輸電線路雷害事故分析及對(duì)策

十堰供電公司輸電線路部 路洪岐

一、前言

輸電線路綿延數(shù)十至數(shù)百公里，地處曠野，穿越平原、丘陵、大山區(qū)或跨越河流，桿塔大多處于高出地面十幾米乃至幾十米的制高點(diǎn)，暴露在曠野或高山中，所以易遭受雷擊。雷擊線路造成的跳閘事故在電網(wǎng)事故中占有很大比例，雷擊成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要隱患。隨著輸電線路增多，雷擊跳閘對(duì)安全運(yùn)行的影響日益突出。因此，必須首先分析研究雷害的成因及對(duì)線路造成危害的過(guò)程，才能針對(duì)其成因采取有效的防雷保護(hù)措施，從而減少輸電線路的雷害事故，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

二、雷電形成及對(duì)輸電線路的危害

1.雷電形成

地面的水在地表溫度下蒸發(fā)為蒸汽，向上空升起，遇到高空冷氣流時(shí)凝成水滴，一旦受到強(qiáng)烈氣流吹襲便形成帶有大量電荷的雷云，帶電荷的雷云對(duì)大地感應(yīng)出異號(hào)電荷，于是雷云和大地之間相當(dāng)于形成了一個(gè)巨大的充電電容器，而電荷在雷云中的分布并不均勻，密集電荷中心附近的空氣在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下先被電離，成為先導(dǎo)放電首段通道，電荷沿通道不斷延伸，當(dāng)最后一段空氣也被電離時(shí)，先導(dǎo)放電通道便成了主放電通道，地面電荷隨即沿放電通道進(jìn)入云層，并和雷云中的電荷迅速中和，出現(xiàn)雷鳴和閃光。

2.雷擊線路成因、分類及危害

(1)成因

由于輸電線路桿塔處在高出地面的尖端，據(jù)雷電形成的過(guò)程，我們知道輸電桿塔先于雷云形成主放電通道，大量的異號(hào)電荷在極短時(shí)間內(nèi)中和，產(chǎn)生數(shù)百千安的電流(等效阻抗如圖示)，雷電流流過(guò)桿塔入地，引起塔頂電位Utp升高，而Utp＝雷電流對(duì)桿塔電感產(chǎn)生的電位升高值＋雷電流對(duì)桿塔沖擊接地電阻產(chǎn)生的電位升高值，如果塔頂電位與導(dǎo)線上的感應(yīng)電位的差值，再考慮線路工頻電壓幅值的影響后，其值超過(guò)絕緣子的50%沖擊閃絡(luò)電壓時(shí)，就會(huì)造成絕緣子串閃絡(luò)放電，從而造成雷擊跳閘事故。

(2)分類

雷擊輸電線路分反擊和繞擊兩種。

反擊：當(dāng)避雷線遭受雷擊時(shí)，若桿塔接地電阻過(guò)大將會(huì)在避雷線上引起很高電位，從而導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣閃絡(luò)，包括雷擊塔頂和雷擊避雷線兩種情況。

繞擊：雷云放電繞過(guò)避雷線而直接擊中導(dǎo)線引起直擊雷，此現(xiàn)象稱之為繞擊。

(3)危害

雷擊線路多表現(xiàn)為整個(gè)絕緣子串閃絡(luò)，輕者在絕緣子上留下閃絡(luò)痕跡，降低絕緣子的運(yùn)行電阻及電氣性能，形成設(shè)備缺陷，重者造成絕緣子破碎，導(dǎo)致線路送電中斷，嚴(yán)重者甚至引起吊串?dāng)嗑€事故，大大影響線路安全運(yùn)行。

三、防雷保護(hù)中的幾個(gè)術(shù)語(yǔ)和概念

1.雷暴日

雷暴日是指一年中有雷電的天數(shù)。它能反映雷電活動(dòng)的頻率，是線路防雷設(shè)計(jì)主要依據(jù)，與地域差異有很大關(guān)系。如長(zhǎng)江以北地區(qū)約20-40個(gè)雷暴日，而西北地區(qū)則多在20個(gè)雷暴日以下。

2.雷電流波形、幅值

雷電流波長(zhǎng)大致在40us左右，波頭長(zhǎng)度大致在1-4us之間，平均在2.6us左右。因此，我國(guó)規(guī)程DL/T620-1997(以下簡(jiǎn)稱規(guī)程)建議計(jì)算用波頭取為2.6us，即認(rèn)為雷電流的平均上升陡度為：=(KA/us)式中：IL-雷電流幅值，單位KA。

規(guī)程建議雷電流波頭形狀為：一般線路防雷設(shè)計(jì)中可取為斜角波，而在高塔設(shè)計(jì)時(shí)可取為余弦波，在波頭范圍內(nèi)雷電流可表示為：iL=(1-coswt)。

雷電流幅值與氣象及自然條件有關(guān)，是一個(gè)隨機(jī)變量，只有通過(guò)大量實(shí)測(cè)才能正確估算其概率分布規(guī)律。規(guī)程建議采用：logP=式中：P-雷電流幅值超過(guò)IL的概率，IL-雷電流幅值。

3.地面落雷密度和輸電線路落雷次數(shù)

地面落雷密度γ：表示每一雷暴日，每平方公里地面落雷次數(shù)，單位為次/Km.雷暴日，規(guī)程建議γ取0.07。

輸電線路落雷次數(shù)：對(duì)于線路來(lái)說(shuō)，高出地面有引雷作用，一般高度線路的等值受雷面寬度為（4h+b），也即等值于受雷面積為線路兩側(cè)的地帶，線路愈高，則等值受雷面積愈大。若地面落雷密度γ取0.07，雷暴日T取40時(shí)，輸電線路落雷次數(shù)：

N＝0.28(4h+b)式中：N-輸電線路落雷次數(shù)，h-線路平均高度，b-兩避雷線間距離。

4.擊桿率（g）

擊桿率是指雷擊線路桿塔的次數(shù)與線路雷擊總次數(shù)之比值，其大小與避雷線根數(shù)和地形有關(guān)。規(guī)程推薦擊桿率如下表：

避雷線根數(shù)

地質(zhì) 1 2平原 1/4 1/6山丘 1/3 1/4

5.繞擊率（Pθ）

繞擊率指雷電繞過(guò)避雷線擊于導(dǎo)線的概率，與避雷線對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)角、桿塔高度以及線路經(jīng)過(guò)地區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)條件有關(guān)。規(guī)程給出經(jīng)驗(yàn)公式：

平原線路 lg Pθ=-3.9

山區(qū)線路 lg Pθ′=-3.35

式中：Pθ、Pθ′-繞擊率θ-避雷線對(duì)外側(cè)導(dǎo)線的保護(hù)角

h-避雷線平均高度

由上二式可以看出，山區(qū)線路的繞擊率約為平原線路的3倍。

6.耐雷水平

雷擊線路時(shí)線路絕緣不發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值，叫做耐雷水平。它是判斷輸電線路耐雷性能的一個(gè)重要依據(jù)。耐雷水平愈高，意味著線路防雷措施愈完善，絕緣子串遭受雷電過(guò)電壓發(fā)生閃絡(luò)的概率愈小。規(guī)程規(guī)定，對(duì)于500kV線路一般段應(yīng)取125-175kA，而大跨越檔及發(fā)電廠、變電站進(jìn)出線段應(yīng)不低于175kA。

7.建弧率(η)

絕緣子串和空氣間隙在雷電沖擊閃絡(luò)之后，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧的概率，與沿絕緣子串和空氣間隙的平均運(yùn)行電壓梯度有關(guān)，也和游離條件有關(guān)。規(guī)程建議按下式計(jì)算：

η＝(4.5E0.75－14)×10-2

式中：η-建弧率

E-絕緣子串的平均運(yùn)行電壓梯度有效值(kV/m)

在雷電過(guò)電壓沖擊下，絕緣子串發(fā)生沖擊閃絡(luò)，但持續(xù)時(shí)間很短(100us左右)，繼電保護(hù)來(lái)不及動(dòng)作，所以不會(huì)引起跳閘，只有當(dāng)沖擊閃絡(luò)火花轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工頻電弧，才會(huì)引起線路開(kāi)關(guān)跳閘，因此，輸電線路的雷擊跳閘次數(shù)不僅與耐雷水平有關(guān)，還與建弧率有關(guān)。

8.雷擊跳閘率

前面提到只有當(dāng)雷電流幅值超過(guò)線路耐雷水平引起絕緣沖擊閃絡(luò)且建立起穩(wěn)定工頻電弧時(shí)，線路才會(huì)跳閘停電。雷擊線路分反擊和繞擊。

反擊跳閘率計(jì)算公式：

n1＝0.28(4h＋b)gηP1

式中：n1-反擊跳閘率，h-避雷線平均高度，b-兩避雷線間距離，g-擊桿率，η-建弧率，P1-雷電流大于反擊耐雷水平I1的概率

繞擊雷擊跳閘率計(jì)算公式：

n2=0.28(4h+b)PθηP2

式中：n2-繞擊跳閘率，Pθ-繞擊率

P2-雷電流大于繞擊電流I2的概率

h、b、η意義同上。

線路雷擊跳閘率計(jì)算公式：

n＝n1+n2＝0.28η(4h+b)(g P1+PθP2)

四、線路防雷的主要工作

線路防雷的主要工作是采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化措施，將雷害事故減小到可以接受的程度，以保證供電的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)前面的分析，我們已經(jīng)知道雷電活動(dòng)規(guī)律及線路最終發(fā)生雷擊跳閘的幾個(gè)條件，因此，我們可以著手從以下四個(gè)方面做好輸電線路的防雷工作。

第一，保護(hù)導(dǎo)線不受或少受雷直擊，一般根據(jù)輸電線路電壓等級(jí)的不同沿全線架設(shè)避雷線。

第二，雷擊塔頂或避雷線時(shí)不使或少使絕緣發(fā)生閃絡(luò)，為此，需改善桿塔的接地電阻以及適當(dāng)提高絕緣水平等。

第三，當(dāng)絕緣子發(fā)生沖擊閃絡(luò)時(shí)，盡量降低建弧率，從而減少雷擊跳閘次數(shù)，為此，應(yīng)減少絕緣上的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度或電網(wǎng)中性點(diǎn)采用不直接接地的方式以及加裝消弧器等。

第四，即使跳閘也不中斷電力供應(yīng)，可采用雙回路供電或采用自動(dòng)重合閘裝置。

五、防雷措施

在確定輸電線路的防雷方式時(shí)，必須全面考慮線路的重要程度、系統(tǒng)運(yùn)行方式、線路經(jīng)過(guò)地區(qū)雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱、地形地貌特征、土壤電阻率的高低等條件，并應(yīng)結(jié)合已有線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從而確定出合理的保護(hù)措施。

輸電線路的防雷工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，首先勘測(cè)設(shè)計(jì)單位在線路走向選取時(shí)盡量避開(kāi)雷暴走廊、土壤電阻率突變區(qū)等雷電易擊區(qū)，經(jīng)分析計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采取有效防雷設(shè)計(jì)是一項(xiàng)根本措施。施工單位嚴(yán)格操作工藝，則是貫徹設(shè)計(jì)意圖的重要一環(huán)。線路投運(yùn)后，維護(hù)單位應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，通過(guò)分析比較雷電活動(dòng)規(guī)律、線路雷擊跳閘特性等，尋找有效可行的防雷改進(jìn)措施。下面從運(yùn)行維護(hù)角度著重闡述輸電線路綜合防雷措施。

1.降低桿塔接地電阻值

桿塔的接地電阻值是影響線路反擊耐雷水平的一個(gè)重要參數(shù)。從前面的分析我們知道，降低桿塔接地電阻是提高線路耐雷水平防止反擊的有效措施。不同的接地電阻值對(duì)線路桿塔的耐雷水平影響是較大的。按照規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，不同的接地電阻對(duì)耐雷水平的影響詳見(jiàn)下表。

DL/T620規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)塔的耐雷水平（kKA)

相對(duì)DL/T620規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)沖擊接地電阻7Ω耐雷水平下降的百分?jǐn)?shù)

由上表可見(jiàn)，降低接地電阻對(duì)提高線路耐雷水平的重要性，是降低反擊跳閘率的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。運(yùn)行維護(hù)單位通常采用以下幾個(gè)方面的措施來(lái)降低桿塔接地電阻。

(1)更換銹蝕嚴(yán)重的接地網(wǎng)

根據(jù)前面對(duì)輸電線路的危害一節(jié)我們易知：對(duì)于一般高度的桿塔，桿塔沖擊接地電阻往往對(duì)塔頂電位升高起很大作用，而在山區(qū)或不良土壤地區(qū)，沖擊接地電阻可達(dá)20～30Ω，此時(shí)起決定性作用。只有在高塔尤其過(guò)江特高塔時(shí)，桿塔電感才對(duì)塔頂電位升高起決定性作用。所以要減少線路反擊跳閘率。必須定期挖開(kāi)地網(wǎng)進(jìn)行銹蝕情況檢查，土壤腐蝕變化情況檢查。對(duì)以下幾種情況需考慮改造更換：

a)接地電阻測(cè)量值大于設(shè)計(jì)規(guī)定值；

b)接地網(wǎng)銹蝕嚴(yán)重，被腐蝕后其導(dǎo)體截面低于原值的80%；

c)接地網(wǎng)周圍地形地貌等發(fā)生不良變化，原設(shè)計(jì)接地型式無(wú)法滿足接地電阻值運(yùn)行要求；

這里必須強(qiáng)調(diào)，更換接地網(wǎng)或新線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高接地網(wǎng)截面尺寸，預(yù)留一定余度，未雨綢繆，達(dá)到提高耐雷水平，降低雷擊跳閘率的目的。如500kV鳳磁I、II回π進(jìn)π出磁湖變段，接地引線采用φ10的圓鋼，其截面尺寸低于φ12的規(guī)定要求，且接地引線未鍍鋅，不符合相關(guān)要求，采取了將φ10未鍍鋅的圓鋼更換為φ12鍍鋅圓鋼的措施后，滿足了運(yùn)行要求。

(2)使用降阻劑，有效降低高土壤電阻率地段桿塔接地電阻

線路經(jīng)過(guò)山區(qū)地段時(shí)，地質(zhì)多以巖石為主，土壤電阻率很高，大都在2000Ω.m以上，甚至高達(dá)8000Ω.m～10000Ω.m，接地網(wǎng)埋設(shè)后無(wú)法滿足設(shè)計(jì)運(yùn)行要求，為改善土壤電阻率高的桿塔接地電阻，需要敷設(shè)降阻劑，有效降低桿塔電阻。降阻劑應(yīng)選擇電阻率低、性能穩(wěn)定、無(wú)腐蝕性、降阻性能好、防腐能力強(qiáng)的降阻劑。500kV鳳夢(mèng)線沿線山地及高山大齡較多，土壤電阻率很高，設(shè)計(jì)對(duì)土壤電阻率超過(guò)2000Ω.m的塔基接地電阻敷設(shè)了CFJ－1長(zhǎng)效防腐接地降阻劑，施工單位按設(shè)計(jì)要求施工完畢后經(jīng)檢測(cè)接地電阻均滿足了運(yùn)行要求，達(dá)到了降低接地電阻提高耐雷水平的目的。

注：降阻劑的敷設(shè)要求

a)降阻劑必須包裹住降阻劑，使接地線被包裹在中間，按100×300的截面要求灌注并搗實(shí)，初凝后取下模具，回填細(xì)土或細(xì)沙土后夯實(shí)；

b)包裹用量一般每米不少于10～25公斤；

c)施工順序一般由射線末尾向桿塔方向埋設(shè)；

2.確保接地裝置的接地效果

防雷接地的主要目的，是為了讓強(qiáng)大的雷電流安全導(dǎo)入地中（地線）以減少雷電流流過(guò)時(shí)引起的電位升高。而雷擊桿塔時(shí)，一部分雷電流通過(guò)架空避雷線流到相鄰桿塔，另一部分雷電流經(jīng)桿塔流入大地。所以確保接地裝置的接地效果，是一項(xiàng)防護(hù)線路設(shè)備安全，提高線路雷擊跳閘重合成功率，提高線路安全供電可靠性的防雷工作。

(1)接地裝置必須連接牢靠，保障雷電流的正常暢通。

接地裝置的連接包括架空避雷線與桿塔(地線間隙件)的連接、桿塔(引下線)與地網(wǎng)的連接、接地引線與接地網(wǎng)的連接（焊接）、接地射線與接地網(wǎng)架的連接。

對(duì)于500kV線路，架空避雷線通過(guò)地線間隙件(間隙一般為25±2mm)與桿塔連接，正常運(yùn)行狀態(tài)下間隙件保持絕緣，降低電能損失，當(dāng)雷電流作用其上達(dá)到一定程度時(shí)，間隙被擊穿，起到泄漏電流的作用。接地引線一頭用φ16的可拆卸式螺栓與桿塔主材相連（兩根或四根），另一頭與接地網(wǎng)焊接（焊接長(zhǎng)度不少于65mm且兩面焊平），接地網(wǎng)其余連接部分均采用焊接。

為了保證接地裝置的連接可靠，必須按《運(yùn)規(guī)》規(guī)定定期測(cè)量接地電阻值并開(kāi)挖檢查地網(wǎng)連接情況，抽查地線間隙件是否有松動(dòng)、間隙不符合要求等情況。我公司規(guī)定每年雷雨季節(jié)前，用測(cè)量每基桿塔接地，凡有疑問(wèn)的挖開(kāi)接地網(wǎng)檢查。另外，我公司每?jī)赡赆槍?duì)線路具體情況開(kāi)挖抽查部分接地網(wǎng)連接、銹蝕等情況。對(duì)于檢查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)采取措施處理。如500kV磁南線38＃接地引線被當(dāng)?shù)厝虽彅?，我公司發(fā)現(xiàn)此缺陷后及時(shí)進(jìn)行了處理，消除了隱患。

(2)接地裝置力求好的接地效果

地網(wǎng)的接地效果，主要要達(dá)到接地體的沖擊系數(shù)小于1的程度。接地體的沖擊系數(shù)，即系接地體的工頻接地電阻與接地體的沖擊接地電阻之比值。在高頻雷電流的作用下，桿塔的接地電阻實(shí)際上是呈現(xiàn)為沖擊接地電阻值。而高頻的雷電流使到接地體本身的電感呈現(xiàn)較大的阻礙雷電流流通的作用，這一效應(yīng)將使伸長(zhǎng)接地體（其電感較大）在雷電流作用下呈現(xiàn)較大的沖擊電阻值。而另一方面，雷電流的幅值很大（數(shù)十千安），接地體的電位很高，其周圍土壤中的電場(chǎng)強(qiáng)度將大大超過(guò)土壤（不均勻介質(zhì)）的耐壓強(qiáng)度（一般在8.5×103V/cm左右），所以會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電。這一效應(yīng)將使接地體的沖擊接地電阻比工頻接地電阻大大減少。由于雷電流對(duì)接地體有上述作用，要使接地裝置得到較好的接地效果，就必須保障接地體的沖擊系數(shù)小于1。不管對(duì)新建的桿塔的地網(wǎng)敷設(shè)，還是運(yùn)行中更換的桿塔地網(wǎng)的敷設(shè)，其敷設(shè)深度一定要達(dá)到規(guī)程的規(guī)定值。對(duì)放射形接地極每根的最大長(zhǎng)度，不得超過(guò)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。詳見(jiàn)下表。放射形接地極每根的最大長(zhǎng)度

土壤電阻率(Ω.m) ≤500 ≤1000 ≤2000 ≤5000最大長(zhǎng)度(m) 40 60 80 100

3.根據(jù)線路實(shí)際適當(dāng)增加接地點(diǎn)

在線路設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位根據(jù)線路經(jīng)過(guò)地區(qū)的地質(zhì)、地形、雷電活動(dòng)規(guī)律等情況，沿線選擇了接地點(diǎn)。但線路投運(yùn)后，正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)地線保護(hù)間隙火花放電現(xiàn)象及易出現(xiàn)雷擊跳閘等現(xiàn)象，這很有可能是因?yàn)榻拥攸c(diǎn)設(shè)計(jì)欠缺合理性造成的。因此需要考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際后適當(dāng)增加接地點(diǎn)（接地點(diǎn)增加不可過(guò)多，以免造成多的電能損失），一般以實(shí)現(xiàn)電流正常泄漏、達(dá)到保護(hù)線路正常運(yùn)行的目的。如500kV龍斗I回線路53?！?4＃耐張段，在線路投運(yùn)后頻繁出現(xiàn)火花間隙放電現(xiàn)象，后于2003年12月進(jìn)行了更換并重新調(diào)整了間隙距離（原間隙20±2mm調(diào)整為25±2mm），在58＃增加了接地點(diǎn)，改造后消除了火花間隙放電缺陷，確保了線路正常運(yùn)行。再如500kV斗孝II回線路大跨越段，設(shè)計(jì)增加接地點(diǎn)后收到了預(yù)期效果。

4.加裝氧化鋅避雷器

雷擊桿塔易在雷電活動(dòng)強(qiáng)烈、土壤電阻率高且地形復(fù)雜的地區(qū)及大跨越高桿塔上重復(fù)發(fā)生，在這些地段使用氧化鋅避雷器是很有效的防雷措施。但由于其保護(hù)范圍有限，要想達(dá)到好的防雷效果，必須配置相應(yīng)數(shù)量的避雷器，從而加大了投資。實(shí)際當(dāng)中往往根據(jù)需要適量配置，達(dá)到最優(yōu)化的目的。

5.適當(dāng)提高絕緣水平

從前面分析知道，提高絕緣子串50%沖擊閃絡(luò)電壓，即提高絕緣水平也是防止雷害的措施之一。一般采取增加絕緣子片數(shù)或更換為更高電氣耐受性能的絕緣子的方法，來(lái)到達(dá)提高絕緣閃絡(luò)水平的目的。

六、結(jié)束語(yǔ)

輸電線路的防雷保護(hù)工作，是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)上審慎考慮，分析雷害事故的成因，針對(duì)不同線路特點(diǎn)，摸索出符合經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能良好的防雷措施，把雷害事故降到可以承受的限度，從而有效保證線路的安全穩(wěn)定良好運(yùn)行。

[1]武漢高壓所編.線路通訊,2002(1).

[2]丁玉華.高壓電力架空線路設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收與運(yùn)行檢測(cè)實(shí)務(wù)全書[M].廣西文化音像出版社.

[3]《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》(DL/T741-2001).

[4]《交流電氣裝置過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》(DL/T620-1997).