高壓輸電線路雷電繞擊影響因素及防護(hù)技術(shù)

鴻泰電力集團(tuán)有限公司 李俊杰

1 引言

雷電繞擊是指高壓輸電線路在雷電天氣條件下，由于電磁感應(yīng)作用而產(chǎn)生的高電壓脈沖，導(dǎo)致線路、設(shè)備、絕緣子等遭受電擊、擊穿或破壞的現(xiàn)象[1]。雷電繞擊是一種高能電磁波，其特點是脈沖幅度大、頻率寬、波形復(fù)雜、能量密度高等，能夠?qū)Ω邏狠旊娋€路和周圍環(huán)境產(chǎn)生不可忽視的影響。雷電繞擊的發(fā)生與天氣條件、地形條件、輸電線路結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[2]。對高壓輸電線路雷電繞擊的影響因素進(jìn)行研究，對有效防護(hù)和避免雷電繞擊的危害具有重要的意義。

2 高壓輸電線路雷電繞擊的影響因素

高壓輸電線路雷電繞擊的發(fā)生與多種因素有關(guān)，包括地形條件、氣象條件、輸電線路結(jié)構(gòu)等。

2.1 地形條件

地形條件是影響高壓輸電線路雷電繞擊的重要因素之一。在雷電天氣下，地形的高低起伏、地形的起伏和斜度、地表覆蓋物等因素都會對雷電繞擊產(chǎn)生影響。地形的高低起伏會影響大氣電場的分布，進(jìn)而影響雷電繞擊的位置和強(qiáng)度。地表覆蓋物也會影響大氣電場的分布，從而影響雷電繞擊的強(qiáng)度和頻率。

2.2 氣象條件

氣象條件是影響高壓輸電線路雷電繞擊的另一個重要因素。氣象條件包括天氣、溫度、濕度以及降雨等因素。在雷電天氣下，空氣中的氣體會發(fā)生電離，形成電離層，進(jìn)而影響雷電繞擊的發(fā)生和強(qiáng)度。溫度、濕度等氣象因素也會影響空氣中的電離情況，從而影響雷電繞擊的發(fā)生和強(qiáng)度。

2.3 輸電線路結(jié)構(gòu)

輸電線路結(jié)構(gòu)是影響高壓輸電線路雷電繞擊的另一個重要因素[3]。輸電線路結(jié)構(gòu)包括線路高度、線路形狀、導(dǎo)線材質(zhì)等因素。在雷電天氣下，高度較高的輸電線路容易成為雷電繞擊的目標(biāo)。線路的形狀和導(dǎo)線材質(zhì)也會影響雷電繞擊的發(fā)生和強(qiáng)度。因此，對高壓輸電線路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計和改進(jìn)，可以有效地降低雷電繞擊的危害。

3 高壓輸電線路雷電繞擊的危害

3.1 直接危害

3.1.1 設(shè)備損壞

高壓輸電線路是由許多電力設(shè)備和電氣線路組成，這些設(shè)備和線路都是極其敏感和脆弱的。雷電繞擊產(chǎn)生的電磁脈沖會對這些設(shè)備和線路造成直接的破壞和損壞，導(dǎo)致設(shè)備失靈或者癱瘓。如高壓變壓器、避雷器、電纜等設(shè)備都容易受到雷電繞擊的影響，從而發(fā)生故障，甚至損毀。

3.1.2 人員傷亡

雷電繞擊產(chǎn)生的強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場會對人體造成傷害，從而導(dǎo)致人員傷亡。在高溫、潮濕的環(huán)境下，雷電繞擊更容易引起人員傷亡。在雷電天氣時，高壓輸電線路的工作人員必須采取嚴(yán)格的安全措施，避免接觸高壓電線。

3.2 間接危害

3.2.1 停電

高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，如果設(shè)備癱瘓或損壞，就會導(dǎo)致電網(wǎng)停電。停電不僅會影響社會生產(chǎn)和人民生活，還會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成極大的影響，甚至引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致更大范圍的停電。

3.2.2 環(huán)境污染

高壓輸電線路設(shè)備損壞導(dǎo)致的事故，可能會造成環(huán)境污染，如電氣設(shè)備漏油、電纜燒損等。這些污染物可能會對周圍環(huán)境和人體健康造成影響，甚至影響生態(tài)平衡。

3.2.3 經(jīng)濟(jì)損失

高壓輸電線路設(shè)備損壞導(dǎo)致的停電和事故，將給社會和企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。停電會導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)停滯，商業(yè)活動減緩，給政府和企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失。事故處理和設(shè)備維修也需要耗費巨大的資金和人力，進(jìn)一步增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

4 高壓輸電線路雷電繞擊的防護(hù)技術(shù)

4.1 接地保護(hù)技術(shù)

高壓輸電線路雷電繞擊的接地技術(shù)基于過電壓保護(hù)的原理[4]，即在遭受雷電沖擊時，通過合適的接地系統(tǒng)將雷電引入地面，以保護(hù)設(shè)備不受影響。其中負(fù)角接地和正角接地是常見的兩種接地技術(shù)。

負(fù)角接地是將支架通過接地桿與大地相連，在雷電沖擊時，雷電會沿著接地桿進(jìn)入地面，由接地桿引起地面電流，從而形成一個低阻抗的回路，將過電壓導(dǎo)向地面，可有效降低過電壓的峰值。正角接地是通過電纜連接輸電線路支架與大地，形成一定的電阻，并通過金屬氧化物避雷器等裝置實現(xiàn)引雷保護(hù)。當(dāng)線路遭受雷電沖擊時，電荷會順著接地系統(tǒng)回流到地面上，從而減少對設(shè)備的破壞。

4.1.1 適用性

高壓輸電線路雷電繞擊的接地技術(shù)適用于需要防雷的電力設(shè)施，如變電站、輸電線路、配電房等場所。在選擇接地技術(shù)時，需要考慮土質(zhì)、土壤濕度、地埋深度等因素，充分了解地質(zhì)條件和電力設(shè)備的特點，在此基礎(chǔ)上選用合適的接地方式。

4.1.2 技術(shù)特點

負(fù)角接地技術(shù)接地電阻小，空間占用少，適用于地質(zhì)條件好的地區(qū)，具有良好的過電壓保護(hù)能力，在雷暴天氣中具有優(yōu)越的防護(hù)效果。但需要挖開地面，施工難度較大。正角接地技術(shù)成本較低，安裝與維護(hù)也相對簡單，適宜用于土壤濕度較高、土壤電阻率較低的地質(zhì)條件下。但正角接地技術(shù)對于過電壓的保護(hù)能力相對較弱。

4.2 負(fù)角保護(hù)針技術(shù)

負(fù)角保護(hù)針技術(shù)是一種用于防止高壓輸電線路雷電繞擊的技術(shù)。其原理是通過在輸電線路的負(fù)角上安裝一些特殊的針狀避雷器，使得雷電在針狀避雷器上形成電暈放電，將雷電電荷引入地下，避免雷電繞擊對輸電線路和設(shè)備的損壞。增加負(fù)角保護(hù)針如圖1所示。

圖1 增加負(fù)角保護(hù)針

負(fù)角保護(hù)針技術(shù)的設(shè)備主要包括：

一是針狀避雷器。針狀避雷器是負(fù)角保護(hù)針技術(shù)的核心部件，其形狀類似于針頭，通常由導(dǎo)電材料制成。針狀避雷器通過與空氣中的電荷形成電場，將雷電電荷引向地下，從而保護(hù)輸電線路和設(shè)備免受雷電繞擊的危害。

圖2 線路安裝負(fù)角保護(hù)針后的情景

二是接地裝置。接地裝置是負(fù)角保護(hù)針技術(shù)的重要組成部分，其作用是將針狀避雷器引入的雷電電荷引入地下。接地裝置需要考慮接地電阻的大小和接地點的選擇等因素，以確保接地的有效性。

三是支撐裝置。支撐裝置是負(fù)角保護(hù)針技術(shù)的輔助裝置，其作用是將針狀避雷器安裝在輸電線路的負(fù)角上，并保持其穩(wěn)定。支撐裝置需要考慮強(qiáng)度、穩(wěn)定性等因素，以確保針狀避雷器的安全性和有效性。

4.3 絕緣保護(hù)技術(shù)

絕緣保護(hù)技術(shù)的是通過采用絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)來隔離輸電線路和設(shè)備與大氣之間的電荷，避免了雷電繞擊對輸電線路和設(shè)備的損壞。當(dāng)雷電電荷接近輸電線路和設(shè)備時，會在表面產(chǎn)生電位分布，因此可采用絕緣的方法來隔離電荷，從而降低雷擊產(chǎn)生的危害。

絕緣保護(hù)系統(tǒng)主要由絕緣材料、絕緣子以及絕緣子串等組成。絕緣材料能夠有效地隔離電荷。絕緣子是一種特殊的電氣器件，用于支持和固定輸電線路，起到絕緣保護(hù)的作用。絕緣子串是由若干個絕緣子組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，用于支撐和絕緣輸電線路。絕緣保護(hù)技術(shù)適用于高壓輸電線路和設(shè)備的防雷防靜電保護(hù)。適用范圍包括輸電塔、變電站以及電纜隧道等環(huán)境。絕緣保護(hù)技術(shù)能夠有效地隔離電荷，提高設(shè)備的抗雷電能力和可靠性。

絕緣保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計和施工必須符合相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定；絕緣材料、絕緣子和絕緣子串的選擇和使用要科學(xué)合理，以確保絕緣效果良好；絕緣保護(hù)系統(tǒng)的運行和維護(hù)必須由專業(yè)技術(shù)人員操作；定期檢查和測試絕緣保護(hù)系統(tǒng)的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題；在使用絕緣保護(hù)技術(shù)時，應(yīng)注意其對周圍環(huán)境和人員的影響，避免引發(fā)其他安全事故和環(huán)境污染。

4.4 常用的避雷裝置

避雷裝置是一種常用的高壓輸電線路雷電繞擊的防護(hù)技術(shù)。其原理是利用避雷針、避雷網(wǎng)等裝置，將雷電電荷通過導(dǎo)線或接地體引流到地下，從而避免了雷電繞擊對輸電線路和設(shè)備的損壞。避雷裝置的安裝和維護(hù)需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，以確保其安全有效。

常用保護(hù)高壓輸電線路雷電繞擊的避雷裝置主要包括：

一是避雷針。避雷針是一種傳統(tǒng)的避雷裝置，通常由雙針、單針和多針組成。在雷電天氣下，避雷針可以將大氣中的電場集中到針尖，形成電暈放電，從而達(dá)到消除雷電勢的目的。避雷針的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價格低廉，但其避雷半徑較小，只適用于小規(guī)模的避雷保護(hù)。

二是金屬氧化物避雷器。金屬氧化物避雷器是一種新型的避雷裝置，主要由氧化鋅元件和金屬外殼組成。在雷電天氣下，金屬氧化物避雷器可以吸收大氣中的雷電電荷，通過氧化鋅元件將其消散，起到保護(hù)高壓輸電線路的作用。金屬氧化物避雷器的優(yōu)點是避雷半徑大、靈敏度高、可靠性強(qiáng)，但價格較高，維護(hù)保養(yǎng)也較為復(fù)雜。

三是避雷網(wǎng)。避雷網(wǎng)是將整個高壓輸電線路覆蓋在網(wǎng)狀的金屬結(jié)構(gòu)中，從而形成一個大型的避雷系統(tǒng)。在雷電天氣下，避雷網(wǎng)可以將大氣中的雷電電荷分散到地面，保護(hù)高壓輸電線路的安全。避雷網(wǎng)的優(yōu)點是避雷半徑大、可靠性強(qiáng)、適用范圍廣，但其建設(shè)和維護(hù)成本較高，需要占用較多的土地資源。

四是絕緣子串。絕緣子串是一種特殊的避雷裝置，主要由若干個絕緣子組成。在雷電天氣下，絕緣子串可以將大氣中的雷電電荷分散到地面，從而保護(hù)高壓輸電線路的安全。絕緣子串的優(yōu)點是適用范圍廣、可靠性高、不占用土地資源，但其建設(shè)成本較高，需要考慮絕緣子的材料、數(shù)量、安裝等問題。

不同的避雷裝置在保護(hù)高壓輸電線路雷電繞擊方面各具優(yōu)缺點，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。在選擇避雷裝置時，需要考慮其避雷半徑、靈敏度、可靠性、建設(shè)和維護(hù)成本等因素，并進(jìn)行全面評估。還需要根據(jù)不同的地理環(huán)境、氣候條件、電力設(shè)備等因素進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，以保證高壓輸電線路的安全運行。

5 結(jié)語

高壓輸電線路雷電繞擊是一種常見的自然災(zāi)害，會對人們的生命和財產(chǎn)帶來巨大威脅。為了確保高壓輸電線路的安全運行，需要采用一些有效的防護(hù)屏蔽技術(shù)，在實際應(yīng)用中，選擇合適的防護(hù)屏蔽技術(shù)需要根據(jù)實際情況綜合考慮和選擇。應(yīng)該嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進(jìn)行操作，確保防護(hù)屏蔽技術(shù)的有效性和可靠性。同時，也需要加強(qiáng)監(jiān)測和維護(hù)，及時處理線路及設(shè)備的安全隱患，確保高壓輸電線路的安全運行。