線路防雷技術(shù)在輸電線路設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

邱鳳蓉

摘要：雷電是自然界中常見的現(xiàn)象，具有高電壓，并且能夠形成非常大的破壞力，尤其是當(dāng)其擊中室外的輸電線路時，將會造成很大的安全隱患。文章通過介紹雷電對線路的危害，依據(jù)防雷技術(shù)相關(guān)原理，對防雷技術(shù)在輸電線路中的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行深入探討研究。

關(guān)鍵詞：輸電線路；線路設(shè)計(jì)；防雷技術(shù)

中圖分類號：TU74?；?；?；?；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?；?；?；?；文章編號：1009-2374（2014）18-0144-03

隨著我國電力系統(tǒng)相關(guān)建設(shè)的加快，輸電線路運(yùn)行的安全性和可靠性直接影響到我國整個電網(wǎng)運(yùn)行的效率。輸電線路由于長期暴露在室外，很容易遭到自然災(zāi)害的破壞，尤其是雷電，所以，線路的防雷問題對于線路研究技術(shù)人員來說是考慮的重要因素之一，運(yùn)用有效的防雷技術(shù)以確保輸電線路的安全正常工作，無論是對于家庭用電還是工業(yè)用電，都顯得非常重要。

1輸電線路設(shè)計(jì)中的防雷技術(shù)概述

1.1雷電對輸電線路正常運(yùn)作的危害

雷電不僅僅是一種常見的自然現(xiàn)象，還具有很強(qiáng)的破壞力。雷電多發(fā)于夏季，尤其是南方的山區(qū)更為常見。盡管雷電只有0.01秒的放電時長，但在這短短時間內(nèi)，其電流卻能夠在瞬間高達(dá)十萬安培。這么大的能量，如果擊中動物身體，可以在瞬間麻痹其心臟和大腦，嚴(yán)重的還會造成動物死亡。如果是擊中建筑物或其他機(jī)械設(shè)備，受到其高壓高熱的強(qiáng)大破壞力，被擊中的這些物品都將被毀壞殆盡。由于雷電能夠瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的熱電效應(yīng)和磁場效應(yīng)，并且其自身又具有上述強(qiáng)大的機(jī)械性破壞力，因此，雷電在擊中室外的輸電線時非常容易對電壓造成嚴(yán)重危害。目前，我國在電力調(diào)度的運(yùn)行系統(tǒng)中配置的集成度比較高的相關(guān)電子設(shè)備，對雷電的電磁脈沖反應(yīng)非常強(qiáng)烈，輸電線路遭雷電擊中后，會在瞬間形成超負(fù)荷的敏感過電壓磁波，通過電路網(wǎng)將其導(dǎo)入變電站，從而會導(dǎo)致變電相關(guān)運(yùn)行設(shè)備的介電強(qiáng)度下降、敏感的電子器件遭受損壞，使得供電保護(hù)裝置以及監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤的動作，引起跳閘、斷電，對輸電設(shè)備正常的運(yùn)行產(chǎn)生極大的破壞。

直擊雷有反擊和繞擊兩種，都能夠?qū)€路的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)，反擊更多地發(fā)生在丘陵和平原線路中，而繞擊則多發(fā)于山區(qū)線路。因此，在進(jìn)行線路的設(shè)計(jì)之前，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)充分研究當(dāng)?shù)氐睦讚粜再|(zhì)，以運(yùn)用具有針對性的防雷技術(shù)。對于山區(qū)的線路，應(yīng)選用防雷走廊，以減少避雷線的保護(hù)角，同時增加其絕緣性；而針對平原和丘陵地區(qū)的線路，則應(yīng)當(dāng)選用更加適合的措施來降低線路電阻，來有效防雷。

圖1

1.2輸電線路中的防雷策略設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輸電線路的防雷策略時，要考慮很多綜合因素，從多個角度、根據(jù)具體情況融入土質(zhì)、電阻、地形、地域、線路等各種因素以全方位地進(jìn)行線路的設(shè)計(jì)規(guī)劃。

（1）線路避雷器的防雷原理。線路中的避雷器所采用的是避雷器自身和串聯(lián)空氣間隙結(jié)構(gòu)二者的組合，其中，避雷器本體基本上不會承擔(dān)由系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的電壓，因此，避雷器的使用不需要考慮其由于長期運(yùn)行造成的老化問題，即便是避雷器有故障，也不會對線路運(yùn)行造成影響。串聯(lián)空氣間隙有兩種，即以合成絕緣為支撐的串聯(lián)空氣間隙和純空氣串聯(lián)間隙。

當(dāng)雷電擊中塔桿時，由雷電產(chǎn)生的電流分為兩路，分別經(jīng)由避雷線、塔桿流入大地，此時，若是塔桿頂端的電位和導(dǎo)線的電位之差高于一定值，絕緣子串中的50%放電電壓就會引起從塔頂?shù)綄?dǎo)線的閃絡(luò)。輸電線路整體抗雷能力絕大程度上是受接地電阻、架空的避雷線、雷電流的強(qiáng)度以及絕緣子串的50%放電電壓影響。其中，接地電阻和架空的避雷線是人為可控制的，因此，要提高線路抗雷能力，通常選擇安裝避雷器和減小接地電阻的方法。

線路上安裝避雷器后，當(dāng)雷電擊中輸電線路時，雷電流會分流，一部分經(jīng)由塔體入地，另一部分由避雷線傳到相鄰的塔桿，當(dāng)雷電流大于一定數(shù)值，避雷器會動作加入到分流中去。避雷器的殘壓小于50%，即便是雷擊電流進(jìn)一步加大，也不會造成殘壓過大，引發(fā)閃絡(luò)。具體來說，線路安裝避雷線后，當(dāng)雷電擊中輸電線路時，避雷器會部分雷電流輸送至相鄰的塔桿，而雷電流在經(jīng)過導(dǎo)線和避雷線的時候會由于其電磁感應(yīng)作用而產(chǎn)生耦合分量，從而升高導(dǎo)線的電位，使得塔尖頂端與導(dǎo)線的電位差不高于絕緣子串閃絡(luò)電壓，起到防雷的作用。

如目前武漢高壓研究所經(jīng)長期研究得到的研究成果：可控放電避雷針。其工作原理是，用變化較緩的小電流上以雷閃放電形式釋放雷云電荷，來避免輸電線路受到強(qiáng)烈的下行雷的閃放電造成的危害。

（2）選用合理的輸電線路路徑。由于自然區(qū)域的條件不一樣，受雷擊的概率也會有很大差異。那些雷擊頻發(fā)的地域，自然行業(yè)不是鋪設(shè)線路室最佳的考慮方案。因此，要選擇鋪設(shè)線路最合理的路徑，盡量避免此類雷擊區(qū)域。應(yīng)該要避免的路徑有如下幾種：第一，號稱“雷暴走廊”的山谷峽谷地區(qū)；第二，地下埋有導(dǎo)體性質(zhì)的礦物或者地下水位高的地區(qū)；第三，環(huán)山而坐既潮濕又低洼的盆地，尤其是其旁邊有連綿的山脈或者是有樹木、池塘、水庫等的鐵塔周圍更加危險(xiǎn)；第四，已經(jīng)發(fā)生土地電阻率的突變或者極易發(fā)生突變的地域，這些區(qū)域有低土質(zhì)性電阻的特性，比如地質(zhì)的斷層處或者有溪流的山谷區(qū)域，又或是那些土壤與巖石、到天河山丘交接的地帶；第五，那些土壤很好的山地或是向陽的山坡，雖然其電阻的差距不是很明顯，但是遭到雷擊的概率也比普通的地區(qū)要多。

（3）在輸電線路上搭接避雷線。避雷線的功能主要有三個：第一，它能夠?qū)Ψ至髁鹘?jīng)鐵塔的電流，以降低鐵塔塔頂?shù)碾妷?；第二，它能夠通過屏蔽導(dǎo)線來降低電流；第三，它在導(dǎo)線上還能耐有耦合的效果，降低線路中的絕緣子電壓。防雷線也因此分為兩種懸掛方式。我國目前所采用的是絕緣式的，來降低所耗的功率，既符合現(xiàn)今的可持續(xù)發(fā)展要義，又不會影響防雷效果。通常來說，線路的電壓越高，避雷線的應(yīng)用效果越好，并且避雷線的應(yīng)用在整個輸電線路造價(jià)中的所占比例也越低。實(shí)際情況中，選擇避雷線時，應(yīng)以輸電線路的電壓級別為依據(jù)，如果是20kV的線路，沒有必要安裝避雷線，電壓值大于200kV的線路，全程都需要搭接避雷線，電壓高于500kV的線路，則需要搭接兩個避雷線，從而增強(qiáng)避雷線的屏蔽功能，其避雷線的保護(hù)角在15°。同時，為了保障避雷線對線路的保護(hù)功能，搭接避雷線時，應(yīng)當(dāng)確保每兩個避雷線間設(shè)有一個間隙，以保障遭到電擊時，間隙被擊穿從而使得避雷線接地。并且，避雷線應(yīng)當(dāng)在每基的鐵塔處接地。

但是，即便是全線范圍搭接避雷線，也不能夠排除導(dǎo)線出現(xiàn)過電壓的可能，避雷線的安裝會使雷擊產(chǎn)生的過電壓在超過一定值時動作，給雷電流一個低阻抗通道使其泄放，從而很大程度地限制線路電壓的升高，保障線路以及設(shè)備的安全。雷擊中鐵塔時，雷電流一部分由避雷線到達(dá)相鄰的鐵塔，另一部分經(jīng)由鐵塔流進(jìn)打底鐵塔，同時接地電阻會呈現(xiàn)出暫態(tài)電阻特性，一般表征為沖擊接地電阻。

（4）降低接地電阻。僅僅依靠安裝避雷器和架設(shè)避雷線所達(dá)到的防雷效果不是非常理想，因此，接地電阻是避雷線很好的一個補(bǔ)充，以達(dá)到更大的降壓目的。比如說，當(dāng)電壓值在40～65kV區(qū)間時，避雷線沒有搭設(shè)的必要性，但是為使所有鐵塔的接地情況良好，同時又有防雷的效果，就需要運(yùn)用降低鐵塔的接地電阻策略。降低電阻方法有三種：一是對于那些較為集中同時規(guī)模較小的接地網(wǎng)，可使用降阻劑。將降阻劑鋪設(shè)在接地極的四周，擴(kuò)大接地面積，從而達(dá)到降低地面和鐵塔的電阻。因其導(dǎo)電性能較好，可推廣使用此方法；二是爆破技術(shù)。利用爆破，制造破裂，然后通過壓力機(jī)作用將電阻率較低的材料導(dǎo)入裂縫中去，以增強(qiáng)土地導(dǎo)電性能；三是加長水平接地體，因?yàn)樗焦?jié)地體長度與電感效應(yīng)成正比，若其長度為80m，電阻率達(dá)2000，長度是55m時，電阻率是500，因此，當(dāng)其長度達(dá)一定值時，沖擊系數(shù)就會逐步穩(wěn)定下來，不會再下降。

表1500kV的交直流輸電線路耐雷水平和桿塔接地電阻的關(guān)系

桿塔接地電阻/Ω 不同雷電流波形/μs

-1.2/50 -2.6/50

5 165.1 204.9

10 160.2 184.7

15 149.9 171.6

20 143.0 162.9

25 138.1 156.8

30 134.6 152.7

（5）架設(shè)耦合地線。有些情況下接地電阻不能降低，這時，可以在導(dǎo)線的下方或者周圍敷設(shè)地線，使得雷電流能夠分流，從而降低絕緣子串兩端感應(yīng)的程度，降低反擊電壓之間的分量。耦合地線的架設(shè)，可以降低電力系統(tǒng)遭受雷擊時的跳閘率。

（6）中性點(diǎn)非有效接地方式。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，電力系統(tǒng)中發(fā)生的事故和故障中，超過60%為單相接地。當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中有單項(xiàng)接地的故障發(fā)生時，仍然會保持其三相電壓平衡，并且能夠繼續(xù)供電，給技術(shù)人員足夠時間找到故障發(fā)生點(diǎn)并做及時處理。這種方式能夠補(bǔ)償流經(jīng)故障點(diǎn)的電流，使得電弧可以自行熄滅、系統(tǒng)自行聚恢復(fù)其正常的運(yùn)行狀態(tài)，從而降低故障點(diǎn)上恢復(fù)電壓的上升速度減小其電弧重燃的幾率。

（7）在絕緣子串首末端用大直徑的絕緣子。絕緣子串處在極不均勻的電場中，在絕緣子串首末端選用直徑大的絕緣子，就如在其兩側(cè)設(shè)置了兩個屏障以阻礙工頻以及雷電壓產(chǎn)生的在兩側(cè)電極的電暈放電電荷造成的帶電荷粒子運(yùn)動，減緩粒子的運(yùn)動，同時調(diào)整周圍空間的電荷分布，使得絕緣子串的所在電場更加均勻，不容易擊穿，減少其建弧率。這種方法和安裝均壓環(huán)有異曲同工的妙用，如下圖2所示：

圖2

3結(jié)語

輸電線路是電力系統(tǒng)的大動脈，我國的國土面積大，且地形復(fù)雜多樣，雷雨居多，遭受到雷擊的幾率也較大。如果沒有有效的防雷技術(shù)應(yīng)用，一旦輸電線路遭到雷擊，將會給電力系統(tǒng)帶來很大的損害。正確認(rèn)識雷擊對輸電線路的危害，并將防雷技術(shù)納到線路的設(shè)計(jì)中顯得十分重要。不僅要有觀察研究掌握詳細(xì)的雷電有關(guān)規(guī)律和參數(shù)，還要通過與氣象部門的有效溝通來獲取最全面的雷電資料，進(jìn)而更好地將防雷技術(shù)運(yùn)用到輸電線路的設(shè)計(jì)中去，并根據(jù)實(shí)際情形做好相關(guān)的預(yù)防工作。此外，增強(qiáng)電力系統(tǒng)建設(shè)中防雷技術(shù)的科技含量，進(jìn)一步提高整個電力系統(tǒng)防雷能力，以確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1]?；徐中杰.輸電線路設(shè)計(jì)中的線路防雷技術(shù)的應(yīng)用研?；究[J].低碳世界，2013，（8）：63-64.

[2]?；胡華.防雷技術(shù)在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].通?；信電源技術(shù)，2013，（3）：88-90.

[3]?；羅洪.談輸電線路設(shè)計(jì)中的防雷措施[J].民營科?；技，2012，（12）：353-353.