220 kV 輸電線路綜合防雷技術分析

程一豪

（國網四川省電力公司達州供電公司，四川 達州 635000）

0 引 言

220 kV 高壓輸電線路遭受的雷擊危害包括感應雷和直擊雷2 種類型。由于其配備有絕緣水平較高的絕緣線路，很少受到感應雷的擊打，主要以直擊雷故障為主。不管是遭到何種雷擊，輸電線路都會產生高熱反應，且高壓效應極強，可能會進一步損害相關設備與輸電線路。若發生線路斷裂的情況，則會對用戶用電造成不利影響，因此有必要研究與探討綜合防雷技術，以增強線路雷電防護的有效性與實用性。

1 雷擊故障類型

目前，220 kV 輸電線路分布廣泛。220 kV 輸電線路及桿塔由小電阻金屬材料組成，具有較好的導電性。遭受雷擊后，雷電往往朝著電阻較小的線路方向移動。由于線路和雷電本身自帶電流，在兩者的共同作用下，輸電線路會產生電磁感應，從而增加雷電損壞線路的可能性，因此必須采取有效措施減少雷擊的頻率。雷電危害如圖1 所示。根據雷擊傷害的不同，可以將雷擊分為感應雷和直擊雷（雷擊電磁脈沖）[1]。感應雷主要是雷擊中線路桿塔附近地面，從而迅速生成一股很強的感應電壓，可以擊穿線路的絕緣層。直擊雷是雷電直接擊打線路桿塔，對線路桿塔造成嚴重危害。直擊雷根據故障類型劃分，可包括繞擊故障和反擊故障，其中：繞擊故障是雷電避開避雷線直接擊打導線，使得避雷線無法發揮屏蔽作用；反擊故障則是直擊雷擊打線路桿塔，生成極強的電效應，擊穿線路絕緣層，從而引起線路跳閘現象。

圖1 雷電危害

2 區域高壓輸電線路防雷現狀

以南方某區域的220 kV 輸電線路為例，其線路全長為6 230 m，轉角4 次，線路曲折系數為1.17。該線路與220 kV 輸電線路、110 kV 輸電線路、小鐵路以及公路各交叉1 次，并且經過菜地與樹林。研究發現，該線路所采取的防雷措施是全線鋪設分流線與鍍鋅鋼絞線，并搭配負荷架空地線，如光纖復合架空地線（Optical fiber composite overhead Ground Wire，OPGW），以預防直擊雷，并設置了統一的保護角，而未按照線路其他部位的實際情況進行設置，因此很難預防多種形式的雷擊與頻繁的雷電活動。同時，在埋深0.8 m 的位置放入1 個采用鍍鋅圓鋼焊接的放射形復合接地裝置，接地引下線采用同樣的材質，具有連接桿塔和接地裝置的效用。但是，過多設置接地引下線，并且通過防盜螺栓將其緊固，會導致遇到緊急情況時無法將其快速解開，不利于測量桿塔的接地電阻[2]。

220 kV 輸電線路雷擊故障位置多發于山區，尤其是山腰、河谷谷口、山頂處、河岸、緊鄰農作物以及金屬礦床等處。2019—2022 年，220 kV 單回架空輸電線路單相受雷擊比例已經達到83%，220 kV 同塔雙回架空輸電線路單相受雷擊比例接近90%。

3 220 kV 輸電線路綜合防雷技術分析

3.1 架設避雷裝置

避雷裝置也稱為接閃裝置。對220 kV 的輸電線路而言，有必要采取基礎性的防雷技術措施，包括布置接地、避雷針、避雷線以及引下線等。避雷線的布置如圖2 所示。避雷線的安裝多為沿線布置，通常使用保護范圍廣的雙避雷線。在特殊或關鍵的桿塔上安裝避雷器，當桿塔受到雷擊時，雷電流超出避雷器動作值后，雷電流的分布情況就會發生變化，導致更多的雷電流通過避雷器進入導線，并流入下一基桿塔，提升了導線電位，同時塔頂電位與導線電位的差值將小于絕緣子串放電電壓的50%，避免雷擊閃絡的情況發生。避雷針通常架設于桿塔的側面，220 kV 單回線路須在邊相導線橫擔上裝設側向避雷針，220 kV同塔雙回線路則在中相導線橫擔上裝設側向避雷針，側向避雷針長度應伸出橫擔2 m。雷電擊打現象發生時，避雷針主動接受雷擊，避雷針等避雷設施的最高位置電場出現畸變，電場強度提高，給引雷提供有利條件，進而將雷電生成的強大電流引至地面，構成一個放電回路。該技術必須結合當地環境與具體位置因素使用，并且需要保證接地深度足夠，方可實現有效引雷。

圖2 避雷線的布置

3.2 對接地電阻的處理

輸電線路的接地電阻越高，雷擊生成的反擊率就越高，從而提高線路跳閘率。該背景下，需要處理接地電阻。通常情況下，220 kV 的輸電線路的接地電阻不小于4 Ω。接地電阻的處理方式如下：一是使用降阻劑，對土壤做化學處理；二是更換局部土壤，加大接地體的埋深，盡可能地延長接地體，以達到減小接地電阻的目的；三是自制降阻籠，用18 mm直徑的圓鋼當作降阻籠立方體主架構，其他側面用10 mm 直徑的圓鋼織成網狀結構，澆筑完基礎結構以后將磨具拆開，焊接鋼筋籠。焊接鋼筋籠時，要想避免鋼筋籠直接接觸基礎底盤，應當先回填土壤，再鋪設油氈絕緣紙進行隔離[3]。同時，用油氈絕緣紙包裹基礎立柱，包裹高度要超過鋼筋籠10 cm，避免接地鋼筋籠和基礎中的金屬體發生回路效應而對接地電阻的檢測造成不利影響。鋼筋籠焊接好后套在基礎立柱上，要求兩者同心相接合，并將基坑的鋼筋籠用熱鍍鋅圓鋼連接，焊接接地引下線，最后回填土，使其和地面處在同一高度[4]。

3.3 增強絕緣子串的材料性能

以往常采用每段絕緣地線只架設1 個接地點的方式，限制地線的感應電壓幅值，減少了環流損耗。研究發現，地線使用該類接地技術，與桿塔接地相比，對其保護性能的影響并不大。該背景下，可增強絕緣子串的材料性能，以提升線路絕緣水平，充分發揮絕緣子串的保護效用[5]。同時，可以采用復合絕緣子、增加絕緣子干弧距離與絕緣子片數的方法來提升線路的絕緣水平。例如：重大污染區和雷電多發區的220 kV 輸電線路適合采用復合絕緣子或者加長干弧距離的方法，其中干弧距離應加長10%～15%，無污染區和少雷區可采用瓷質絕緣子。按照電壓等級計算波紋形的角度與數量，按照絕緣子的高度、位置與垂直度，將絕緣子設計成粗細不一的形狀，從而增加干弧距離。不同絕緣子串的性能設計如圖3 所示。

圖3 不同絕緣子串的性能設計

3.4 控制避雷線的保護角

避雷線保護角是由導線、避雷線以及垂直線之間構成的夾角。避雷線可以起到引雷與保護導線的作用。正常情況下，保護角在20°左右。對220 kV 的輸電線路而言，可以增設1 條雙避雷線，從而擴大保護覆蓋范圍，并將保護角調節到12°～16°。此外，針對雷擊嚴重的區域，需要適當地減小避雷線的保護角。避雷線保護角的布置如圖4 所示。其中：h1為避雷線高度；h2為導線高度；A為導地線；B為導地線與地面弧度；C為導地線與地面接觸點；α為避雷線保護角；θ為地面傾角；γ為地面最大擊距。

圖4 避雷線保護角的布置

4 對綜合防雷技術的優化

4.1 方案設計

在220 kV 輸電線路的設計中，應結合具體情況進行改進，科學采用綜合防雷技術，改造老舊的輸電線路，并時刻檢驗線路，包括設置接地電阻和檢測接地設備等。如果發現設備不合格或出現故障，那么第一時間更換設備，并調整設計方案。例如，針對雷直擊導線的區域，若具備增設架空避雷線的條件，可采用新架設架空避雷線與石墨柔性接地裝置組合的方案，尤其是對雷直擊導線頻繁的單線單攻220 kV 線路的區域，更需要優先選用該方案。在無架空避雷線且無接地裝置的多發雷擊跳閘線路中，220 kV 某區段線路為水電站發電上網線路，由于防雷收益方不是本地直屬機構，暫不改造。220 kV 河谷谷口電網網絡結構優化完成后，需要退出220 kV 運行，改為110 kV 運行，因此暫不改造。分析2019—2022 年多條220 kV 線路的雷擊桿塔位置情況可知，絕大多數雷擊發生在桿塔頂端，因此對該類線路采用電感性濾波式避雷針接閃器和普通圓規鋼接地裝置組合的方案。針對土壤電阻率過高的地帶，一般采用垂直電極解決土壤表面接地效果差的問題。例如，可以在桿塔周圍設置一定數量的垂直接地極并將其埋深，將深度控制在0.5 m 左右。若桿塔為水泥桿塔，則需要在間隔桿塔5 m 處布置垂直地極；若桿塔為鐵塔，則需要在間隔桿塔7 m 處布置垂直地極。此外，需要注意利用圓鋼材料對垂直地極進行處理，保證地極間距合適，長度為1.6 m[6]。

4.2 防雷效果

通過實際應用與統計發現，與一般線路相比，改造與優化過的220 kV 輸電線路年均跳閘次數下降了約80%。在河谷谷口和山間處采用避雷線與石墨柔性接地裝置組合的方法，年均跳閘次數從以往的30次降到14 次。在農田、公路、鐵路等處采用電感性濾波式避雷針接閃器和普通接地裝置組合的方法，年均跳閘次數從以往的25 次降到8 次。

5 結 論

雖然現階段國內220 kV 輸電線路在防雷接地技術方面獲得了較大進展，但是依舊需要繼續探索關鍵技術。由于雷擊會嚴重危害高壓輸電線路，不可避免地導致繞擊故障與感應雷故障。該背景下，文章深入分析了220 kV 輸電線路綜合防雷技術，采用安裝避雷裝置、對接地電阻的處理、增強絕緣子串的材料性能、控制避雷線的保護角等技術方法，避免雷擊事故的發生，減小雷擊對輸電線路的影響，從而提高輸電線路穩定運行水平，有助于促進電力企業實現可持續發展。