷擊引發的人員傷亡和經濟損失越發嚴重。據統計，包頭電網北部山區由于雷擊造成的跳閘事故占本地區跳閘的67%以上；福建寧德大煙35kV 輸電線路投產運行十余年間，因線路遭受雷擊引發多起設備故障及絕緣子損壞事件，對電力系統的可靠運行產生了不利影響；2012～2014年間唐縣山區的10kV 輸電線路故障故障高達62次；2015年長沙縣供電公司所轄范圍內因雷擊原因造成7起跳閘事件。為確保供電系統的安全穩定性，對架空輸電線路進行科學化防雷設計迫在眉睫。

絕緣水平不足。輸電線路絕緣水平是影響防雷擊的重要因素，剛開始投入使用時，由于絕緣材料性能符合標準、整體耐雷擊水平較高，但通常投入運行幾年后材料本身的性能會下降，再加上受外界環境因素影響，一些絕緣材料主要是高分子材料，材料自身在紫外線、高溫條件下會加速發生老化，導致整體性能降低，如不進行技術改造將會顯著降低輸電線路的耐雷擊性能。據調查研究結果顯示，一些污穢嚴重的絕緣子耐雷水平下降約10%，嚴重時甚至高達30%以上。

外界地形條件因素。結合多年運行實踐表明，架設在山區的輸電線路遭受雷擊跳閘概率遠遠高于平原地區的線路。山區地帶塔桿通常架設在山區的山坡或山頂位置處，一般山區土壤的電阻率比平原地區要高，大多在1000～2000Ω ?m，有的甚至高達5000Ω ?m，當接地裝置遭到損壞時造成接地電阻增大，輸電線路耐雷擊水平顯著降低；接地電阻問題。當雷電擊中架空輸電線路桿塔頂部時，雷電反擊電壓值會高于沖擊放電電壓，會使得導線發生閃絡。當接地電阻阻值較高時塔頂電位升高的越大，會加大導線發生閃絡的概率。

2 影響架空輸電線路安全穩定的主要因素分析

桿塔接地電阻。其大小直接影響桿塔雷擊后沖擊電位的高低，通過降低接地電阻會顯著提升輸電線路的耐雷擊水平，但該措施只局限于輸電線路遭受反雷擊的情況，對輸電線路遭受繞擊雷造成的跳閘不適用。輸電線路桿塔遭受到雷擊時，由于輸電線路桿塔的接地電阻比架空地線的阻值要小，大部分的雷擊電流直接進入大地，可見降低桿塔接地電阻可使雷擊電流被更多的引入大地。

線路檔距。當架空輸電線路遭受雷擊后，一部分電流會流入接地網、另一部分電流會沿著線路傳輸，在電流傳輸過程中需經歷一段時間差才能影響到下一基桿塔，實際情況下，由于輸電線路檔距存在一些差異，因此傳輸時間也不盡相同，耐雷水平也有所差異，因此可適當增加輸電線路的水平檔距。

桿塔高度。桿塔遭受雷擊的概率與桿塔高度呈正相關，增大塔桿的高度輸電線路遭受雷擊概率加大，當雷擊中塔桿頂部后，雷電流會沿著桿塔和接地通道泄放進入接地網從而流入大地[2]。但事實上，通常雷電流是難以全部通過接地通道進行泄放的，沒有泄放掉的雷電流會繼續沿著塔身返回桿塔橫擔或桿塔頂部。當桿塔高度較高時這一過程所需時間增長，因此雷電流在桿塔高度較高的情況下更易于引發閃絡，導致線路耐雷水平降低。通常在桿塔所處區域環境及其他外部條件允許的情況下，建議將桿塔的高度設計盡可能低一些，進而提升輸電線路的耐雷水平。

3 架空輸電線路的防雷與接地設計技術策略

3.1 架設避雷線

架空輸電線路防雷方面避雷線起到重要作用，通過架設避雷線可減小雷電對導線的耦合屏蔽作用，顯著降低雷電直擊中導線的概率，實現對架空輸電線路的線、面防雷保護，目前工程上應用較多的避雷線材質為鍍鋅絞線或鋁包鋼絞線。通常要結合工程實際及電壓等級來合理架設避雷線，一般對電壓等級高于110kV 的輸電線路原則上都要架設避雷線，避雷線在施工方面較為簡單、技術難度不高、經濟性優異，是目前電力系統中應用較多的一種防雷技術，通過架設避雷線使得線路耐雷水平提升了30%左右。

架空地線的設計保護角對防雷效果影響顯著，保護角的大小影響了雷電繞擊率。通常電壓不同的線路架空避雷線的保護角也存在差異。對于單回路，330kV 及以下線路的保護角不宜大于15°，500kV～750kV 線路的保護角不宜大于10°；對于同塔雙回或多回路，110kV 線路的保護角不宜大于10°，220kV 及以上線路保護角不宜大于0°；單地線線路不宜大于25°。

對于10kV 的輸電線路，由于線路本身絕緣性差，易造成反擊閃絡，因此前些年對10kV 架空輸電線路不推薦安裝避雷線，但近年隨著對輸電線路可靠性的日益重視，大量研究者展開了對10kV 線路安裝避雷線的研究，有研究得出，對于10kV 架空配電線路，通過架設合適高度的避雷線（約1.8m），其耐雷水平提高20～30%以上，但需要特別注意的是，在避雷線架設高度選擇過程中，首先要保證導線與避雷線滿足足夠的電氣安全距離[3]。

3.2 降低接地電阻

降低桿塔接地電阻是提升輸電線路防雷水平的重要技術措施之一。通常情況下不同的桿塔模型在耐雷水平方面也不盡相同。現階段降低桿塔接地電阻的方式主要有利用自然接地體、深井接地、引外接地、人工改善土壤、采用降阻劑、使用非金屬模塊接地等，但采用非金屬模塊接地成本高；人工改善土壤方式工作量較大；采用降阻劑方式時效短；外引接地是通過利用引線將桿塔接地裝置引至土壤電阻率低的區域，主要適用于附近100米區域內存在低電阻的區域，且規程中對外引接地的最大長度限制不能大于150m，對于一些地域條件復雜、山區地帶不適用。因此在實際情況下，還充分考慮到輸電線路周邊的具體情況來選擇適宜的降阻方式。

銅、鋼、鍍鋅鋼等作為電力接地網的傳統接地材料，在土壤環境中長期使用后暴露出諸多問題，主要是因為材料本身為金屬材質，在潮濕環境下易發生腐蝕，導致材料的電性能降低，影響了實際應用效果。石墨烯作為一種新型的無機非金屬材料，具有比金屬更優異的導電和導熱性能，其獨特的層狀結構加速了電子的移動，另外石墨烯材料還具有熱膨脹系數低、耐腐蝕性強，以及優異的力學性能和抗熱震性能，其抗拉強度可以達到130GPa，導熱系數能夠到達5200W/（m·K），近年在電力系統的防雷接地工程應用中體現出了良好的應用價值[4]。

石墨烯復合接地系統是由石墨烯與其他材料，如銅、鋁、鈦等金屬材料高溫燒結復合而成，張力強度大、深鉆時不會發生脫落或皴裂，其導熱、導電性能是傳統防雷接地材料的十幾倍，泄放雷電流速度更快，在保護輸電線路及設備安全方面效果顯著。采用石墨烯復合接地線進行敷設時，通常深度設置在0.8m 左右，兩個接地極間距在5m，并輔以連接石墨烯接地極組成的接地網[5]。

3.3 安裝避雷器

安裝避雷器是一種提升架空輸電線路防雷性能的重要手段，線路避雷器的外套材料是一種合成材料，通過安裝避雷器，可利用避雷器電阻的非線性特性來實現對絕緣子串的保護作用，進而降低雷擊跳闡率，在選擇避雷器時，要基于以下考慮：安裝避雷器的主要目的是減少操作過電壓，還是為了減少雷電過電壓；電線桿塔接地質量；落雷密度；能量吸收能力。此外，避雷器的安裝數量、相別的原則為：盡量將避雷器要安裝在易繞擊相，盡量選擇安裝一相，接地電阻較大時可依據實際情況選擇安裝二相或三相，線路避雷器的安裝方式、線路避雷器自身的重量、覆冰重量也要慎重考慮。

在我國山區地區線路避雷器安裝較多，避雷器主要有間隙避雷器和無間隙避雷器兩種類型，實際應用過程中還要結合線路電壓等級來合理選擇避雷器的類型，通常對500kV 電壓等級的輸電線路主要以無間隙線路避雷器應用較多，可同時實現限制雷電過電壓和限制操作過電壓。此外，避雷器的安裝數量也是響應防雷效果的重要因素，通常安裝避雷器的數量越多耐雷擊效果越好，但如將全線安裝避雷器又會導致成本過高，不具有經濟可行性，從目前架輸電線路防雷設計來看，安裝避雷器仍是一種重要措施，且對小型化、高壓化、標準化、智能化的避雷器需求迫切。

應結合施工實際情況做好架空輸電線路的桿塔接地設計，選擇合適的降低接地電阻措施，加強工程施工管理與日常運行維護，定期監測塔架接地裝置的接地電阻，保證接地裝置穩定運行，提升輸電線路防雷性能，保證電力系統的持續安全運行。