山區(qū)輸電線路雷電災害防御體系建設研究與應用

◎謝剛 李毅 左濤

引言：輸電線路是電網安全運行的重要組成部分。輸電線路的運行狀況決定著輸電效果，影響著供電效率。雷擊后的輸電線路在短時間內電流會迅速增加，超過線路原有負荷范圍，造成線路短路、燃燒等問題，影響電能傳輸效果。盡管我國電力產業(yè)在市場不斷發(fā)展中呈現(xiàn)一種新的發(fā)展趨勢，但在對其的深度調查中發(fā)現(xiàn)，其運行受到電力雷擊現(xiàn)象的影響屬于一種隨機行為，是無法預測或直接規(guī)避的，只能在供電過程中，采取有效的措施，對此種現(xiàn)象進行預防，從而降低雷擊現(xiàn)象的發(fā)生概率，當雷害事故一旦發(fā)生，對于通電線路以及各類輸電設施而言，都會造成嚴重危害，最終導致周圍供電中斷，甚至出現(xiàn)嚴重的火災事故和觸電事故。

一、輸電線路雷擊效應

架空配電線架設時為了節(jié)省空間，往往會沿著輸電線路走廊以并行的形式進行架設，但是其產生的交變磁場會導致線路出現(xiàn)過電壓，進而導致線路跳閘。外加大部分輸電線路架設于空曠地帶，例如郊區(qū)等，相較于城鎮(zhèn)建筑較為密集的地區(qū)，雷電活動也較為強烈，進而導致線路雷擊跳閘頻率增加。為更好地研究周邊輸電線路對10k V 配網雷擊跳閘的影響，應明確線路電氣的幾何模型原理。所謂電氣幾何模型，主要是指一種幾何分析模型，該模型對引雷范圍進行計算，進而保證輸電線路和配電網的合理布設。該模型的核心原理是結合雷電的放電特性和線路的結構尺寸，雷擊距理論的主要因素是被擊物高度和雷電流幅值大小。雷擊距對三方面的受雷范圍造成影響，也決定了其相對引雷能力，即避雷線、導線以及大地。在雷擊距理論的角度下，輸電線路引雷范圍在不考慮地面傾角影響下，需要根據(jù)導線雷擊距和地面雷擊距的交匯點，進行該點雷電流幅值的臨界值得出計算。

二、雷電對輸電線路的危害

雷電是強對流行天氣引發(fā)的一種災害，主要的特點包括：發(fā)展迅速、影響范圍廣、災害形式多樣等，這就給災害的提前預警增加了難度。雷電對輸電線路的影響體現(xiàn)在以下兩個方面。1.如果塔被雷擊，將形成導線，這將對塔中的傳輸設備和導線產生不利影響。嚴重時會導致電線自燃，整個輸配電系統(tǒng)癱瘓，大面積停電。如果電流強度超過一定限值，將影響電源設備的獨立維修功能，相關人員必須通過更換線路設備恢復供電。這不僅增加了線路設備的維護難度，也增加了線路設備的維護成本。2.輸電線路遭受雷擊時會產生過電壓，導致線路和設備的絕緣性能因電壓超限而損壞。一方面會造成大規(guī)模停電，影響人們的正常生產和生活；另一方面也會增加公眾生命安全隱患。因此，重視輸電線路的防雷保護對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

三、輸電線路引發(fā)雷擊的原因

1.配電線路的安裝問題。

在對配電線路和避雷器設備進行安裝搭建時，施工人員并沒有對其進行科學合理的設計，造成從源頭預防雷擊損害的工作不到位，進而導致后期遭受雷擊損害的機會增加。并且在實際電力作業(yè)中配電線路的架設也存在著嚴重的安全隱患。由于部分地區(qū)的氣候問題和地質條件相較特殊，在對配電線路進行安裝時應選擇適合本地區(qū)的鋪設方式，但是由于施工人員受到規(guī)章制度的約束，在安裝時依舊采取統(tǒng)一的方法，造成配電線路避雷器使用不當，進而影響了配電線路的雷電防護功能，導致雷擊概率增加。

2.復雜地形。

對于山區(qū)、沿海等地區(qū)，地形結構十分復雜。在鋪設輸電線路時，往往受到地形、氣候和環(huán)境的影響，增加了問題的發(fā)生率。雷擊是此類環(huán)境條件下最常見的情況，破壞性大，維護難度高，對輸電系統(tǒng)構成嚴重威脅。具體而言，不良后果主要體現(xiàn)在以下三個方面。（1）深谷。這類區(qū)域氣流運動復雜，受雷電影響范圍大。此外，如果沒有相應的保護屏障，很難維持輸電線路的安全運行，容易增加事故發(fā)生率。這是因為該區(qū)域的開放空間面積大，暴露在外的弧長長長，因此容易引起閃電注意，增加空氣運動中的雷擊概率。（2）傾斜的山坡。由于上坡區(qū)繞組少，下坡段導線過長，雖然目的是為了增強保護效果，但山上繞組仍缺乏科學保證，繞組頻率將逐漸增加，雷擊次數(shù)將增加，影響線路的安全運行。（3）沿海地區(qū)。沿海地區(qū)的空氣中含有大量的鹽，這很容易引起雷擊事故。

四、防雷措施

1.減小避雷線保護角。

避雷線保護角是指避雷線與外側導線間的連接以及和垂直線的夾角。保護角越小，避雷器的作用便越大并且對導線的保護性越高。以下對減小避雷線保護角做出了敘述：（1）在保持避雷線和導線高度不變的同時，以縮小它們之間的橫向距離，來減小保護角。（2）通過降低導線的掛線點來減小保護角，在保證避雷線的高度不發(fā)生變化的前提下，來增加絕緣子串的使用量，以此來加長絕緣子的長度。這種方法不僅有效達到減小保護角的目的，同時還提高了配電線路的耐受電壓，增強了配電線路的耐雷性。（3）與之前方法相反，最后一種方法是在維持導線高度不變的情況，通過增加避雷線的高度（既是對桿塔結構進行加高）以此來減小保護角。但由于這種方法操作起來較為復雜，通常應用機會較少。一般來說，保護角越小，保護性越高。經多地實踐證明，保護角小的桿塔用電穩(wěn)定不易跳閘。并且由于此技術成效顯著，目前已被廣泛應用到相關線路的防雷工作中。

2.架設避雷線或耦合地線。

避雷針和耦合地線是最常用的防雷設備。避雷針安裝在上相導線1.5m 以上，耦合地線安裝在下相導線1.5m 以下。Gj-25鋼絞線可用于這兩種用途。通過對線路雷擊跳閘率的分析可知：（1）架設避雷線的防雷效果優(yōu)于耦合地線，耦合地線對直擊雷跳閘影響不大；（2）兩者都能有效降低后續(xù)雷擊引起的跳閘率。避雷針的安裝應結合線路的實際情況，考慮周圍地質條件和避雷針的安裝角度，以降低線路被雷擊繞線的概率。與不合理的架設方式相比，合理架設的避雷線的防雷能力可大大提高，并能更好地將直擊雷引至地面。

3.減小接地電阻。

在配電網的實際運行中，控制雷擊跳閘的方法有很多，包括降低線路的接地電阻。由于10kV 配電網的雷擊跳閘是由感應雷引起的，降低接地電阻可以有效地釋放雷擊波的沖擊，并在雷擊點落在附近地面時減少桿塔點，避免10kV 配電網在雷電波地面反擊影響下跳閘。此外，還可架設避雷針，以便在雷擊影響下導線絕緣子兩端電壓降低時，提前感應避雷針，提高10kV 配電網的防雷水平。另外，通過增加保護間隙，可以通過大量計算掌握絕緣子在雷電沖擊下的間隙距離。在此基礎上，可通過絕緣子旁的金屬點電極形成低于串聯(lián)電壓的放電現(xiàn)象，從而實現(xiàn)對絕緣子的保護，避免雷擊閃絡造成的損壞和斷開事故。值得注意的是，該方法主要用于具有一定跳閘率的10kV 配電網。

4.合理使用防雷型絕緣子。

相對于普通絕緣子，防雷型絕緣子增加了左、右兩個電極，一個電極位于導線端，是高電位；另一個電極位于桿塔端，是低電位，兩電極之間形成一個間隙作為雷擊閃絡通道和電弧放電通道。當線路受到直擊雷擊或者感應雷擊時，由于空氣空隙的伏秒特性曲線在絕緣子伏秒性質曲線以下，絕緣子左、右兩端電極提供的空間間隙能夠在絕緣子閃絡之前先動作放電，從而建立雷電閃絡通道；在此通道上建立起來的工頻電弧短路電流，其弧根只能固定在通道兩端的高、低壓電極上，而不會流竄到導線，從而避免燒斷導線。

5.提高線路絕緣性能。

（1）對10k V 配電網上的絕緣子進行更換，選用更耐電壓沖擊的絕緣子。對于10k V 配電網而言，絕緣子是有效降低雷擊跳閘率的部件，所以，為減少周邊輸電線路對10k V 配電網雷擊跳閘的不良影響，可以使用瓷橫擔絕緣子替代針式絕緣體，從而降低雷擊跳閘率。此外，還可以適當增加瓷橫擔絕緣子的絕緣長度，進一步降低因雷擊帶來的跳閘概率。（2）對絕緣配置方式進行更新，采用不平衡的配置方式。在10k V 配電網中，雷擊跳閘產生的主要原因就是感應雷，所以，應對雙回同時跳閘的概率進行降低，不平衡絕緣配置方式就是有效方法。而且，在此過程中，盡量拉大兩種絕緣子在雷電沖擊電壓耐受性能方面的差距，否則防雷效果會受到影響。（3）使用絕緣塔頭或是絕緣橫擔。相較于鐵橫擔，應盡量使用絕緣體，所以，可以通過絕緣橫擔的替換應用提高線路絕緣水平，同時，絕緣橫擔還具有良好性能，能夠滿足機械和耐污等性能的要求。值得注意的是，應對雷電波傳播線路的終端提高注意，避免頻繁使用避雷器。

6.自動重合閘的設置。

自動重合閘保護的科學整定，可以在首次發(fā)現(xiàn)異常電流或電壓時做好停電保護，從而減少雷電對輸電線路的影響，維護輸電線路的安全，減少損失和危險的發(fā)生。目前，我國現(xiàn)有的自動重合閘主要由單相裝置、三相裝置、綜合裝置和失活裝置組成。輸電線路受雷擊影響后，自動重合閘的繼電保護將立即開啟，實現(xiàn)雷擊區(qū)段線路的閉合，以保證輸電線路的整體質量，并通過停電的方式保證電能在其他區(qū)段的傳輸。輸電線路發(fā)生雷擊停電的概率很高，瞬時停電和自動重合閘的瞬時鏈路技術需要改進，這需要專業(yè)人員繼續(xù)進行研究，以優(yōu)化自動重合閘的技術水平，充分發(fā)揮其工作優(yōu)勢維護輸電線路安全運行。

7.做好防雷設施維護。

配電線路運維人員應按照供電企業(yè)的維護標準，對線路范圍內的防雷設施進行定時巡視及維護，及時發(fā)現(xiàn)設備的缺陷和隱患并安排處理。與此同時，需要加強一線運維人員的能力培訓及考核，提高技術水平，防止發(fā)生巡維不到位的情況。技術管理部門要合理安排配電線路檢修周期，按時完成防雷設施的預防性試驗，及時發(fā)現(xiàn)絕緣、耐壓等性能異常的防雷設施，并做好備品備件管理，保證損壞的設施可迅速更換。

8.做好防雷技術服務工作。

氣象部門需要向各區(qū)域的人民群眾普及和防雷有關的知識，做好宣傳工作，尤其是要做好防雷安全知識和法律法規(guī)的宣傳，利用電視、廣播和互聯(lián)網等新興媒體，通過短片、宣傳手冊的方式大范圍的宣傳。要讓廣大群眾認識并且掌握先進的防雷。同時，還要提升法律意識，感受到法律的權威性，嚴格的遵守法律的有關規(guī)定，不能觸犯法律，要推動氣象防雷工作的有序開展。對政策環(huán)境進行優(yōu)化，支持市場主體依法展開市場競爭，并完善防雷技術的合作，要做好雷電災害的風險評估技術服務水平，將服務短板補齊，提升服務水平，從根本上提高供給能力。要定期的組織工作人員培訓，開展交流活動，及時溝通工作中存在的問題，找到問題的解決方案，將工作經驗及時的進行交流分享，幫助大家共同進步，在條件允許的情況下，可以組織人員外出培訓，學習了先進的技術后，回單位組織更多的人學習，大家通力合作，提高防雷的技術水平。

五、雷電災害防御體系

1.雷擊風險預警功能。

輸電線路雷電災害預防系統(tǒng)是利用計算機技術實現(xiàn)輸電線路雷電閃絡風險預警的系統(tǒng)。其物理結構主要包括子站、通信模塊、計算模塊、軟件模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、網絡通信和協(xié)議模塊。雷電定位子站用于實時監(jiān)測大氣中的電場數(shù)據(jù)和雷電位置數(shù)據(jù)；計算模塊用于對雷電數(shù)據(jù)和線路臺賬進行統(tǒng)計分析，定義預警級別和風險概率，并將分析數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫模塊中；軟件模塊用于部署客戶端軟件，主動推送和被動查詢相應的雷電預警信息。閃電發(fā)生時，會產生強烈的光信號、聲信號和電磁輻射信號。由于雷電電磁輻射信號主要沿地表低頻傳播，能量較大時，其傳播范圍可達數(shù)百公里以上，最適合大規(guī)模監(jiān)測。雷電風險預警計算是在分析輸電線路雷電活動規(guī)律和雷擊原理的基礎上，將電場強度、雷電位置等監(jiān)測數(shù)據(jù)與線路臺賬信息進行關聯(lián)，實現(xiàn)輸電線路雷電閃絡風險預警。

2.定期巡檢。

由于避雷器工作環(huán)境的特殊性，電力部門在其日常工作時，應加強對避雷器的定期巡檢。利用常見的紅外熱像診斷法，能快速判斷出，避雷器內部是否存在電熱場或閥片受潮的現(xiàn)象。當避雷器內部的溫度差接近10 時，就必須停電檢查并對其進行測試。同時還需檢查地下連接部位的器件是否存在腐蝕現(xiàn)象，避免雷擊電流因接地電阻值減小不能快速流入大地，防止避雷器因受到殘余電流的沖擊而被損壞。對避雷器的外觀也應及時更換，防止出現(xiàn)閃絡、破損等情況。另外，電網檢修人員必須擁有專業(yè)的檢修能力，掌握熟練的電力檢修知識及避雷器故障的處理方法，確保在發(fā)生問題時，能及時處理好故障，以保證配電線路的正常運行。

3.差異化防雷評估功能。

輸電線路差異化防雷評估系統(tǒng)，基于線路雷擊數(shù)量、線路形態(tài)和地理位置差異，進行輸電線路雷電活動分析，評估線路全線每基桿塔雷擊跳閘率，提出差異化防雷措施，指導新建線路防雷設計和在運線路防雷改造，實現(xiàn)有針對性的單基“建?！u估—治理”。

結束語：綜上所述，隨著輸電線路覆蓋范圍的增加，對防雷的要求也越來越高。在輸電線路設計中，設計人員應根據(jù)地質環(huán)境和線路敷設要求進行綜合分析和思考，選擇合適的線路防雷技術和設備，提高輸電線路的防雷效果，減少雷電對輸電線路的影響，實現(xiàn)電能的穩(wěn)定傳輸，提高供電質量。在具體分析中，應注意配電系統(tǒng)防雷接地的復雜性和特殊性。在項目建設的全過程中，每個環(huán)節(jié)都要投入人力物力作為支撐。有些情況需要改進和調整。根據(jù)不同地區(qū)，某些規(guī)格也有所不同。電網部門在開展具體工作的過程中，應制定規(guī)劃和防護措施，因地制宜進行合理規(guī)劃，提高電網線路的性能，同時建立雷電災害防御預警體系，發(fā)揮雷電預警效益最大化，與雷電防護措施結合，共同提高輸電線路雷電防護水平。