架空輸電線路防雷技術(shù)研究

丁爭 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司

電能現(xiàn)已成為社會人們生活與生產(chǎn)不可缺少的組成部分，但是在電力輸送過程中，因架空輸電線路所產(chǎn)生的跳閘事件與安全問題令人憂慮。雷擊，作為架空輸電線路事故的一大因素，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，因雷擊所產(chǎn)生的跳閘與線路總跳閘占整體事故的半數(shù)以上。尤其是在地理環(huán)境復(fù)雜、土壤電阻率高、雷電活動頻發(fā)的地區(qū)，因雷擊而產(chǎn)生的跳閘事故更為頻繁。相關(guān)事故給社會生產(chǎn)、生活活動產(chǎn)生了極大的損失與影響，有鑒于此，對于架空輸電線路防雷技術(shù)的提升與應(yīng)用十分緊迫且重要。

一、架空輸電線路防雷概述

架空線路作為現(xiàn)階段電力公司使用頻率較高的輸電形式，在輸電過程中通過連接不同區(qū)位發(fā)電站、變電站、負(fù)荷點進行電力的輸導(dǎo)，進行構(gòu)建電壓等級差異存在的電力網(wǎng)絡(luò)。因為區(qū)域位置、高度以及輸電線路長度等因素需要與建設(shè)要求相吻合，因此，難以根除雷電過電壓現(xiàn)象，從而形成雷擊跳閘引發(fā)停電等事故，極大的影響了電力輸送過程中的安全性與穩(wěn)定性。

雷電過電壓指的是，大氣中雷云在架空線路中產(chǎn)生放電效應(yīng)所形成的過電壓現(xiàn)象，可以分為直擊與感應(yīng)兩種類型。感應(yīng)過電壓較為常見，其所產(chǎn)生的電壓最大峰值能夠達到300-400kV，極易在低于35kV的架空輸電線路中產(chǎn)生絕緣閃絡(luò)的現(xiàn)象。在超于110kV的輸電線路具有較高的耐雷特性。直擊過電壓，主要分為反擊與繞擊兩種類型，盡管避雷線檔與中央遭受雷擊同樣能夠造成跳閘現(xiàn)象，但直擊過電壓情況出現(xiàn)較。

二、架空輸電線路遭受雷擊的幾種情況

（一）反擊雷電過電壓

對于電力領(lǐng)域的架空輸電線路而言，雷擊是相對常見的問題，雷擊對架空輸電線路的危害相對較大，根據(jù)其雷擊表現(xiàn)，反擊雷電過電壓是其中的一種類型，在雷擊線路桿塔或者避雷線的情況下，雷電流通過雷擊點阻抗，使得該雷擊點的對地電位在瞬時時段內(nèi)急劇增大，一旦在這種雷擊情況下，雷擊點與導(dǎo)線之間的電位差大于線路絕緣沖擊放電電壓的情況下，也就會同步出現(xiàn)明顯的閃絡(luò)現(xiàn)象，引起導(dǎo)線過電壓問題，在此情況下桿塔或者避雷線的電位要比導(dǎo)線高很多，因此，這種情況下的雷擊被稱為反擊雷電過電壓。在雷電流擊中輸電桿塔塔頂?shù)那闆r下，其中的絕大部分雷電流會經(jīng)過桿塔進入到大地中，但因為桿塔、避雷線波阻抗、接地電阻等因素的干擾，雷電流在經(jīng)由桿塔進入到大地的同時，會在桿塔上同步產(chǎn)生巨大的壓降，這種情況下，塔頂、橫擔(dān)的電位異常提高。一旦絕緣子串兩端的電位差超過了沖擊閃絡(luò)電壓，絕緣子串上將出現(xiàn)明顯的閃絡(luò)情況，架空輸電線路上出現(xiàn)接地故障。

（二）繞擊雷電過電壓

繞擊雷電過電壓問題在架空輸電線路雷擊事故中也十分常見，表現(xiàn)為雷電直接擊中導(dǎo)線或者繞過避雷線而擊中導(dǎo)線，這兩種情況下的雷擊現(xiàn)象都會在導(dǎo)線上引起過電壓問題，也就是繞擊雷擊事故。當(dāng)雷電流直接擊中輸電導(dǎo)線的情況下，大量雷電流注入到了導(dǎo)線，輸電線路對地電壓顯著增高。絕緣子串兩端所承受電位差超過了絕緣子串沖擊閃絡(luò)電壓的情況下，在絕緣子串上將發(fā)生閃絡(luò)情況，這種情況下，導(dǎo)電直接通過桿塔來對地放電。在繞擊發(fā)生的情況下，雷電流對導(dǎo)線產(chǎn)生了一定的作用力。

三、架空輸電線路遭受雷擊的影響因素

接地裝置作為接地網(wǎng)與接地極進行連接的裝置，在架空輸電線中有著十分重要的作用。能夠極大的降低雷電進地，對絕緣設(shè)備進行保護，并降低雷擊跳閘的情況。但是，也存在者一定程度的安全隱患。例如：安裝、配備不足，將直接導(dǎo)致其實際電阻與預(yù)設(shè)電阻之間存在差異、地網(wǎng)受到化學(xué)腐蝕等情況，直接造成其無法有效的降低線路接地電阻與雷擊事故影響。

塔桿作為支撐架空輸電線路的承載體，多為鋼制或混凝土材質(zhì)，但是經(jīng)過長時間的使用，受到風(fēng)化等因素影響，容易產(chǎn)生裂痕等方面問題。在經(jīng)受雷擊的情況下，其內(nèi)在溫度在電流的作用下將快速上升，同時存在因為直擊中拉線對塔桿機械強度構(gòu)成影響而產(chǎn)生坍塌，從而造成架空輸電線運行受影響，產(chǎn)生停電等重大事故。

絕緣子作為支撐導(dǎo)線、隔絕電流、防止電流回地的組成，其主要由合成材料、陶瓷材料與鋼化材料所組成。由于各種材料不可避免的存在一定程度的缺陷，均不利于防雷效果的發(fā)揮。例如：合成材料絕緣易于出現(xiàn)老化、掉串的問題；陶瓷材料絕緣子因為零值產(chǎn)生閃絡(luò)擊穿；鋼化材料絕緣子經(jīng)過雷擊后易于產(chǎn)生裸串現(xiàn)象。避雷線其應(yīng)用主要是為避雷效果，但是由于架空輸電線路中普遍采用雙避雷線設(shè)置，因此在經(jīng)受雷擊的情況下，能夠有效降低高值電壓所產(chǎn)生的影響。

四、架空輸電線路防雷技術(shù)的應(yīng)用

（一）增設(shè)避雷裝置

避雷裝置作為有效提升架空輸電線路防雷能力的方法之一，在架空輸電線路中有著大范圍的應(yīng)用，最為常見的避雷裝置有避雷針、避雷器等。根據(jù)相關(guān)實踐經(jīng)驗證明，通過在架空地下中合理、科學(xué)的設(shè)置具備防繞極效果的避雷針，能夠有效的提升架空輸電線路引雷與屏蔽的效能，進而對由繞擊二轉(zhuǎn)化的反擊形成有效的控制，進而降低雷擊所造成的跳閘事故的發(fā)生。例如，通過在500 kV架空輸電線路雷電發(fā)生頻率較高的位置，進行分段設(shè)置避雷針的形式，極大的減少了雷擊跳閘的頻率。再例如：在輸電線路中設(shè)置符合相關(guān)性能需求的避雷器，同時使其與絕緣子進入串并聯(lián)的形式，通過限制閃絡(luò)電壓的形式，對工頻電弧進行有效的切斷。這樣的形式對直擊與反擊形式的過電壓，均有著良好的防護效果。另一方面，通過氧化鋅避雷器的使用，能夠合理的提升架空輸電線路的耐雷效果，針對桿塔雷擊跳閘方面有著有效的防護效果，但以上方式適用于雷電易擊分段以及雷電易擊點位。

（二）降低塔桿接地電阻

架空輸電線路其防雷能力的高低，由雷擊跳閘率與其耐雷性所決定。因此，應(yīng)當(dāng)盡量降低接地電阻阻值，通過優(yōu)化塔桿接地的方式進行完成。在塔桿不具備避雷線路的情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能的保障鐵塔、鋼混桿等能夠全面的發(fā)揮自然接地體的效果，同時在土壤電阻率小于100Ω·m情況下，可以不增加人工接地設(shè)備，在相關(guān)實際需求無法滿足的情況下，進行人工接地體的設(shè)置。一般情況下，所使用鋼質(zhì)垂直接地體長度為2.5m，彼此之間距離保持5m左右，埋地深度設(shè)計大于0.5m。注意原理高溫等不良因素，以此提升土壤電阻率，具體情況與數(shù)值，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況酌情設(shè)置。

雷電發(fā)生頻率較高區(qū)域，應(yīng)當(dāng)在線路設(shè)置避雷支架、導(dǎo)線橫擔(dān)、混凝土桿鐵橫擔(dān)以及絕緣子等設(shè)備，而且這些設(shè)備之間需要連接效果佳、可靠性強的電氣設(shè)備，其外導(dǎo)電部分要進行接地處理。另一方面，還可以在雷電頻發(fā)區(qū)域的主桿鋼筋中，以焊接或綁扎的形式來形成完整的通路，并在此通路中適當(dāng)利用電氣連接接地螺母、鐵橫擔(dān)和鋼筋，同時為了避免引起架空輸電線路的中斷放電現(xiàn)象，還可以在線路中增設(shè)自動重合閘設(shè)備，從而全面降低雷擊的風(fēng)險。此外，如果塔桿處于土壤電阻率較高的區(qū)域，可以在線路中增設(shè)多支線外引接地裝置，其中外引長度應(yīng)略短于有效長度。

（三）減小架空地線保護角

在多種類型降低架空輸電線路繞擊跳閘的方式中，合理的降低并減少保護角是目前國際公認(rèn)效果最佳、最為直接的方式。對于老舊架空輸電線路的改造升級，盡管適當(dāng)降低保護角能夠有效減少雷擊跳閘現(xiàn)象，但其整體綜合效果不佳。對于新建的架空輸電線路，僅僅通過優(yōu)化其塔桿設(shè)計即可，并不需要進行額外的改造線路。在一般情況下，為提升避雷線對于導(dǎo)線的防護效果，應(yīng)當(dāng)合理的縮小保護角，如若為500 kV或者以上的架空輸電線路處于雙避雷線的狀況中，保護角應(yīng)控制為小于、等于15°。在山地區(qū)域，單回路線路的保護角可控制在0°～5°之間，雙回路線路角度應(yīng)當(dāng)控制在8°～10°。在平原區(qū)域，單回路線路中的保護角設(shè)置為0°～5°之間，雙回線角度應(yīng)當(dāng)設(shè)置為0°～5°。相關(guān)情況，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況進行合理調(diào)整，以期達到最佳效果。

（四）改善線路絕緣水平

提升架空輸電線路絕緣能力方面，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況合理選擇絕緣子部件。不同材質(zhì)絕緣子各有優(yōu)缺點，在雷電發(fā)生頻率較高、輕度較大的區(qū)域，應(yīng)當(dāng)使用合成絕緣子，在保證絕緣子耐壓水平符合線路要求的前提下，合理提升絕緣子高度，以此保證有效干弧距離足夠，以此保證絕緣能力，形成降低雷擊影響的效果。

（五）合理架設(shè)耦合地線

在降低節(jié)點電阻實施難以完成的情況下，可以借助耦合底線的手段，進行防雷效果的提升。特別是在地理環(huán)境復(fù)雜、雷電發(fā)生頻率較高、輸電線路長的山地區(qū)域。

對于此狀況，通常是在輸電線路下方的位置預(yù)先埋設(shè)2～3根接地線，并且，這些接電線還要連接下一基站所有的接地裝置，從而全面降低土壤的電阻率。同時，還要架設(shè)耦合底線，能夠在極大程度上提升架空地線的效果，有效提升塔桿分流的能力，以此保證塔頂電位的低位，對直波進行弱化，從而形成阻抗效果，以此全面增強架空輸電線路防雷效果。通過相關(guān)實踐證明，進行耦合底線的埋設(shè)處理后，因雷擊所造成的跳閘事故發(fā)生率能夠降低30%～40%，其對于架空輸電線路防雷有著出色的效果。

不僅于此，在架空輸電線路的防雷技術(shù)方面，利用并聯(lián)間隙手段，能夠有效的對絕緣子串形成保護，以此保護其免受電弧灼傷的損傷。在對防雷技術(shù)與設(shè)備進行改良與創(chuàng)新之外，電力運行與維護的工作人員，應(yīng)當(dāng)提升對于架空輸電線路的檢查與維修工作，根據(jù)各地區(qū)氣候狀況與季節(jié)更替等自然因素，制定出合理、全面、持續(xù)的巡查機制。同時，借助電子信息技術(shù)，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，通過網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)對故障區(qū)域、規(guī)律進行歸納、總結(jié)，設(shè)計出針對不同問題的措施與方法，以此提升應(yīng)對能力，為架空輸電線路提供具有價值的信息數(shù)據(jù)。

（六）側(cè)向避雷針的安裝

對于一些架空輸電線路而言，往往會在山頂?shù)认鄬^高的位置進行桿塔的布設(shè)，這種桿塔布置條件下，桿塔線路很容易與雷云平行，也有可能在線路或者桿塔的下方運動，與此同時，桿塔位置處的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，同檔距中央相比較，桿塔處雷電繞擊過電壓問題對于架空輸電線路的正常運行造成了巨大的危害。根據(jù)相應(yīng)的研究，避雷線單樁對于繞擊過電壓的預(yù)防和控制非常有效。以110kV架空線路來看，桿塔橫擔(dān)兩側(cè)通過避雷針的安裝，就可以達到良好的防雷效果，但在側(cè)向避雷針安裝時，最好將其長度保持在3m左右。橫向設(shè)備長度控制在1.8m，中間固定部分長度控制在1.2m，隨后將前期所確定的這三個固定點在現(xiàn)場有效標(biāo)注出來，其基本的安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)安裝特點，經(jīng)由桿塔橫擔(dān)和避雷針三個固定螺孔，也就能夠達到電氣可靠連接的目標(biāo)，經(jīng)由桿塔接地體和接地引下線的電氣連接，使得在出現(xiàn)雷擊情況的同時，避雷裝置可在最短的時間內(nèi)快速將雷電引入大地，達到泄流的目標(biāo)，進而來實現(xiàn)良好的防雷處理。在側(cè)向避雷針安裝結(jié)束且達到了相應(yīng)的要求以后，架空輸電線路的防繞擊水平顯著提高，但也同步增大了線路的引雷率，為有效進行引雷率的科學(xué)控制，可適當(dāng)增加絕緣子串的片數(shù)。

圖1 基本安裝示意圖

五、結(jié)束語

雷電作為自然界存在的復(fù)雜的自然現(xiàn)象，其具備極高的隨機性，無法進行有效的避免。因而，為了全面提架空輸電線路的安全與穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)不斷尋找適當(dāng)?shù)那腥胍c，通過不斷提升防雷技術(shù)，借助科學(xué)的防雷手段全面改善架空輸電線路防雷能力。進而全面降低因受到雷擊所產(chǎn)生的損失，保障我國電力輸送的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展。