架空輸電線路雷擊跳閘原因與防雷技術

福建永福電力設計股份有限公司 黃達洋

架空輸電線路在我國電力系統中扮演了關鍵的角色，起到了橋梁紐帶的作用，一直以來，由于架空線路整體的線路偏長，敷設地形條件復雜，還會經過一些山地、丘陵、盆地、曠野等復雜地理環境，導致線路實際運轉的條件較差，并且架空輸電線路長期暴露于大氣環境下，易受到外界環境因素的干擾，導致線路元件破壞。架空輸電線路遭雷擊是引發線路開關跳閘的重要因素之一，據調查研究顯示，有一半以上的跳閘事故都是由于遭受雷擊引起的，頻繁發生雷擊跳閘事故對電網的可靠性帶來了較大沖擊。因此，采用科學的防雷措施提升輸電線路的耐雷水平十分有必要。

1 架空輸電線路雷擊跳閘原因

通常，架空輸電線路遭受雷擊跳閘主要有反擊和繞擊兩種形式（見表1）。當桿塔設計不當、接地電阻值過大、避雷線保護角偏大以及絕緣子選用不當時，都會對線路耐雷水平產生不利影響。

表1 反擊和繞擊的特點比較[1]

1.1 桿塔設計

首先，桿塔所處的位置及地理環境因素較為關鍵，其中位于山頂、半山坡、瀕臨水域以及山谷迎風氣流口的桿塔極易遭受雷擊；其次，桿塔的高度越高遭受雷擊概率越大。通過實際調查結果可以看出，單回線路桿塔高度大于25m，雙回線路大于40m，以及500kV單回線路桿塔高度大于35m，雙回線路大于55m時，線路遭受雷擊跳閘的概率將顯著增加。這是因為當雷電擊中桿塔時，未被接地通道釋放掉的部分電流會順著塔身返回桿塔橫擔或頂部，如果桿塔設計高度較高時，該過程耗時較長，易發生閃絡故障，耐雷水平較差。另外，水泥桿塔通過內部鋼芯材料接地，當雷電流經過鋼芯結構，會導致水泥桿爆裂，特別是對于一些運行年限較長，材料本身已存在一定老化的桿塔遭受雷擊破壞概率更大。

1.2 架空地線保護角過大

我國對不同電壓等級線路的架空地線保護角有明確規定（見表2），但由于實際情況下，有多數地區還存在架空地線保護角設置不合理的現象，一些地區的架空地線保護角明顯過大，導致遭受雷擊概率增加。

表2 不同電壓等級一般地線保護角取值

1.3 絕緣子類型選用不當

絕緣子的類型多樣，目前在電力系統中以瓷絕緣子和復合絕緣子應用居多，特別是復合絕緣子質量輕、易于維護、方便檢測，許多線路上包括一些雷害較多的地區都選擇應用復合絕緣子。但存在以下問題：復合絕緣子在防御雷擊的能力方面要弱于瓷絕緣子，這一方面是由于合成絕緣子兩端均壓環短接了部分空氣間隙；另一方面，因為復合絕緣子傘裙直徑較小，在相同串長時，與玻璃絕緣子和瓷絕緣子相比，其耐雷水平相對較低。更值得注意的是，瓷絕緣子還具有耐候性強、重合率高、自清潔性能優異等特性，由此可見，在雷害較重區域要慎用復合絕緣子，建議優選瓷絕緣子。

1.4 接地電阻過大

當桿塔接地阻值較高時，雷電流泄流時在桿塔上產生感應電動勢，當桿塔電位過高擊穿絕緣子后，輸電線路電流會快速升高并突變為直擊雷電流，一旦桿塔接地電阻值過大，不利于將雷電流引入大地。但事實上，接地電阻值是動態變化的，在輸電線路實際運行中，通常由于檢修、巡視工作不到位，當桿塔接地電阻過高時，沒有及時采取有效措施進行技術整改，致使雷擊輸電線路的概率加大，引發跳閘事故。

2 架空輸電線路防雷工作重點

桿塔的高度設計、接地電阻值、線路敷設地理環境、絕緣子類型等均影響著線路的耐雷水平，架空輸電線路的防雷性能受自身特征參數與外部環境因素的共同作用。在工程方面，架空輸電線路應基于“避雷、引雷、防止跳閘”的防雷原則，重點從改善線路結構設計以及優化線路本身參數等幾方面著手考慮。

一是針對已運行的較高電壓等級的重要輸電線路，建議安裝氧化鋅避雷器；對于運行年限超過20年的線路接地裝置結構改造升級，積極運用石墨烯等新型接地材料。

二是針對新建線路要結合各地區雷電情況，合理避讓雷電活動頻發及強烈的區域，優化架空輸電線路路徑選擇，降低桿塔高度，增大導、地線間的絕緣距離，減小地線保護角，并適當增加絕緣子片數，當桿塔高度超過40m，可將復合絕緣子距離加長，或加裝盤形懸式瓷絕緣子等措施來降低線路雷擊跳閘率。

三是采用差異化防雷理念提升線路整體耐雷水平，同時實現經濟效益最大化。我國線路防雷手段正向著多元化的方向發展，在實際應用中，要綜合考慮輸電線路所處地理位置、環境特點以及線路自身結構等因素，采用差異化防雷理念，選擇事半功倍的技術方法，有策略地對架空輸電線路進行差異化防雷改造，保證方案的科學性和經濟性。

3 架空輸電線路防雷具體措施

3.1 合理選擇架空輸電線路敷設路徑

合理選擇線路敷設路徑是提高線路耐雷水平的重要基礎。在線路敷設階段，首先要考慮合理避開易遭受雷擊的區域，通過大量實際運行經驗得出，山口、河谷、風口處、土壤電阻率較低區域、地下水位較高以及存在導電性礦產資源的地區雷電活動頻繁，容易發生雷擊。因此，在線路敷設階段選擇線路路徑時，要將這些因素統籌考慮，科學進行路徑優化，降低雷害發生概率。

3.2 加強線路絕緣

加強線路絕緣水平是提高線路耐雷水平的關鍵手段之一。對于一些難以避開的雷電活動頻繁地帶，建議考慮通過增加絕緣子片數來加強線路絕緣水平，但基于成本方面考慮，絕緣子片數增加的同時也加大了成本的投入，結合工程實際經驗，建議對不同等級電壓的線路選擇不同片數的絕緣子（見表3）。

表3 不同電壓等級輸電線路絕緣子的片數

對于一些已投入運行應用的復合絕緣子，可在接地端加裝一片大盤徑的絕緣子，來達到提升線路運行穩定性的目的。此外，還要加強日常維護和巡視檢查，清除絕緣子片表面的污穢，提升線路絕緣性。

3.3 降低桿塔接地電阻

大量實證研究表明，桿塔接地電阻與雷擊塔頂電位的高度呈正相關。根據研究報道，采用一定的降阻技術，通過對不同電壓等級的輸電線路桿塔進行降阻設計后，雷擊跳閘率明顯降低（見表4）。

表4 不同電壓等級輸電線路桿塔降阻前后跳閘率對比[2]

現階段，降低桿塔接地電阻的方式多種多樣，主要包括使用降阻劑、通過外引接地裝置、人工改換土壤、爆破接地技術、擴大接地網面積、伸長水平接地體等，并且每種降阻方式自身都存在著一定的優勢與不足之處。如使用降阻劑來降阻主要問題是易流失、時效短，外引接地長度受限，人工改換土壤工作量大，爆破接地技術和擴大接地網面積投入成本高、經濟性不佳，因此在實際應用中，還要充分結合地形條件、氣候特征以及桿塔周圍地理特征，因地制宜，采用經濟高效的降阻方式來降低桿塔接地電阻。

3.4 安裝避雷針

避雷針的主要原理是在雷電放電時，當雷電流達到一定值時，電場會發生改變，避雷針可感受到電場變化，進而將雷電流轉移至避雷針頂部，再將電流流入大地。安裝避雷針可大大降低繞擊閃絡概率，并且還具有良好的經濟性，避雷針的安裝方式主要有兩種，即安裝在塔頂或塔側。在選擇避雷針時，選用金屬材質的避雷針對雷電流引導作用更大，并且還具有良好的耐候性。但安裝避雷針時要注意，如果安裝在塔頂要選擇易遭受雷擊的桿塔，安裝側向避雷針主要是塔頭側針，由于側向避雷針安裝維護困難，目前較少采用。

3.5 安裝避雷器

安裝避雷器是提升輸電線路耐雷水平的重要方式之一。對于一些山區地形條件復雜，并且降低接地電阻困難的區域，可通過安裝避雷器來提升線路防雷水平。但由于避雷器的保護范圍有限，通常只能對桿塔兩側一個檔距起到保護作用，如果避雷器安裝數量過少，防雷效果不好，如果安裝數量過多，導致投資成本過高，經濟性不佳。可以見得，避雷器的類型選擇、安裝位置以及安裝密度要事先合理評估，來確定最終的安裝方案，保證避雷器的防雷效果得到高效的發揮。

現階段，應用較多的避雷器主要是氧化鋅避雷器。與傳統避雷器相比，氧化鋅避雷器具有結構簡單、經濟性優異、受環境影響小、通流容量大、污穢影響不大以及不受串聯間隙的制約等諸多優勢，另外在安裝線路避雷器時，要注意安裝位置的選擇（見表5）。

表5 不同類型級線路避雷器安裝位置

3.6 采用并聯保護間隙技術

并聯保護間隙技術是一種“疏導式”的防雷手段，并聯間隙結構有多種類型（見表6），并聯間隙裝置設計簡便，易于安裝，成本低廉，近年來得到越來越多的關注與實際應用。安裝并聯間隙裝置的主要目的是減小絕緣子的破壞，進而降低雷擊事故發生概率。應用并聯間隙裝置主要作用在于：一是減小重合閘失敗的概率，以防大面積停電事故的發生；二是減小雷擊跳閘率；三是保護絕緣子金具免遭雷擊、閃絡損壞。

表6 并聯保護間隙類型及應用

3.7 架設耦合地線

架設耦合地線是最基本也是較為成熟的防雷措施之一。對于山區地帶，降低桿塔接地電阻并非易事，操作起來較為煩瑣，在這種情況下可選擇在導線下方區域架設一條合理的地線。耦合地線的作用主要體現在兩點，一是可增強導地線之間的耦合作用，降低絕緣子兩端的電壓差，二是起到一定的分流作用，使得線路雷擊跳閘概率較大降低。實際運行經驗表明，架設耦合地線這種防雷方式在山區丘陵地帶體現出良好的防雷效果，但注意的是，架設耦合地線之前，要對導線與耦合地線之間的距離進行計算，并且還要加強巡視和維護力度。

綜上所述，架空輸電線路雷擊跳閘主要受地形條件、接地電阻、線路絕緣水平以及桿塔高度等多方面因素的影響，輸電線路的防雷是一項復雜而系統的工作，因此為了全面提升線路的耐雷擊水平，要從多方面統籌考慮提升線路防雷特性，減少線路雷擊跳閘事故的發生。與此同時，還要做好雷電的基礎數據統計分析，充分結合區域地質條件和氣候條件特征，分析線路以往跳閘事故發生率及原因，綜合評估方案的合理性和經濟性，借鑒當地原有線路運行經驗，科學選擇應對措施全面提升輸電線路防雷性能，確保電力系統的供電可靠性。