電力輸電線路的防雷擊技術分析

楊 永

（國網吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132000）

0 引 言

近年來，我國電網規(guī)模不斷擴大。由電力規(guī)劃設計總院發(fā)布的《中國電力發(fā)展報告2023》可知，2022年我國用電結構持續(xù)優(yōu)化，供需基本平衡。在電力輸送線路規(guī)模不斷擴大的過程中，線路運行風險持續(xù)增加，如雷擊風險。雷擊不僅會導致電力輸電線路損壞，而且會以雷電波的形式侵入變電站，破壞電力設備絕緣，影響整個電網的正常運行。因此，分析電力輸電線路的防雷擊技術具有重要的現實意義。

1 電力輸電線路的雷擊及防控過程

雷擊電力輸電線路時，因帶電云層放電初始電位較高，易擊穿空氣產生先導通道。此時，雷云放電可視為一個電流源，其傳輸通道存在穩(wěn)定波阻抗[1]。電力輸電線路雷擊防控是指控制電力輸電線路遭受雷擊時絕緣子不閃絡，即便絕緣子閃絡，但在沖擊閃絡時間較短情況下，線路不會跳閘。可見，絕緣子閃絡和沖擊閃絡時長是電力輸電線路雷擊防控的主要對象[2]。

2 電力輸電線路的防雷擊技術

2.1 接地技術

接地技術是電力輸電線路防雷擊的主要技術，需要在電力輸電線路的給定點與局部地之間做電連接，或者在與大地存在電接觸的部分埋入特定導電介質作為接地極[3]。接地極可選擇金屬接地極，也可選擇石墨接地極，其中石墨接地極是一種新型接地極，兼具價格低、耐高溫、導電性佳、電流分布均勻、趨膚效應小以及耐腐蝕性強等優(yōu)良特點。一般輸電線路接地裝置可選擇Φ20 mm石墨纜，水平開挖寬300 mm以上溝槽，在溝槽底部布設石墨。接地石墨體搭接長度超出200 mm，需要借助專用石墨線牢固綁扎。埋入石墨體后，分層回填素土并夯實。

電力輸電線路接地電阻對桿塔上端電位具有直接影響。減小接地電阻值是控制桿塔頂端電位和降低輸電線路雷擊跳閘率的有效手段。根據土壤電阻率、設計實施方案、運維操作等，相關人員應在嚴密觀測桿塔所在地土壤電阻率的基礎上，合理設計接地方案，并以地閃密度大量發(fā)生為節(jié)點進行接地電阻測量，形成動態(tài)接地電阻測量處理臺賬，為降低接地電阻方案的制定提供依據。例如：動態(tài)接地電阻顯示區(qū)域輸電線路桿塔接地體化學電阻較大，可選擇減阻器，減少桿塔周邊土壤電阻；而在動態(tài)接地電阻測量臺賬顯示區(qū)域輸電線路桿塔接地體物理電阻較大時，可選擇深埋接地體或者更換新接地體的方式。

2.2 避雷技術

2.2.1 避雷線技術

桿塔避雷線保護是降低雷擊下輸電線跳閘率的有效手段。一般避雷線保護線小于20°。若為同桿并架輸電線路，則需控制避雷線保護角在0°及以下（負度數）；若位于山麓地帶，應考慮地形增加線路保護角的因素，將避雷線保護角降低至-5°。根據電壓等級的差異，還需適當調整桿塔避雷線保護角，具體如表1所示。

表1 不同電壓等級桿塔保護角 單位：°

2.2.2 避雷器與避雷針技術

在全線架設避雷線并無法真正避免電力輸電線雷擊過電壓現象。線路型避雷器是一種補充方法，負責將雷擊產生過電壓釋放到大地，限制電壓上升，保障電力輸電線路安全[4]。線路避雷器主要是在電力輸電線路絕緣子兩端加裝避雷器，以便向導線傳導大部分雷電電流，并向相鄰塔內流入。此時，在電力輸電線路絕緣子遭受雷擊時，僅有少部分流入大地，絕緣子閃絡電壓超出電力輸電線路桿塔上端導線間電位差，從源頭控制絕緣子閃絡，避免安裝塔雷電跳閘。在相鄰連續(xù)輸電線路基礎桿塔一定的情況下，相關人員可以選擇加裝三相避雷器、分相加裝避雷器以及分多基桿塔加裝避雷器等。對于個別易受雷擊桿塔，相關人員可以在任意兩相對一基、連續(xù)三基桿塔安裝避雷器。根據地形差異，線路避雷器安裝位置具有一定差異。常規(guī)地貌下，優(yōu)先在上相、中相安裝避雷器。避雷器主要安裝在雷電易損線外側，并在另外一側增設2個絕緣子。跨越高速、重要輸電線路桿塔且接地電阻超出15 Ω時，全部加裝避雷器。平原地區(qū)，優(yōu)先在中相安裝避雷器。橫跨山谷、河流的桿塔，優(yōu)先在中相、下相安裝間隙氧化鋅材質避雷器，并設置避雷針、旁路屏蔽站。處于斜坡、山脊線的桿塔，在中相（山坡傾斜度小于28°）或下相（山坡傾斜度大于28°）安裝避雷器。

安裝避雷針是一種有效的防雷擊方法，主要是在高壓電力輸電線路的不同部位架設多類型避雷針。一般需要將可控放電避雷針安裝到高壓輸電線路塔頂，借助避雷針吸引直擊雷，抑制雷電繞擊高壓輸電現象的發(fā)生。將防繞擊避雷短針安裝到地線上，重點防控距離（20±10）m雷電繞擊危險區(qū)域內的累計危害。在地線上架設避雷針且側向斷針長度超出臨界電暈半徑的情況下，可在側向斷針位置出現上行先導通道，增強地線引雷能力，從而實現在發(fā)生雷擊前的提前攔截。

在安裝避雷針或避雷器時應可靠接地，確保相關雷電保護裝置順利向大地泄放電流。

2.3 疏導型防雷技術

疏導型防雷技術屬于差異化防雷，即人為對同塔雙回兩側線路絕緣強度進行干預，差異化調節(jié)兩側輸電線路防雷擊水平。在桿塔遇到雷擊時，絕緣強度較低的一側發(fā)揮引雷作用，保護高絕緣強度線路不遭受累積故障，降低同塔雙回線路同跳閘概率。并聯(lián)間隙是疏導型防雷手段之一。根據疏導工頻電弧、接閃雷電要求，它可以將并聯(lián)間隙設備并聯(lián)安裝在電力輸電線路絕緣子上，允許電力輸電線路具有較低的雷擊跳閘概率，結合線路重合閘裝置的運行，有效控制雷擊閃絡時永久性線路故障。一般并聯(lián)間隙設備可以加裝到邊相（絕緣子外側），與導通方向成90°。對于非邊相，則從電極端部出發(fā)，順著電力輸電線路兩端進行并聯(lián)間隙設備安裝。同桿并架的耐張塔，僅需在上相加裝。對于耐張絕緣子串，需要在絕緣子串上端加裝并聯(lián)間隙電極，穩(wěn)固接地側間隙電極，充分發(fā)揮接地側放電引弧作用。對于轉角塔的耐張串，需要在兩端加裝并聯(lián)間隙電極。若塔頭空氣間隙超出絕緣子串絕緣距離，則將V型串視為懸垂串，在其中一串前后側各安裝一對間隙電極，滿足基準絕緣子串長空氣間隙85%±2.4%的要求。

2.4 不平衡絕緣技術

不平衡絕緣配合設計歸屬于差異化防雷，適用于輸電線路走廊受限、同桿雙回架設（兩回垂直排列）較多、桿塔高度超出單回路塔高度的線路，可以解決電力輸電線路桿塔、檔距中央放電途徑絕緣選擇與配合問題[5]。常見的不平衡絕緣配合技術包括桿塔絕緣配合、檔距中央導線對地和各種被跨越物的絕緣配合、檔距中央導線及避雷線絕緣配合、檔距中央不同導線之間絕緣配合等。在不平衡絕緣配合設計時，需合理選擇絕緣串片數量。同一電壓等級，耐張絕緣子串應超出懸垂絕緣子1～2片。在絕緣串片數量一定的情況下，應根據絕緣子參數和不同絕緣子作用，恰當選擇安裝參數。例如，FXBW4-220復合絕緣子盤徑（148 mm）小于XWP-70盤型懸式瓷絕緣子（18片）的盤徑（255 mm），在相同環(huán)境下，FXBW4-220復合絕緣子絕緣能力更弱，需加裝均勻壓環(huán)，或者將高壓易發(fā)生雷擊過電壓故障桿塔復合絕緣子更換為4～5片或7～8片玻璃型絕緣子，并在玻璃型絕緣子表面噴涂防閃污涂料如持久性就地成型防污閃復合涂料，提高絕緣性能。

2.5 全自動實時雷電監(jiān)測技術

電力輸電線路雷擊過電壓事故多集中在固定區(qū)域。有效掌握相關區(qū)域位置，是雷擊針對性防控的關鍵。全自動實時雷擊監(jiān)測技術是一種新型防雷技術，可以全天候自動監(jiān)測閃絡回擊輻射聲、光、電磁特性，提高某一區(qū)域年雷電現象發(fā)生具體位置定位精度[6]。相關人員可以在電路輸電線路重點區(qū)域應用全自動實時雷電監(jiān)測技術，統(tǒng)計分析區(qū)域落雷密度、雷電流強度，并在后臺實時統(tǒng)計指定區(qū)域年、月、日雷電活動情況以及當日雷電流平均幅度、落雷個數，直觀展現一段時間內線路所在區(qū)域的雷電活動規(guī)律，為線路防雷改造提供依據。在全自動實時雷擊監(jiān)測的基礎上，技術人員可以經互聯(lián)網集成歷史雷電信息、輸電線路全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）坐標、雷電故障基礎信息、雷擊閃絡算法，借助大數據挖掘內部信息，助力輸電線路防雷擊決策，包括防雷擊設施選配、絕緣配置、雷擊故障點桿位判斷以及輸電線路路徑規(guī)劃等。輸電線路防雷擊決策系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 輸電線路防雷擊決策系統(tǒng)

根據圖1，可以將選配配電線路干線、分支線各桿塔的GPS坐標導入雷電定位系統(tǒng)，經系統(tǒng)端可視化展現不同時間段線路1 km范圍內的雷電流強度和落雷密度[7]。這些數據經系統(tǒng)端自帶統(tǒng)計學模型，結合雷擊方位、雷擊電流幅值等隨機變量，計算雷擊閃絡概率，為輸電線路防雷擊決策提供支持，計算公式為：

式中：P為引起輸電線路絕緣子閃絡的概率，%；I為引起輸電線路絕緣子閃絡的雷電電流，A；h為導線垂直方向至最大距離段落長，取值88 m。

3 結 論

防雷擊是電力線路安全運行的保障。在應用防雷擊技術前，電力輸電線路運維人員需要綜合考慮線路電壓、負荷性質、運行方式、地區(qū)雷電活動強弱、土壤電阻率高低、地形地貌特點以及當地已有線路運行經驗等，選擇恰當的技術類型，如接地技術、避雷器技術、不平衡絕緣技術等。在確定防雷擊技術后，運維人員可以根據設計圖紙科學操作，充分發(fā)揮防雷擊技術優(yōu)勢，降低雷電對電力輸電線路的危害。