110kV 高壓輸電線路防雷設(shè)計(jì)的有關(guān)問題

李正錢

（東莞電力設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 東莞 523000）

21 世紀(jì)下，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)化建設(shè)日趨加快發(fā)展，社會用電需求量也越來越大。在“十四五”經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的環(huán)境下，工業(yè)自動化用電高速發(fā)展，這對輸電線路的輸送要求和安全可靠性也越來越高。其中110kV 輸電線路故障中主要以雷擊跳閘居多，其次是金具和絕緣子老化及極少數(shù)的外力破壞。本次對輸電線路防雷問題開展論述，從設(shè)計(jì)的源頭解決問題的所在，降低雷擊引起線路安全的概率，根據(jù)最新要求和新技術(shù)及時改進(jìn)設(shè)計(jì)上的不足，以大幅改善輸電線路整體質(zhì)量。

1 110kV 輸電線路上的雷電故障形式、 作用力及危害

1.1 故障形式

面對110kV 這種常見的輸電線路，雷電災(zāi)害往往會對其穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生巨大的安全威脅。在當(dāng)前的電力體系內(nèi)，主要涉及以下十分常見的幾種雷電故障形式：首先，直接雷擊。線路上出現(xiàn)該類故障的概率很小，然而一旦出現(xiàn)的話，就明顯破壞到輸電線路沿途的設(shè)備、電塔、導(dǎo)線、電桿等部位。其次，在雷電電擊中，會有一定的電量會流經(jīng)地面，其中會發(fā)生輸電線路超負(fù)荷反應(yīng)情況，而致使輸電線路上的一些電氣設(shè)施在這種雷電感應(yīng)下出現(xiàn)各種故障。最后，如果雷電擊中110kV 輸電體系線路上的防雷避雷針以后，便會發(fā)生短時間內(nèi)的短路情況，也即出現(xiàn)反應(yīng)破壞狀況。

1.2 作用力破壞機(jī)理

根據(jù)雷電作用高壓輸電線路的過程可知，其中主要涉及以下4 個階段：①雷電施加給輸電線路過電壓作用，而提升線路電壓。②線路彼此碰撞，并誘發(fā)出閃絡(luò)現(xiàn)象。③在輸電線路上，實(shí)際的電壓經(jīng)由正常電壓一下子瞬間變成工頻電壓，致使線路瞬間溫度升高，在過高溫度下甚至還會發(fā)生保護(hù)層脫落、直接掉線等。④出現(xiàn)線路跳閘，供電體系陷于癱瘓狀態(tài)，并中斷供電過程。

在發(fā)生雷擊后，110kV 的整個輸電線路上可能會出現(xiàn)運(yùn)行故障。主要的作用過程破壞機(jī)理為：倘若存在具有很多電荷成分類型的雷云，在110kV 輸電線路正上方形成，這些雷云便定會在地面電荷的作用下出現(xiàn)龐大的電場。當(dāng)雷云持續(xù)不斷移動時，并且途徑110kV 輸電線路上的桿塔，則很高的桿塔便會破壞掉以上電場中存在的空氣絕緣體，再以此來迫使雷云通過輸電線路桿塔進(jìn)行放電并且形成一個放電通道。在以上過程中，包含在雷云中的電流則會從空中直接向線路上的桿塔輸注。然后，以桿塔頂端充當(dāng)載體，以電流行波進(jìn)行放電。其中更核心的是，在整個過程中，所積累下來的過電壓會統(tǒng)一施加到桿塔裝置體系的絕緣子部件上。在以上過程的作用影響下，位于桿塔絕緣子結(jié)構(gòu)一端部位的電壓參數(shù)值如果在電流放電參數(shù)值以下，則110kV 架空輸電線路導(dǎo)線就非常有可能會迫于雷電的作用力而呈現(xiàn)明顯的絕緣閃絡(luò)現(xiàn)象。在整個閃絡(luò)過程中，出現(xiàn)的工頻電弧則非常有可能會致使110kV 輸電線路上分布的二次保護(hù)體系收到來自電流互感器、電壓裝置內(nèi)的有關(guān)信號源，并做出一定的保護(hù)動作，而導(dǎo)致110kV 輸電線路表現(xiàn)出瞬時性跳閘情形故障。

1.3 危害

作為自然界的常見災(zāi)害之一，雷電災(zāi)害會伴隨環(huán)境的變遷及污染的惡化而變得更加激烈，甚至引起各種事故，從而嚴(yán)重影響到110kV 線路運(yùn)行的安全性。從輸電線路上看，雷電不僅具有很大的運(yùn)營危害，而且引起的事故也十分普遍。尤其是在國內(nèi)山地丘陵等交通不便之處，一旦線路出現(xiàn)事，就難以及時查驗(yàn)或處理。同時，在雷電過程中，還常常伴有一定的大風(fēng)，一旦大風(fēng)將線路吹起，嚴(yán)重情況還會令線路陷入癱瘓狀態(tài)。所以做好防雷保護(hù)，采取有效的防雷措施，需要電力工作人員的不懈努力。

2 項(xiàng)目概況

在本工程110kV 線路設(shè)計(jì)中，新建雙回110kV 線路路徑長度約2×12.0km，導(dǎo)線采用JL/LB20A-400/35 型鋁包鋼芯鋁絞線，地線采用JLB40-80 型鋁包鋼絞線。，全線架空線路所經(jīng)山地占40%、丘陵占30%、平地占30%，地面高程為4～450m，途徑自然生態(tài)保護(hù)區(qū)、二級水庫、荔枝園、水田等，地質(zhì)條件較好，均未發(fā)現(xiàn)有滑坡、泥石流、崩塌、斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象及明顯的不良構(gòu)造行跡。山地、丘陵地質(zhì)為可塑狀黏土、硬塑狀黏土、泥質(zhì)粉砂巖、花崗巖等，平地地質(zhì)為回填土、淤泥、粉質(zhì)黏土及巖石層。通過對該區(qū)域現(xiàn)運(yùn)行的110kV 線路數(shù)據(jù)分析，出現(xiàn)高頻雷擊跳閘現(xiàn)象較多，所以針對本工程新建線路，采用加強(qiáng)防雷設(shè)計(jì)，并從根源上做好線路防雷工作。

3 設(shè)計(jì)方案有關(guān)問題分析

3.1 優(yōu)化敷設(shè)接地網(wǎng)的模式

3.1.1 方案

針對雷擊多發(fā)區(qū)域段，本工程新建的25#～N34#鐵塔位置主要為硬塑狀黏土、泥質(zhì)粉砂巖，測出土壤電阻率范圍為715～1431Ω·m。結(jié)合工程實(shí)際塔基征地情況，本次采用放射性布置，在桿塔四周設(shè)計(jì)8 根φ12 的鍍鋅圓鋼，統(tǒng)一焊接為放射狀并延伸向周圍，接地線埋深約0.8m，接地體縱長不小于480m。

3.1.2 優(yōu)化分析

在該方案中采用放射性布置，且整體效果較為理想，測得工頻接地電阻都小于20Ω。若輸電線路被雷擊，先通過接地引下線及裝置的雷電流，接著會基于半球形向四周土壤分散流入。因金屬電阻不大，故此可忽略引下線及接地設(shè)施電阻。一般由沖擊電阻來定接地電阻，且散流形狀半徑還與沖擊電阻有關(guān)聯(lián)。隨半徑的增大，便會加快散流速度，向土壤流入更大的電流，而沖擊電阻則會更小。在設(shè)計(jì)中利用接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，控制接地延伸體長，旨在增大散流半徑，扭轉(zhuǎn)電流流向以降阻。

3.2 減小桿塔接地阻值

3.2.1 方案

本工程新建的43#～N52#鐵塔位于山頂，經(jīng)現(xiàn)場勘察知，地質(zhì)主要為泥質(zhì)粉砂巖、花崗巖。在設(shè)計(jì)中通過爆破降阻劑填充法來降阻。在爆破中地下出現(xiàn)裂縫，再通過壓力機(jī)向深孔、裂縫壓進(jìn)降阻劑，以連通降阻劑和地下大區(qū)域土壤來降阻。

3.2.2 改進(jìn)分析

目前也有采用石墨接地的方式，來降低接地電阻，但因石墨接地的后續(xù)維修難度大，且造價(jià)高，還未廣泛普及。本工程采用降阻劑材料的方式優(yōu)化接地土壤來降阻，隨土壤電阻率的變小，雷擊接地阻值也就會更小。線路的耐雷水平都會伴隨工頻接地阻值的變大而減小，降低桿塔接地電阻便顯得尤為重要。所以線路接地阻值越小，體系耐雷能力就會越強(qiáng)。

3.3 導(dǎo)線以上的避雷線架設(shè)

3.3.1 方案

從110kV 全線出發(fā)，均架設(shè)好避雷線和OPGW 光纜。按路徑走向，選用具體的桿塔形式，并設(shè)置好地線保護(hù)角。例如，在設(shè)計(jì)大坡度山脊上立的桿45-48#時，均選高低腿，且用雙避雷線。而在跨越二級水庫段的38-41#處，考慮到檔距達(dá)563m，則選用特殊設(shè)計(jì)，適當(dāng)加長地線橫擔(dān)。

3.3.2 優(yōu)化分析

架空地線一般會屏蔽保護(hù)導(dǎo)線，若線路遭雷擊，先會擊中桿塔以上的架空地線。若塔頂遵守雷擊，則地線會分流，降低桿塔流入雷電流，而弱化塔頂電位。此外，還會引起導(dǎo)線耦合電壓，而減小絕緣子串電壓。所以，隨著屏蔽水平的提升，就越少遭受雷擊。而保護(hù)角與屏蔽程度相關(guān)，所以在本方案中，便按工程實(shí)際、規(guī)程需要來有效控制保護(hù)角。

3.4 改善絕緣性能

3.4.1 方案

當(dāng)線路途徑平地時，考慮到周邊工業(yè)較多，污染嚴(yán)重，屬C級污穢區(qū)，所以在設(shè)計(jì)中，按C 級污穢區(qū)等級統(tǒng)一爬電比距的上限來配置絕緣子，所以該段線路的懸垂和耐張絕緣子采用8～10片（一般為7 片）。

3.4.2 改善分析在絕緣強(qiáng)度中，主要涉及絕緣子擁有的機(jī)械、電氣、內(nèi)外過電壓等的強(qiáng)度。在規(guī)劃輸電線路時，會按電氣強(qiáng)度來定絕緣子形式和量，再校驗(yàn)?zāi)屠仔阅?。針對C 級污穢區(qū)，可以結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選用玻璃絕緣子，并配置好爬電距離對應(yīng)的有效系數(shù)。在具體設(shè)計(jì)時，選用型號為U100BLP-2（結(jié)構(gòu)高度146mm，爬距450mm）的玻璃絕緣子，控制8 片/串，在設(shè)備最高工作相電壓時其爬電比距為56.68mm/kV，遠(yuǎn)大于C 級污穢區(qū)爬電比距上限要求，增強(qiáng)了線路耐雷性能。而伴隨絕緣子片數(shù)的增多，爬電比距也會增大，而降低絕緣子串的整體工頻電場強(qiáng)度，避免雷擊閃絡(luò)向穩(wěn)定電弧轉(zhuǎn)變，且絕緣子的一半閃絡(luò)全波沖擊電壓幅值和耐雷能力具有正比關(guān)系，所以這樣能增強(qiáng)抗雷效果。

4 注意事項(xiàng)

但是，以上的防雷設(shè)計(jì)也僅僅能盡量降低高壓輸電線路的雷害率，與其余自然災(zāi)害相同的是，線路雷擊往往無法預(yù)料，需要在強(qiáng)化雷電防御設(shè)計(jì)的同時，積極著手事故出現(xiàn)后的補(bǔ)救措施。這樣方才可以盡可能地避免雷電帶給110kV 輸電線路的不良破壞，并保障電網(wǎng)線路運(yùn)作的安全與通暢。

考慮到當(dāng)雷電擊中高壓線路時，雷擊跳閘往往避免不了。所以，為了充分降低跳閘后帶來的危害損失，則可以考慮以下補(bǔ)救措施：針對雙回路線實(shí)施不平衡絕緣法、安裝自動重合閘等。針對雙回線路而且雷擊跳閘中的同時跳閘占比很大，所以需要盡可能降低雷電引起雙回線路相同桿塔上面的同步跳閘率，不然便會帶來很不好的后果。一般就會順著一條通向桿塔路線的導(dǎo)線上，平添絕緣子兩個，以提升桿塔一側(cè)的狀態(tài)絕緣性能，而維持另一邊不變，從而形成同塔雙回線路體系桿塔上面的一種不平衡絕緣性，減小雙回路線路一起同時跳閘率，并增強(qiáng)雙回路體系供電可靠性。而在防雷線路上，重合閘裝置極為重要，但是需要限制在某個范圍以內(nèi)。當(dāng)雷擊跳閘后，可以通過重合閘裝置的自動動作來確保供電可靠性。

5 結(jié)語

綜上所述，在設(shè)計(jì)110kV 高壓輸電線路時，應(yīng)著重考慮有關(guān)防雷問題。但是，防雷設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，要求明確各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，合理設(shè)計(jì)方案，以維護(hù)線路的整體穩(wěn)定性。同時，還應(yīng)各專業(yè)部門一起通力配合，以充分利用防雷技術(shù)的優(yōu)勢，大幅改善設(shè)計(jì)的可行性、適應(yīng)性、有效性，以控制線路質(zhì)量，達(dá)到防雷需要的水平。