電網(wǎng)架空輸電線路差異化防雷研究

張杰

[摘? ? 要]由于電網(wǎng)架空輸電線路通常架設(shè)于山地、曠野和丘陵等地區(qū)，其相應(yīng)的雷擊概率通常較高，在電網(wǎng)雷害事故中的占比較大，對(duì)電網(wǎng)的安全性造成了較大的影響，且嚴(yán)重威脅到供電的穩(wěn)定性。本文通過分析架空輸電線路防雷的重要性入手，對(duì)造成雷電危害的主要原因進(jìn)行分析，并闡述了架空輸電線路差異化防雷技術(shù)，以供借鑒。

[關(guān)鍵詞]電網(wǎng);架空輸電線路;差異化;防雷技術(shù)

[中圖分類號(hào)]TM75 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–0–02

Research on Differentiated Lightning Protection of Power

Grid Overhead Transmission Lines

Zhang Jie

[Abstract]Because the power grid overhead transmission lines are usually erected in mountains， wilderness and hills， the corresponding lightning strike probability is usually high， which accounts for a relatively large proportion of lightning damage accidents in the power grid， causing a great impact on the safety of the power grid， and seriously threatens the stability of power supply.This paper analyzes the importance of lightning protection of overhead transmission lines， analyzes the main causes of lightning damage， and expounds the differentiated lightning protection technology of overhead transmission lines for reference.

[Keywords]power grid; overhead transmission lines; differentiation; lightning protection technology

雷害事故是目前對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全性以及穩(wěn)定性影響最大的因素，在我國電網(wǎng)故障中占比較大，達(dá)到了40%～70%。而在歐美發(fā)達(dá)國家，也高達(dá)60%。雷害事故的發(fā)生嚴(yán)重威脅到了供電網(wǎng)絡(luò)的安全性，對(duì)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的影響。為此，雷害事故的防治，備受各界關(guān)注，如何降低電網(wǎng)的雷害概率，也成了電力部門亟須研究的問題。

長時(shí)間以來，多數(shù)研究人員均提出了較多的防雷措施以及預(yù)防辦法，包括提高絕緣配置和降低接地電阻等。在早期，有相關(guān)研究人員提出利用避雷線來增大導(dǎo)線和避雷線的耦合系數(shù)，以降低感應(yīng)電壓，繼而避免出現(xiàn)感應(yīng)雷對(duì)電網(wǎng)造成的損害。在之后又開展了較多的研究，且基于研究成果以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了更多關(guān)于雷電的參數(shù)以及相應(yīng)的防雷措施，整體研究水平有所提升。但在我國大多數(shù)地區(qū)的電力設(shè)計(jì)與施工過程中，電網(wǎng)輸出線路的地理位置以及氣候條件等均存在一定的差異性，線路的設(shè)計(jì)難度大，假若采用相同的防雷技術(shù)和防雷設(shè)施，則無法適應(yīng)不同的地形和氣候條件，從而使得輸電線路的雷害事故以及電網(wǎng)的故障率居高不下。如何結(jié)合實(shí)際地形和氣候條件進(jìn)行線路防雷改造已成為電網(wǎng)架空輸電線路差異化防雷的重要研究方向。

1 架空輸電線路防雷的重要性

目前，造成我國輸電線路出現(xiàn)雷害事故的影響因素主要包括架設(shè)區(qū)域劇烈的雷電活動(dòng)、不合理的輸電線路高度參數(shù)以及不合理的輸電線路設(shè)計(jì)等，均對(duì)輸電線路的穩(wěn)定性有所影響。從我國實(shí)際情況出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)我國多數(shù)地區(qū)在雷雨季節(jié)出現(xiàn)的雷擊現(xiàn)象普遍較為嚴(yán)重，再加上我國目前輸電線路設(shè)計(jì)存在的較多問題，都導(dǎo)致我國部分地區(qū)的輸電線路極易遭受雷擊。

2 造成雷電危害的主要原因

2.1 架空輸電線路位于雷電高發(fā)區(qū)

雷害事故除具備不可預(yù)估性外，還受部分現(xiàn)實(shí)情況的影響。針對(duì)地理環(huán)境因素，輸電線路架設(shè)在海拔較高的雷電高發(fā)區(qū)內(nèi)，則其發(fā)生的雷害概率較高。針對(duì)該類地區(qū)雷電危害，防治尤為重要。

2.2 輸電線路之間的配置問題

輸電線路受電流影響通常會(huì)存在一定的磁場，而雷電本身也具備一定的磁場。兩者磁場之間勢必會(huì)出現(xiàn)相互吸引或排斥的現(xiàn)象，輸電線路在地理環(huán)境以及氣候條件的影響下，其所具備的磁場也會(huì)發(fā)生一定的變化。尤其是輸電線路之間的配置問題，對(duì)輸電線路的磁場影響最大。以較為密集的輸電線路為例，該類輸電線路所伴有的磁場通常較大，相應(yīng)出現(xiàn)雷擊事故的概率也更高。為此，為避免該類雷擊事故的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)控制輸電線路之間的配置。

3 架空輸電線路差異化防雷技術(shù)

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)架空輸電線路差異化防雷技術(shù)的應(yīng)用過程中，相關(guān)電力技術(shù)人員應(yīng)首先采集統(tǒng)計(jì)實(shí)際架設(shè)地區(qū)的各類參數(shù)，經(jīng)相關(guān)參數(shù)分析制定最優(yōu)化的輸電線路差異化防雷方式，以確保輸電線路的安全性和穩(wěn)定性。而具體的參數(shù)分析主要包括以下兩點(diǎn)：①采集輸電線路的走廊雷電參數(shù)，即利用雷電監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測所在地區(qū)的雷電情況，結(jié)合相關(guān)網(wǎng)格劃分，評(píng)估分析出該區(qū)域的雷電數(shù)據(jù)，包括閃電密度和雷電流幅值等，并以此為基礎(chǔ)了解線路架設(shè)地區(qū)在不同時(shí)間以及區(qū)域的雷電活動(dòng)情況。②相關(guān)電力技術(shù)人員應(yīng)采集線路特征參數(shù)，包括桿塔機(jī)構(gòu)、走廊地形條件和線路組成情況等，以確保輸出線路差異化防雷的實(shí)現(xiàn)。

3.2 選擇合理的線路路徑

電網(wǎng)架空輸電線路差異化防雷技術(shù)的應(yīng)用過程中，應(yīng)選擇合理的輸電線路路徑，從而達(dá)到一定的防雷效果。由于輸電線路所經(jīng)過區(qū)域的地理環(huán)境存在一定的差異性，其所受的雷擊概率也各不相同。經(jīng)輸電線路雷擊事故的實(shí)際情況，可以發(fā)現(xiàn)，大部分雷擊事故均集中于線路的某些區(qū)域中。為此，應(yīng)對(duì)該類區(qū)域的特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，在實(shí)際架設(shè)過程中盡可能地避免該類區(qū)域，在不可避免的情況下盡可能地對(duì)線路采取保護(hù)措施，從而確保輸電線路的穩(wěn)定性和安全性。經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，輸電線路出現(xiàn)雷擊概率較高的區(qū)域通常位于地勢較高的區(qū)域中且周圍林木密度較大，如山區(qū)風(fēng)口位置、河谷位置、潮濕盆地位置、土壤電阻率突發(fā)位置以及地下水位較高位置等。為此，在實(shí)際輸電線路架設(shè)過程中應(yīng)盡可能地避開該類區(qū)域，假若無法避開，則應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施。

3.3 安裝線路避雷器

該項(xiàng)防雷措施是基于原有線路，加裝避雷器。其原理為安裝避雷器后的輸電線路在遭受雷擊時(shí)，其產(chǎn)生的雷電流的分流會(huì)有所不同，部分雷電流隨避雷線傳入相鄰桿塔，部分雷電流則通過塔體進(jìn)入地下。假若雷電流的數(shù)值超過一定范圍，則避雷針動(dòng)作加入分流。通常大多數(shù)雷電流經(jīng)避雷器流入導(dǎo)線傳入相鄰桿塔。雷電流在經(jīng)過避雷線和導(dǎo)線時(shí)，受導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng)作用，會(huì)在導(dǎo)線和避雷線上產(chǎn)生耦合分量。由于避雷器的分流量遠(yuǎn)多于從避雷線中分流的雷電流，該類分流的耦合作用使得導(dǎo)線電位升高，致使導(dǎo)線和塔頂之間的電位差低于絕緣子串的閃絡(luò)電壓，從而避免出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)的情況。為此，安裝線路避雷器具備較好的鉗電位作用，防雷效果較為顯著。

適合安裝避雷器的線路通常需滿足以下幾種情況：①地閃密度Ng∈[5，7.98]的山區(qū)線路，避雷器通常安裝于距離超過600 m的桿塔或前后直線塔;②地閃密度Ng∈[2.78，58]且坡度超過25°或地閃密度Ng∈[5，7.98]且坡度超多30°的線路桿塔，避雷器通常安裝于外坡側(cè)邊;③地閃密度Ng∈[2.78，5]的重要山區(qū)線路或Ng∈[5，7.98]的一般山區(qū)線路，且該類線路的接地電阻R處于20 ?～100 ?。一般情況下，35 kV和110 kV的線路避雷器安裝于三相絕緣子串旁，220 kV的避雷器則安裝于一回路線路的三相絕緣子串旁。

3.4 安裝并聯(lián)間隙

安裝并聯(lián)間隙后輸電線路具備一定的雷擊跳閘率，經(jīng)間隙裝置和絕緣子串并聯(lián)，對(duì)雷擊閃絡(luò)進(jìn)行定位，疏導(dǎo)工頻電弧，防止絕緣子受損，該種方式雖然有雷擊閃絡(luò)，但重合閘有效。針對(duì)重要輸電線路的架設(shè)則不適合安裝并聯(lián)間隙。安裝并聯(lián)間隙應(yīng)盡可能地選擇雷區(qū)等級(jí)高于C2級(jí)的一般線路桿塔。雙間線路應(yīng)盡可能地選擇安裝并聯(lián)間隙，且安裝應(yīng)首選絕緣水平較低的一回。500 kV同塔雙回耐張塔不適合安裝并聯(lián)間隙;220 kV和110 kV同塔雙回的安裝并聯(lián)間隙，則只能為上相安裝。

3.5 安裝絕緣配置

針對(duì)多種電壓的輸電線路利用不平衡的高絕緣防雷措施，能有效降低輸電線路的多回間跳閘率，繼而最大限度地避免線路遭受雷擊。不超過220 kV的同塔多回線路，與其他回路的絕緣水平相比，其存在較高絕緣水平的回路要高出15 %。為此，滿足條件的輸電線路應(yīng)安裝絕緣配置。此外，安裝絕緣配置的作用主要在于提高輸電線路的絕緣性。在實(shí)際輸電線路的絕緣配置安裝過程中，通常是采用增加絕緣子的數(shù)量來達(dá)到提高輸電線路的抗雷擊效果。

3.6 降低桿塔接地電阻

桿塔接地電阻，即雷擊電流經(jīng)桿塔傳入大地，再傳至相鄰桿塔遇到的電阻，其數(shù)值大小直接反映出了桿塔和大地之間的接觸情況。而降低桿塔接地電阻，則能有效降低反擊雷對(duì)輸電線路造成的損壞。該種防雷措施適用于地閃密度Ng∈[2.78，5]、Ng∈[5，7.98]以及其以上的重要輸電線路。一旦輸電線路經(jīng)接地電阻改造后，則桿塔不得與接地線的接地電阻相連。另外，在雷電高發(fā)季節(jié)，桿塔的接地電阻值應(yīng)小于表1數(shù)值。

當(dāng)?shù)亻W密度Ng是其他值的輸電線路經(jīng)接地電阻改造后，其接地電阻值應(yīng)小于表2數(shù)值。

其中，一旦地電阻率超過2 000 ?·m后，桿塔的接地電阻值很難達(dá)到30 ?。通常情況下，重要桿塔的接地電阻不得超過10 ?，一般桿塔的接地電阻不得超過12 ?。此外，在降低桿塔接地電阻時(shí)，嚴(yán)禁作業(yè)人員采用化學(xué)降阻劑等其他化學(xué)方式進(jìn)行降阻。

3.7 架設(shè)耦合地線

耦合地線是位于輸電線路下方或附近的架空地線，通常用于一般輸電線路，具備較強(qiáng)的雷擊分流效果。架設(shè)耦合地線能大幅度地降低輸電線路的雷擊率，主要應(yīng)用于桿塔接地電阻降低難度較大的輸電線路。通過架設(shè)耦合地線的方式來增強(qiáng)避雷設(shè)備和輸電導(dǎo)線之間的耦合作用，繼而降低絕緣子串間的過電壓，以達(dá)到降低雷擊率的目的。

在以往的電網(wǎng)架空輸電線路安裝過程中，由于對(duì)雷電規(guī)律的了解并不多，對(duì)輸電線路造成影響的因素的認(rèn)知也較為不足，缺乏前期的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使得輸電線路的防雷措施都大同小異，且整體成本投入較大，效果卻微乎其微。現(xiàn)階段，隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷完善和成熟，以及對(duì)雷電規(guī)律的深入了解，在實(shí)際架設(shè)過程中為降低雷害事故，應(yīng)結(jié)合實(shí)際線路情況制定相應(yīng)的防雷措施。而差異化防雷技術(shù)的應(yīng)用則能有效地解決以往存在的缺陷和不足，降低成本的同時(shí)也能提高線路的防雷水平，具備較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

針對(duì)架空輸電線路存在的線路較長和分布較廣的特性，以及其架設(shè)區(qū)域通常位于山地、曠野和丘陵等地區(qū)，使得其遭受雷擊的概率較高。經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，雷擊是影響我國電網(wǎng)供電穩(wěn)定性和安全性的主要因素之一，為確保我國供電的穩(wěn)定性，在實(shí)際電網(wǎng)架空輸電線路的安裝過程中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)密切結(jié)合當(dāng)?shù)貐^(qū)域的實(shí)際地理情況以及氣候條件，制定最優(yōu)化的布置方案，合理采用差異化防雷技術(shù)，最大程度保障電網(wǎng)供電的安全穩(wěn)定性。

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