山地多雷區(qū)配電線路防雷改善方案研究

李 龍

（國(guó)網(wǎng)寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

電力已經(jīng)成為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，各地將其作為重要的發(fā)展能源，不斷修建電網(wǎng)配電線路。電網(wǎng)配電線路建設(shè)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，高壓輸配電線路也在不斷增加，但因受到城市征地困難等因素的影響，高壓架空輸電線路大多架設(shè)在高山上。農(nóng)村地大物博，山地地形居多，山區(qū)面積大，地形復(fù)雜多樣，配電線路跨越多個(gè)山地，具有距離長(zhǎng)、跨度大以及遭受雷擊概率較高的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在山區(qū)，每年因雷擊造成的線路跳閘故障約占輸配電線路總故障的40%～70%，部分地形地貌復(fù)雜的山區(qū)，如唐古拉山脈等，發(fā)生雷擊事故的概率更高，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展極為不利。因此，改造配電線路，消滅雷擊故障，為配電線路的平安運(yùn)行保駕護(hù)航，已成為了當(dāng)前各大供電所需要迫切解決的問題。

1 雷擊對(duì)配電線路的危害

配電線路遭受雷電過電壓的概率較大，主要有直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種方式。直擊雷過電壓是指雷擊過電壓直接作用于導(dǎo)線、桿塔以及避雷針等配電網(wǎng)設(shè)備，造成配電網(wǎng)線路瞬間過電壓。感應(yīng)雷過電壓是指雷擊大地時(shí)沒有避雷針的配電網(wǎng)導(dǎo)線將會(huì)存在感應(yīng)過電壓，即使有避雷針的配電網(wǎng)導(dǎo)線也會(huì)存在感應(yīng)過電壓，從而造成配電網(wǎng)線路瞬間過電壓。

對(duì)于山地多雷區(qū)配電線路來說，雷電對(duì)配電線路的安全危害較大，常常會(huì)出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)的現(xiàn)象，引發(fā)較大的配電網(wǎng)事故。再加上山地交通不便，氣候惡劣，巡視和排障的難度較大，在海拔較高的地區(qū)，由于山地地形特殊，雷電之后會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)和急雨等極端惡劣天氣，風(fēng)速過快可能會(huì)造成高大的樹木壓在導(dǎo)線上，導(dǎo)致輸電線路發(fā)生振動(dòng)后發(fā)生碰撞，線桿倒下甚至?xí)?dǎo)致線路中斷。如果不能及時(shí)處理配電線路故障，那么可能會(huì)造成較大的電力事故，甚至給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大的隱患。在所有的電網(wǎng)事故中，配電網(wǎng)線路問題占比較大，而配電網(wǎng)事故中最常見的是雷擊跳閘事故。山區(qū)因?yàn)榈貏?shì)和天氣等原因，雷擊后跳閘的事故較多，如果能夠有效控制雷擊跳閘事故，就可以極大程度降低配電線路的故障發(fā)生概率，降低電網(wǎng)故障的發(fā)生頻率。

2 DX輸電線路雷擊跳閘情況

根據(jù)浙江省電力公司頒布的《浙江電網(wǎng)地閃密度分布圖》得知，寧波地區(qū)的雷擊發(fā)生頻率較高，達(dá)到了D1級(jí)別（最高級(jí)別），配電網(wǎng)線路遭受雷擊的概率較大。特別是220 kV以上電壓等級(jí)的線路發(fā)生直擊雷電過壓和感應(yīng)雷過電壓的可能性較大，遭受到雷擊跳閘的風(fēng)險(xiǎn)始終處于高位。

220 kV架空輸電線路DX線由寧波局管轄，該架空輸電線路全長(zhǎng)25.351 km，采用同桿雙回路架設(shè)，共有桿塔67基，其中1#～38#桿塔所處地形為山地，39#～67#桿塔所處地行為平地。自2017年投入運(yùn)營(yíng)以來共發(fā)生10次雷擊跳閘事故，其中4次跳閘事故為同跳。該線路9次雷擊跳閘桿塔處在9#～14#之間，這一段主要地形為山區(qū)，地面傾角大，接地電阻大，雷擊活動(dòng)頻繁，因而遭受雷擊的次數(shù)較多。此外，由于該線路為變電站的電源線，因此跳閘將會(huì)造成極大的安全事故，嚴(yán)重影響供電安全。

3 DX輸電線路遭受雷擊的原因

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)量看出，由于地質(zhì)、地形、線路走經(jīng)以及雷電分布等諸多因素的影響，導(dǎo)致輸電線路的接地電阻超標(biāo)且線路耐雷水平不高，在山區(qū)和丘陵等地形區(qū)域遭受雷擊的可能性較大。

3.1 接地電阻超標(biāo)

《架空絕緣配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》明確提出，開關(guān)金屬外殼接地電阻應(yīng)當(dāng)小于10 Ω，100 kV以下變電器外殼的接地點(diǎn)接地電阻應(yīng)當(dāng)小于4 Ω。但是，實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該線路環(huán)城線路段基本滿足接地電阻要求，山區(qū)路段高于接地電阻要求。由于雷擊時(shí)產(chǎn)生大量的電流，在瞬間無法快速將電流流入大地就會(huì)形成閃絡(luò)，出現(xiàn)線路跳閘的情況。因此，通過減少配電網(wǎng)線路的接地電阻，使電流能夠快速流入大地，避免電流堆積，減少過電壓的發(fā)生概率和雷擊發(fā)生次數(shù)，提高配電網(wǎng)的配電效率和質(zhì)量[1]。

3.2 線路耐雷水平不高

現(xiàn)如今，大量智能化設(shè)施設(shè)備的使用，極大降低了感應(yīng)雷所造成的雷擊事故，提高了配電網(wǎng)的運(yùn)行效率。但由于山區(qū)地理?xiàng)l件的限制，使得輸電線路可以選擇的走經(jīng)有限，部分電桿不得不設(shè)置在山頂位置，增加了線路遭受感應(yīng)雷的比例。DX輸電線路的9#～14#桿塔大部分在山頂位置，線路耐雷水平不高，因此這一線路段發(fā)生雷擊的概率較高，另外該線路沒有裝設(shè)避雷線，選用的絕緣子為1～2片，計(jì)算得知線路耐雷水平為1.1 kA，雷電流超過線路耐雷水平的概率為90%，每10次雷擊事故就有9次出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，造成線路跳閘[2]。

3.3 自動(dòng)合閘并未完全投入運(yùn)行

一般來說，90%的輸電線路故障為臨時(shí)故障，如大風(fēng)引起的線碰線、鳥類引起的線路短路以及雷擊造成的閃絡(luò)或者過流等。這些故障大多為瞬態(tài)的，配電線路出現(xiàn)瞬態(tài)高壓和大電流時(shí)，繼電保護(hù)快速啟動(dòng)，電弧熄滅，電流泄流，自動(dòng)合閘，故障恢復(fù)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，本線路安裝了自動(dòng)重合閘裝置，供電可靠性得到了保障，但是雷擊后重合閘重合成功的概率僅為80%，大的雷電流會(huì)使重合閘因?yàn)橛坞x不足出現(xiàn)故障，大雷電流還會(huì)造成兩相和三相故障。此外，重合閘未動(dòng)作或重復(fù)性雷擊致使重合閘不動(dòng)作等，將會(huì)造成故障停運(yùn)。

4 DX輸電線路防雷改進(jìn)措施

4.1 接地極改造措施

改造接地極的方式較多，結(jié)合DX線路的實(shí)際情況擬定更換鍍銅鋼接地材料和增加接地模塊等措施來改造接地極，降低接地電阻，提高線路泄流能力。

4.1.1 更換鍍銅鋼接地材料

DX輸電線路接地電網(wǎng)主要存在兩個(gè)方面的問題，一是接地網(wǎng)開焊造成焊接處腐蝕后斷開，特別是焊接處高溫造成鍍鋅層的破壞影響了接地效果，二是土壤和水分等因素的影響造成接地網(wǎng)的腐蝕嚴(yán)重，因此改造接地極對(duì)于降低電阻是十分有必要的。經(jīng)討論，決定將9#、10#以及11#的接地極更換為耐腐蝕且電氣性能良好的鍍銅接地材料，采用新型的焊藥放熱連接工藝焊接。該焊接工藝主要是利用鋁還原氧化銅，無需外界電源，野外作業(yè)方便，而且能夠融化導(dǎo)線并形成永久性分子，提高防雷質(zhì)量。

2019年，公司將9#、10#以及11#的接地極更換為鍍銅接地材料以后，在導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性以及防雷等方面取得了較好的效果。導(dǎo)電性方面，本次改造使用的接地極含有30%的銅，能夠?qū)?dǎo)電率提高到50%以上，與傳統(tǒng)的接地極導(dǎo)電率相比可以提高3倍導(dǎo)電率。熱穩(wěn)定性方面，銅的熔點(diǎn)和短路時(shí)允許溫度分別為1 083 ℃和450 ℃，鋼的熔點(diǎn)和短路時(shí)允許溫度分別為1 510 ℃和400 ℃，截面相同的情況下銅比鋼好。耐腐蝕性方面，銅的氧化物表面可以阻止材料被腐蝕，而鋼的表面沒有保護(hù)因而容易被腐蝕，其腐蝕速度是銅腐蝕速度的30～50倍。接地極改造完成后，DX線路發(fā)生雷擊故障1次，重合成功1次，2020年尚未發(fā)生雷擊故障。

4.1.2 接地模塊改造

DX線路走經(jīng)穿越高電阻率和密集落雷地區(qū)，遇到雷擊事故時(shí)，由于接地電阻較大，因此聚集在配電網(wǎng)導(dǎo)線上的大電流并不能瞬態(tài)轉(zhuǎn)移到大地，配電網(wǎng)導(dǎo)線的電位急速升高，電路過電流跳閘。但如果能夠通過改造接地模塊，減少接地電阻，將大電流快速排泄到大地，就可以減少雷擊事故的發(fā)生概率，避免發(fā)生接地故障。另外，根據(jù)先吸收、后泄放的原理，可以通過改良接地極來減少雷擊發(fā)生概率。本文設(shè)計(jì)基于電容器和非線性開關(guān)元件的雷電波吸收式接地裝置，該裝置由1支JD6000地電位限制器和4塊JDM3000接地模塊組成，當(dāng)有大量的雷電電流瞬間注入時(shí)，可以通過吸收、消耗以及泄放3種方法將地電位抑制在安全范圍內(nèi)，以保證輸配電線路各設(shè)備的安全運(yùn)行。

根據(jù)該線路圖紙，最終決定在12#和13#安裝一套JD6000A接地網(wǎng)，將接地極與JD6000A接地網(wǎng)相連，接網(wǎng)入地。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行觀察，線路改造后的雷擊故障明顯減少，改進(jìn)效果明顯，且改進(jìn)完成后，發(fā)生雷擊故障的地點(diǎn)距離安裝接地模塊的位置較遠(yuǎn)。

4.2 避雷裝置改造措施

由于避雷線的造價(jià)較高，因此廣泛使用避雷線防雷將會(huì)造成項(xiàng)目建設(shè)成本增加。而避雷裝置成本不高，通過避雷器可以有效改善線路防雷狀況，因而在實(shí)踐中得到較為廣泛的應(yīng)用。在線路上加裝避雷裝置時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮兩個(gè)因素，一是要全盤梳理配電網(wǎng)線路上容易遭受雷擊的區(qū)域，重點(diǎn)關(guān)注跨越塔和易造雷擊桿塔等區(qū)域?？缭剿蜅U塔不僅容易遭受雷擊，而且當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，還會(huì)因?yàn)殡娏鳠o法快速通過鄰近桿塔分流，使得大量的電流聚集造成線路閃絡(luò)，從而引發(fā)雷擊事故。二是要合理測(cè)算需要的避雷器數(shù)量。配電網(wǎng)線路的耐雷能力，是由安裝避雷針的桿塔和桿塔的抗雷能力共同決定，如果桿塔遭受雷擊，瞬間大電流無法快速泄入大地，則不得不將大量的電流轉(zhuǎn)移到臨近桿塔[3]。但是，由于桿塔沒有足夠的抗雷能力，因此無法承擔(dān)大電流的桿塔必然會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。

DX線路的走經(jīng)受限，過半線路的桿塔處于高電阻率和高山頂部位置，在充分考慮接地狀態(tài)和易擊段鄰近桿塔狀況，最終確定加裝3組YH5CX1-17/50避雷器防雷效果最佳。YH5CX1-17/50避雷器充分利用了氧化鋅閥的非線性伏安特性，當(dāng)電網(wǎng)沒有遭受雷擊時(shí)，避雷器停止工作，減少工作時(shí)間，增加雷擊時(shí)的使用壽命，當(dāng)出現(xiàn)極端惡劣天氣時(shí)，為了避免配電網(wǎng)線路遭受雷擊，避雷針與電網(wǎng)接通將大電流引入大地，快速泄流，減少發(fā)生絕緣子閃絡(luò)或者擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 線路絕緣化改進(jìn)措施

DX線路建成后，并沒有進(jìn)行大規(guī)模的檢修工作，特別是對(duì)絕緣子個(gè)數(shù)和污染狀況的檢查不力。在綜合權(quán)衡投資收益后，公司對(duì)線路的絕緣化水平進(jìn)行有針對(duì)性的改造，更換一些性能較差的絕緣子，并且增加了一部分懸式絕緣子。改造后的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，DX線路的耐雷水平得到了極大的提升，惡劣天氣等原因造成的雷擊跳閘事故發(fā)生率顯著降低，減少了雷擊事故的發(fā)生[4]。

4.4 自動(dòng)重合閘改進(jìn)措施

雷電過電壓造成擊穿大是瞬態(tài)事故，一般情況下絕緣子充分放電后都可以自動(dòng)合閘，因此自動(dòng)重合閘的改進(jìn)可以極大地減少雷電事故，保證供電可靠性。本線路屬于單側(cè)電源線路，該配電線路具有分支多和串接線路多等特點(diǎn)。當(dāng)線路上k2點(diǎn)短路時(shí)，可能會(huì)造成保護(hù)1泄流困難，過電流過電壓的時(shí)間長(zhǎng)，造成該點(diǎn)發(fā)生雷擊過電壓事故的可能性較大。因此，在保護(hù)1上加裝合閘裝置，當(dāng)保護(hù)1瞬態(tài)過流時(shí)，重合于故障線路后它的動(dòng)作時(shí)限才按階梯特性配合的時(shí)限，線路上k1和k2發(fā)生故障均會(huì)快速切斷電流，消除故障點(diǎn)。如果故障為瞬態(tài)故障，通過智能設(shè)備自檢和自恢復(fù)能夠快速消除故障，恢復(fù)正常供電，如果故障點(diǎn)為永久性故障，智能設(shè)備自檢發(fā)現(xiàn)故障原因自動(dòng)報(bào)警，不會(huì)快速合閘，應(yīng)當(dāng)配合整定時(shí)間動(dòng)作。

4.5 加強(qiáng)電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)

除了上述防雷改善方案以外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)，加強(qiáng)防雷設(shè)施設(shè)備的運(yùn)維檢修工作，通過試驗(yàn)等方式發(fā)現(xiàn)防雷設(shè)施的安全隱患，及時(shí)處理減少事故發(fā)生概率。積極引入一些先進(jìn)的防雷設(shè)備，如新型的避雷針和避雷器等，通過新技術(shù)的引用來提高防雷能力。此外，不斷加強(qiáng)技術(shù)管理工作，總結(jié)防雷經(jīng)驗(yàn)和措施，通過實(shí)踐工作和培訓(xùn)等方式引導(dǎo)員工學(xué)習(xí)防雷知識(shí)，提高防雷意識(shí)和防雷技術(shù)管理能力。

5 結(jié) 論

近年來，山區(qū)多雷區(qū)域多條輸配電線路遭受雷擊，預(yù)防輸電線路雷擊跳閘故障是迫切需要供電公司解決的問題。本文研究得出，山區(qū)多雷區(qū)的配電線路雷擊跳閘情況較多，雷擊后跳閘的事故較多，如果能夠有效控制雷擊跳閘的事故就可以極大程度降低配電線路的故障發(fā)生概率，降低電網(wǎng)故障的發(fā)生頻率。通過改造接地極、改造避雷裝置、改造自動(dòng)重合閘以及線路絕緣化等措施能夠有效提高線路的防雷能力，對(duì)山區(qū)電網(wǎng)輸電線路的防雷設(shè)計(jì)、管理以及運(yùn)行具有一定的實(shí)踐價(jià)值。