高壓輸電線路防雷方法研究與應(yīng)用

● 湖南·國(guó)網(wǎng)邵陽(yáng)供電公司 周鐵鋼

高壓輸電線路是高壓電力網(wǎng)中的重要構(gòu)成部分，如何保護(hù)好高壓輸電線路，減少因雷擊等原因引起跳閘，成為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于高壓輸電線路雷擊引起跳閘后，不但增加輸電線路的檢修工作任務(wù)，且輸電線路上的雷擊感應(yīng)電流還可能沿架空線路侵入變電站及發(fā)電廠的出線間隔，破壞電氣設(shè)備。

由此可見(jiàn)，做好高壓輸電線路的防雷工作，不但可以減少線路遭受雷擊，減少線路雷擊跳閘率，提高輸電線路本身的供電可靠性，而且是保護(hù)變電站及發(fā)電廠設(shè)備的需要，是保障電力網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作。

1 主要防雷方法及原理分析

根據(jù)規(guī)程《交流電氣裝置的過(guò)電壓和絕緣配合》推薦的計(jì)算方法，對(duì)減小地線對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)角、降低桿塔的接地電阻、加強(qiáng)線路絕緣、架設(shè)耦合地線、安裝線路型避雷器等常規(guī)的防雷方法進(jìn)行深入理論分析。通過(guò)改變計(jì)算公式中的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，揭示輸電線路耐雷水平(雷擊跳閘率)與各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系，為采用合理有效的防雷保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1.1 架設(shè)地線并減小地線對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)角

地線是架空送電線路最基本的防雷措施，在架空線路防雷方面起到重要作用：防止雷電直擊于導(dǎo)線；在雷擊塔頂時(shí)對(duì)雷電流有分流作用，減少經(jīng)過(guò)桿塔泄入大地的雷電流，從而降低了塔頂電位；對(duì)導(dǎo)線有耦合作用，可降低雷擊桿塔時(shí)塔頭絕緣(絕緣子串和空氣間隙)上的電壓，對(duì)導(dǎo)線還有屏蔽作用，降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓。綜合以上功能，架設(shè)地線可大幅降低線路絕緣承受的電壓。

平原地區(qū)繞擊率定義為：

山區(qū)繞擊率定義為：

式中，a為保護(hù)角度數(shù)，ht為桿塔高度。從中可看出，地線保護(hù)角與繞擊率有直接關(guān)系。以常用的SZ251-27型鐵塔為例，地線保護(hù)角對(duì)雷電繞擊導(dǎo)線的影響見(jiàn)表1。

從表1中計(jì)算數(shù)據(jù)可得出，當(dāng)保護(hù)角從20°降至0°時(shí)，平地的繞擊率降低了97.6%，山區(qū)的繞擊率降低了97.2%，全部降至非常低的水平，線路因雷電繞擊導(dǎo)線導(dǎo)致的跳閘將大幅降低。

表1 220kV輸電線路地線保護(hù)

1.2 降低桿塔的接地電阻

從式（3）可以看出，輸電線路桿塔接地電阻Ri越小，雷擊桿塔頂時(shí)，桿塔的耐雷水平越高。改變公式中桿塔接地電阻的大小，計(jì)算桿塔的耐雷水平，可找出兩者的變化關(guān)系。以SZ251-27型鐵塔為例，桿塔的接地電阻與耐雷水平的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 220kV輸電線路桿塔接地電阻對(duì)耐雷水平影響的計(jì)算結(jié)果

從表2中計(jì)算數(shù)據(jù)可得出，桿塔接地電阻對(duì)輸電線路耐雷水平的影響很大，輸電線路桿塔接地電阻值越大，其線路的耐雷水平越低，當(dāng)桿塔接地電阻從7Ω升至30Ω時(shí)，鐵塔耐雷水平降低46.9%。一般說(shuō)來(lái)，雷電流幅值較大時(shí)易反擊，雷電流幅值較小時(shí)易繞擊。當(dāng)沖擊接地電阻為30Ω時(shí)，線路的耐雷水平為45.9kA，此時(shí)小雷電流不僅可以造成絕緣閃絡(luò)，繞擊導(dǎo)線的幾率也增大，因此對(duì)輸電線路極為不利。

接地裝置是防雷保護(hù)措施中的一個(gè)重要組成部分，降低輸電線路桿塔的接地電阻仍是目前提高線路耐雷水平的主要措施之一。

1.3 合理選擇輸電線路的絕緣配合

輸電線路絕緣配合要綜合考慮電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中可能承受的各種電壓(工作電壓及過(guò)電壓)、保護(hù)裝置的特性和設(shè)備絕緣對(duì)各種作用電壓的耐受特性，合理確定設(shè)備必要的絕緣水平，以降低設(shè)備的造價(jià)、維修費(fèi)用和設(shè)備絕緣故障引起的事故損失，達(dá)到在經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行上總體效益最佳的目的。

絕緣配合的最終目的就是確定電氣設(shè)備的絕緣水平，可用1分鐘工頻耐壓試驗(yàn)來(lái)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，該數(shù)值代表了絕緣對(duì)雷電、操作過(guò)電壓的總的耐受水平，只要設(shè)備能通過(guò)工頻耐壓試驗(yàn)，就認(rèn)為該設(shè)備在運(yùn)行中遇到各種可能放電途徑(包括導(dǎo)線對(duì)桿塔、導(dǎo)線對(duì)地線、導(dǎo)線對(duì)地、不同相導(dǎo)線間)的絕緣選擇和相互配合的問(wèn)題。

同塔雙回線路因線路走廊占地少，已普遍采用，但因此類線路導(dǎo)線垂直排列，桿塔較高，線路反擊耐雷水平一般比同電壓等級(jí)、導(dǎo)線水平排列的線路要低。此類線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，它會(huì)產(chǎn)生同塔雙回線路的絕緣子相繼反擊的現(xiàn)象，從而造成雙回線路同時(shí)跳閘。對(duì)此類線路在采用通常的防雷措施尚不能滿足要求時(shí)，可考慮采用不平衡絕緣方式來(lái)降低雙回路雷擊同時(shí)跳閘率，以保障一回線路的連續(xù)供電。不平衡絕緣的原則是使雙回線路的絕緣子串片數(shù)有差異，這樣雷擊時(shí)絕緣子串片數(shù)少的回路先閃絡(luò)，閃絡(luò)后的導(dǎo)線相當(dāng)于地線，增加了對(duì)另一回導(dǎo)線的耦合作用，提高了線路的耐雷水平使之不發(fā)生閃絡(luò)，保障了另一回路的連續(xù)供電。不平衡絕緣方式下雙回線路同時(shí)閃絡(luò)的概率較目前平衡絕緣方式下有較大降低，桿塔接地電阻較小時(shí)，效果更明顯。

1.4 架設(shè)耦合地線

輸電線路架設(shè)耦合地線，可加強(qiáng)地線與輸電導(dǎo)線之間的耦合，減小作用在線路絕緣上的電位差，而且能起到分流作用，從而提高輸電線路的耐雷水平。據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)，耦合地線的分流作用為12%～22%，平均17%。架設(shè)耦合地線，增加了對(duì)導(dǎo)線的耦合系數(shù)，增大了它與各相導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)，減小了等值波阻抗；同時(shí)增加分流，使得塔頂電位降低，絕緣子串上電壓減小，降低閃絡(luò)率，從一定程度上提高耐雷水平。架設(shè)耦合地線后必須驗(yàn)算桿塔所承受的荷載，在桿塔機(jī)械強(qiáng)度允許的情況下，在導(dǎo)線下方架設(shè)耦合地線以提高耐雷水平是可行的。

1.5 安裝線路型避雷器

在輸電線路上安裝線路型避雷器有3個(gè)主要目的：一是用于雷電活動(dòng)強(qiáng)烈的地段、某些降低接地電阻有困難地段以及對(duì)防雷有特殊要求處，如大跨越段、超高塔段，提高線路的防雷性能；二是沿線路裝設(shè)線路型避雷器以深度限制沿線的操作過(guò)電壓水平，一般用在操作電壓較高的220kV以上電壓等級(jí)的線路；三是在線路進(jìn)變電站構(gòu)架、發(fā)電廠電氣裝置構(gòu)架處的終端塔上，以限制雷電過(guò)電壓入侵電氣設(shè)備。在以上情況下，線路型避雷器都要隨線路遭受雷擊時(shí)的沖擊電流的作用，當(dāng)雷擊避雷線、桿塔和導(dǎo)線時(shí)，輸電線路采用線路型避雷器雖可大大提高線路的耐雷水平，但線路型避雷器本身也必須承受一定的沖擊放電電流和雷電能量的作用。

1.6 裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置

由于線路絕緣具有自恢復(fù)性能，大多數(shù)雷擊造成的閃絡(luò)事故在線路跳閘后能夠自行消除。因此，安裝自動(dòng)重合閘裝置雖然不能提高線路的耐雷水平，但對(duì)于降低線路的雷擊事故率具有較好的效果。裝設(shè)線路自動(dòng)重合閘作為線路防雷的一種有效措施，在線路正常運(yùn)行中和保證供電可靠性方面發(fā)揮了積極作用。同時(shí)對(duì)瞬時(shí)故障要加強(qiáng)巡視、判斷，并及時(shí)予以查清、處理，防止給線路安全運(yùn)行遺留隱患。

2 各種防雷方法在電網(wǎng)中的應(yīng)用

由于湖南山區(qū)高壓線路雷擊跳閘比較嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)多年與雷害作斗爭(zhēng)，設(shè)計(jì)和運(yùn)行單位積累了不少經(jīng)驗(yàn)。一般線路采取上述防雷措施中的2種或3種即可，特殊線路或特殊地段，需針對(duì)不同環(huán)境條件采取組合措施進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。在輸電線路設(shè)計(jì)階段即同步進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，綜合采用上述措施，新建線路的雷擊跳閘率是比較低的。對(duì)舊線路，通過(guò)技術(shù)改造，增加防雷設(shè)計(jì)，采取綜合防雷措施，雷擊跳閘率得到大幅降低。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)雷擊跳閘的具體情況，經(jīng)綜合分析，主要采取了以下4種措施進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)：（1）架設(shè)耦合地線；（2）全線更換絕緣子，提高線路的絕緣水平。比如直線塔更換新型合成絕緣子，耐張塔更換為玻璃絕緣子涂RTV，提高線路的絕緣水平；（3）裝設(shè)線路避雷器；（4）降低山區(qū)桿塔的接地電阻，采取引外接地、增加降阻劑等措施。采取了以上措施后，輸電線路至今沒(méi)有發(fā)生雷擊跳閘事故，取得的效果非常好。

3 結(jié)束語(yǔ)

在選擇輸電線路的防雷方法時(shí)，應(yīng)按照線路沿線各區(qū)域的雷電活動(dòng)情況、輸電線路的絕緣情況、有無(wú)自動(dòng)重合閘或備自投裝置、負(fù)荷的重要程度等條件來(lái)綜合考慮，并按照技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果選擇最佳保護(hù)方案。目前，我國(guó)輸電線路的防雷設(shè)計(jì)基本上使用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較多的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，如合理選擇線路路徑、架設(shè)地線、降低桿塔接地電阻、安裝避雷器提高線路整體絕緣水平等方法，這幾種方法在目前的輸電線路防雷設(shè)計(jì)中運(yùn)用得非常多，效果也比較好。除此之外，還可以通過(guò)不平衡絕緣、架設(shè)耦合地線、選擇絕緣配合等方法來(lái)提高線路的防雷性能。必須結(jié)合輸電線路的實(shí)際情況，做出有針對(duì)性、先進(jìn)的、符合實(shí)際的設(shè)計(jì)，還要將當(dāng)前防雷的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備引入電力系統(tǒng)中，以提高輸電線路防雷的科技水平。