架空輸電線路雷擊故障分析及治理方案

國網(wǎng)吉林省電力有限公司超高壓公司 郝高磊

現(xiàn)階段電力行業(yè)已經(jīng)形成了比較完善的雷擊故障防控技術(shù)體系，常用的技術(shù)手段有架設(shè)避雷線、降低桿塔接地電阻值、實施差異化防雷等若干種。在實際應(yīng)用中，需要結(jié)合架空輸電線路的運行特點，總結(jié)以往發(fā)生雷擊故障的具體原因，在明確雷電防護存在問題的基礎(chǔ)上，制定具有針對性的雷擊故障防治措施，從而有效減少雷害事故發(fā)生，保障架空輸電線路的安全運行。

1 某220kV架空輸電線路雷擊故障分析

1.1 線路基本信息

某220kV輸電線路于2014年11月份投入運行，線路總長度16.54km，桿塔數(shù)量60座，輸電線路導線統(tǒng)一使用2×LGJ-400/50鋼鋁芯絞線。其中，1-25#桿塔所用避雷線為OPGW-B1/35型，26-60#桿塔所用避雷線為OPGW-B1/107型。相鄰桿塔的間隔距離設(shè)置較為合理；故障點查詢。2020年7月12日14時22分，該220kV輸電線路出現(xiàn)差動保護動作跳閘，線路C相故障，重合成功。安排技術(shù)人員對故障發(fā)生位置進行現(xiàn)場檢查后，確認39#桿塔C相絕緣子均壓環(huán)燒毀，并且在下均壓環(huán)處有明顯的放電燒灼痕跡。39#桿塔采用的是220kV貓頭直線桿塔，桿塔型號為ZM6-23.6，設(shè)有2根高度為31.8m的避雷線，避雷線保護角為12°[1]。

1.2 雷電強度

結(jié)合省雷電定位系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，在2020年7月12日14時20-22分，以39#桿塔為中心，周圍500m范圍內(nèi)共出現(xiàn)6次落雷，其中最小雷電流幅值為-14.8kA，最大雷電流幅值為-48.0kA，歷次落雷的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 220kV輸電線路雷電定位數(shù)據(jù)

1.3 線路各指標情況

技術(shù)人員對故障區(qū)域開展現(xiàn)場測量，主要獲取接地電阻、避雷線保護角、桿塔絕緣水平等指標信息。測量結(jié)果如下：39#桿塔在故障發(fā)生后接地電阻的阻值為5.2Ω，符合《110（66）kV及以上輸電線路差異化防雷改造指導原則》（以下簡稱《指導原則》）中的要求[2]；39#桿塔為ZM6-23.6型貓頭塔，桿塔呼高為23.6m，防雷保護角12°。而《指導原則》中規(guī)定220kV輸電線路桿塔防雷保護角＜10°，故39#桿塔的避雷線保護角超出要求；39#桿塔使用了FXBW4-220/70懸垂單串絕緣子，設(shè)計絕緣水平為-100kA，而本次雷擊故障中的雷電定位數(shù)據(jù)中，最大雷電流幅值為-48.0kA，故排除桿塔絕緣不足引起的跳閘故障。

1.4 雷擊跳閘原因

綜合上述分析，該220kV架空輸電線路中39#桿塔發(fā)生雷擊跳閘故障，其原因是避雷線保護角偏大，導致絕緣擊穿繼而發(fā)生跳閘。

2 針對220kV架空輸電線路的雷擊治理方案

2.1 降低接地電阻

對于220kV架空輸電線路來說，通過適當降低桿塔接地電阻值，能夠明顯增強桿塔的耐雷水平，從而達到降低雷擊故障發(fā)生概率的目的。而試驗研究也表明，在相同絕緣水平下，接地電阻越小桿塔雷擊跳閘率越低。目前常用的新型降阻技術(shù)主要有兩種，即使用空腹注水式接地裝置和采用爆破接地技術(shù)。

空腹注水式接地裝置。由2個鋼質(zhì)半圓筒組裝形成，同時為降低裝置的電阻值和提高防腐蝕效果，在內(nèi)外表面均做熱鍍鋅處理。裝置分為上下兩部分，上部裝入天然水、下部裝入吸水黏土。從裝置的下放引出一條接地線，與附近桿塔水平接地網(wǎng)連通（圖1）。該裝置在一些土壤電阻率較高的山區(qū)、丘陵地帶有著較好的降阻效果。同時由于裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，因此使用成本不高，前期安裝及后期維護也比較方便，可配合常規(guī)的降阻措施共同使用，進一步提高架空輸電線路的綜合防雷水平。

圖1 塔頭側(cè)向避雷針結(jié)構(gòu)圖

爆破接地。也是近幾年出現(xiàn)的一種降阻新技術(shù)，主要適用于電阻率高且常規(guī)降阻難度大的高山巖石地區(qū)。其操作方式為：首先進行降阻地區(qū)的巖土勘測，了解地質(zhì)環(huán)境、土壤狀況，然后利用鉆機向下鉆孔。當孔洞達到合適的深度后，向鉆孔內(nèi)放置一個接地電極。由下到上安裝若干炸藥，起爆之后在巖層間出現(xiàn)若干縫隙。再使用壓力設(shè)備將填充劑、降阻劑灌注到鉆孔中，在壓力作用下化學藥劑滲透到巖石縫隙中，從而以爆破孔為中心，使周邊大范圍內(nèi)的土壤電阻率都可以得到明顯降低。同樣的，爆破接地技術(shù)也可配合其他常規(guī)降阻措施達到提高架空輸電線路綜合防雷水平的效果。需注意，在選擇降阻劑、填充劑時應(yīng)優(yōu)先考慮電阻率低、不易流失、對接地電極無腐蝕作用的產(chǎn)品。

2.2 優(yōu)化桿塔的絕緣配置

綜合對比常用的幾種防雷改造技術(shù)，通過提高桿塔絕緣配置水平達到降低雷擊故障效果，具有操作簡單、成本較低、適用范圍廣等一系列優(yōu)勢。其操作方法是適當增加桿塔上絕緣子串數(shù)量，以此來提升桿塔的耐雷水平；同時，隨著絕緣子串長度的增加，線路保護角也隨之減小，也在一定程度上降低了架空輸電線路的雷擊跳閘率。尤其是在一些雷電活動頻繁的區(qū)域或一些重要輸電線路處，該方式的應(yīng)用效果良好。在6片、8片和10片絕緣子的三種絕緣水平下，5種接地電阻對應(yīng)的雷擊跳閘率如表2所示。

表2 不同接地電子下絕緣子對桿塔雷擊跳閘率的影響

結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知，當桿塔上有6片絕緣子時接地電阻為10Ω，桿塔雷擊跳閘率為0.538%；而接地電阻為30Ω時，桿塔雷擊跳閘率則達到了2.171%，增長了近4倍。在8片、10片絕緣子的情況下，也遵循同樣的規(guī)律。另外，對于不同的地質(zhì)條件，由于土壤電阻率存在較大差異，因此在架設(shè)220kV架空輸電線路的桿塔時，對接地電阻值也有不同的要求。參考相關(guān)規(guī)定，在平原、低矮丘陵等土壤電阻率較低的地區(qū)桿塔的接地電阻值應(yīng)≤10Ω；在山區(qū)等土壤電阻率較高的地區(qū)桿塔的接地電阻值應(yīng)≤20Ω。

2.3 減小避雷線保護角

通常情況下避雷線的保護角≤25°，原則上來說保護角越小越好。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對于220～330kV的輸電線路，保護角宜控制在20～30°。對于已經(jīng)投入運行的220kV輸電線路，如果因為設(shè)計、安裝等方面的原因保護角超過30°的，一種方法是改造桿塔結(jié)構(gòu)，以降低避雷線與導線的夾角[3]。但是其弊端較多，例如成本高、改造時間長等；另一種比較常用的方法是保證線路對地距離維持在標準范圍之內(nèi)的前提下增加絕緣子串的數(shù)量，或者增加絕緣子串的長度，一來是增大爬電距離、二來是減小了保護角。這種方法操作方便、成本較低，適用于新建或在建線路。

2.4 安裝避雷針

在220kV架空輸電線路上安裝避雷針是降低雷擊故障的一種有效方法。另外，安裝不同數(shù)量的避雷器，其防雷保護效果也不盡相同。在桿塔接地電阻值相同的情況下，安裝避雷器后，桿塔雷擊跳閘率要明顯降低；兩邊相裝設(shè)避雷器，其防雷保護效果要優(yōu)于一邊相裝設(shè)避雷器，具體情況如表3所示。

表3 不同接地電子下避雷器對桿塔雷擊跳閘率的影響

結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知，在接地電阻值為10Ω的情況下，不安裝避雷器，桿塔雷擊跳閘率為0.538%；一邊相裝設(shè)避雷器后，雷擊跳閘率降低為0.226%；兩邊相裝設(shè)避雷器，雷擊跳閘率降低為0.147%。對比來看，220kV架空輸電線路宜在桿塔兩邊相都裝設(shè)避雷器，可以達到更好的防雷保護效果。除此之外，使用不同結(jié)構(gòu)形式的避雷針，其防雷保護效果也有差異。目前220kV輸電線路上比較常用的避雷針有兩種類型，其結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用特點如下：

塔頭側(cè)向避雷針。核心組成包括均壓球、引雷針尖、安裝翼等（圖2）。其保護原理為：將該裝置安裝在桿塔橫擔的一側(cè)，提高桿塔對雷的吸引能力，從而保護桿塔的塔頭部分不會被雷電損害，主要發(fā)揮“引雷”的作用[4]。塔頭側(cè)向避雷針的應(yīng)用優(yōu)勢在于安裝方便，且成本較低，在接地狀況較好的桿塔上可應(yīng)用；可控放電避雷針。其核心組成包括主針、動態(tài)環(huán)、儲能裝置等（圖3），其保護原理為：將該裝置安裝在桿塔的塔頂，當周圍空間電場強度較低時空氣未被擊穿，此時裝置底部的儲能裝置開始儲存空間電場能。當發(fā)生雷擊后，儲能裝置會釋放出與雷云電荷相反的、自下而上的帶電粒子流，從而起到了攔截雷電、防止雷擊破壞的效果[5]。可控放電避雷針的應(yīng)用優(yōu)勢在于使用成本低、后期維護方便。

圖2 可控放電避雷針結(jié)構(gòu)圖

2.5 架設(shè)耦合地線

也是一種常用的防雷擊措施，多用于低矮丘陵和平原地區(qū)的架空輸電線路。在導向的下方增加一條耦合地線，利用地線與導線間的耦合作用，一方面可顯著增強架空輸電電路的反擊耐雷水平，另一方面也能發(fā)揮提升導向屏蔽作用的效果，有助于預(yù)防雷電從側(cè)面繞機導線。從實際應(yīng)用效果來看，架設(shè)耦合地線對于降低110～220kV線路的雷擊事故概率有顯著效果。在應(yīng)用這一方法時，也要注意考慮施工區(qū)域地形地貌等客觀因素的限制。由于架設(shè)耦合地線須重新設(shè)計桿塔的高度，如果是山區(qū)陡峭地形會增加施工難度和施工成本。因此，要提前開展現(xiàn)場調(diào)研并開展經(jīng)濟技術(shù)對比驗證后，再決定是否采用該方法。

綜上，提高架空輸電線路的防雷、耐雷水平，對保障線路穩(wěn)定運行，維護電力用戶和供電企業(yè)雙方利益有積極幫助。實踐表明，降低接地電阻、減小避雷線保護角，以及使用塔頭側(cè)向避雷針、可控放電避雷針等，均可取得理想的防雷保護效果，從而保障了輸電線路的可靠和安全運行。