電力輸電線路的防雷擊技術(shù)分析

楊 永

（國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132000）

0 引 言

近年來，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。由電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院發(fā)布的《中國(guó)電力發(fā)展報(bào)告2023》可知，2022年我國(guó)用電結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，供需基本平衡。在電力輸送線路規(guī)模不斷擴(kuò)大的過程中，線路運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)增加，如雷擊風(fēng)險(xiǎn)。雷擊不僅會(huì)導(dǎo)致電力輸電線路損壞，而且會(huì)以雷電波的形式侵入變電站，破壞電力設(shè)備絕緣，影響整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。因此，分析電力輸電線路的防雷擊技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電力輸電線路的雷擊及防控過程

雷擊電力輸電線路時(shí)，因帶電云層放電初始電位較高，易擊穿空氣產(chǎn)生先導(dǎo)通道。此時(shí)，雷云放電可視為一個(gè)電流源，其傳輸通道存在穩(wěn)定波阻抗[1]。電力輸電線路雷擊防控是指控制電力輸電線路遭受雷擊時(shí)絕緣子不閃絡(luò)，即便絕緣子閃絡(luò)，但在沖擊閃絡(luò)時(shí)間較短情況下，線路不會(huì)跳閘。可見，絕緣子閃絡(luò)和沖擊閃絡(luò)時(shí)長(zhǎng)是電力輸電線路雷擊防控的主要對(duì)象[2]。

2 電力輸電線路的防雷擊技術(shù)

2.1 接地技術(shù)

接地技術(shù)是電力輸電線路防雷擊的主要技術(shù)，需要在電力輸電線路的給定點(diǎn)與局部地之間做電連接，或者在與大地存在電接觸的部分埋入特定導(dǎo)電介質(zhì)作為接地極[3]。接地極可選擇金屬接地極，也可選擇石墨接地極，其中石墨接地極是一種新型接地極，兼具價(jià)格低、耐高溫、導(dǎo)電性佳、電流分布均勻、趨膚效應(yīng)小以及耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)良特點(diǎn)。一般輸電線路接地裝置可選擇Φ20 mm石墨纜，水平開挖寬300 mm以上溝槽，在溝槽底部布設(shè)石墨。接地石墨體搭接長(zhǎng)度超出200 mm，需要借助專用石墨線牢固綁扎。埋入石墨體后，分層回填素土并夯實(shí)。

電力輸電線路接地電阻對(duì)桿塔上端電位具有直接影響。減小接地電阻值是控制桿塔頂端電位和降低輸電線路雷擊跳閘率的有效手段。根據(jù)土壤電阻率、設(shè)計(jì)實(shí)施方案、運(yùn)維操作等，相關(guān)人員應(yīng)在嚴(yán)密觀測(cè)桿塔所在地土壤電阻率的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)接地方案，并以地閃密度大量發(fā)生為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接地電阻測(cè)量，形成動(dòng)態(tài)接地電阻測(cè)量處理臺(tái)賬，為降低接地電阻方案的制定提供依據(jù)。例如：動(dòng)態(tài)接地電阻顯示區(qū)域輸電線路桿塔接地體化學(xué)電阻較大，可選擇減阻器，減少桿塔周邊土壤電阻；而在動(dòng)態(tài)接地電阻測(cè)量臺(tái)賬顯示區(qū)域輸電線路桿塔接地體物理電阻較大時(shí)，可選擇深埋接地體或者更換新接地體的方式。

2.2 避雷技術(shù)

2.2.1 避雷線技術(shù)

桿塔避雷線保護(hù)是降低雷擊下輸電線跳閘率的有效手段。一般避雷線保護(hù)線小于20°。若為同桿并架輸電線路，則需控制避雷線保護(hù)角在0°及以下（負(fù)度數(shù)）；若位于山麓地帶，應(yīng)考慮地形增加線路保護(hù)角的因素，將避雷線保護(hù)角降低至-5°。根據(jù)電壓等級(jí)的差異，還需適當(dāng)調(diào)整桿塔避雷線保護(hù)角，具體如表1所示。

表1 不同電壓等級(jí)桿塔保護(hù)角 單位：°

2.2.2 避雷器與避雷針技術(shù)

在全線架設(shè)避雷線并無法真正避免電力輸電線雷擊過電壓現(xiàn)象。線路型避雷器是一種補(bǔ)充方法，負(fù)責(zé)將雷擊產(chǎn)生過電壓釋放到大地，限制電壓上升，保障電力輸電線路安全[4]。線路避雷器主要是在電力輸電線路絕緣子兩端加裝避雷器，以便向?qū)Ь€傳導(dǎo)大部分雷電電流，并向相鄰塔內(nèi)流入。此時(shí)，在電力輸電線路絕緣子遭受雷擊時(shí)，僅有少部分流入大地，絕緣子閃絡(luò)電壓超出電力輸電線路桿塔上端導(dǎo)線間電位差，從源頭控制絕緣子閃絡(luò)，避免安裝塔雷電跳閘。在相鄰連續(xù)輸電線路基礎(chǔ)桿塔一定的情況下，相關(guān)人員可以選擇加裝三相避雷器、分相加裝避雷器以及分多基桿塔加裝避雷器等。對(duì)于個(gè)別易受雷擊桿塔，相關(guān)人員可以在任意兩相對(duì)一基、連續(xù)三基桿塔安裝避雷器。根據(jù)地形差異，線路避雷器安裝位置具有一定差異。常規(guī)地貌下，優(yōu)先在上相、中相安裝避雷器。避雷器主要安裝在雷電易損線外側(cè)，并在另外一側(cè)增設(shè)2個(gè)絕緣子?？缭礁咚佟⒅匾旊娋€路桿塔且接地電阻超出15 Ω時(shí)，全部加裝避雷器。平原地區(qū)，優(yōu)先在中相安裝避雷器。橫跨山谷、河流的桿塔，優(yōu)先在中相、下相安裝間隙氧化鋅材質(zhì)避雷器，并設(shè)置避雷針、旁路屏蔽站。處于斜坡、山脊線的桿塔，在中相（山坡傾斜度小于28°）或下相（山坡傾斜度大于28°）安裝避雷器。

安裝避雷針是一種有效的防雷擊方法，主要是在高壓電力輸電線路的不同部位架設(shè)多類型避雷針。一般需要將可控放電避雷針安裝到高壓輸電線路塔頂，借助避雷針吸引直擊雷，抑制雷電繞擊高壓輸電現(xiàn)象的發(fā)生。將防繞擊避雷短針安裝到地線上，重點(diǎn)防控距離（20±10）m雷電繞擊危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的累計(jì)危害。在地線上架設(shè)避雷針且側(cè)向斷針長(zhǎng)度超出臨界電暈半徑的情況下，可在側(cè)向斷針位置出現(xiàn)上行先導(dǎo)通道，增強(qiáng)地線引雷能力，從而實(shí)現(xiàn)在發(fā)生雷擊前的提前攔截。

在安裝避雷針或避雷器時(shí)應(yīng)可靠接地，確保相關(guān)雷電保護(hù)裝置順利向大地泄放電流。

2.3 疏導(dǎo)型防雷技術(shù)

疏導(dǎo)型防雷技術(shù)屬于差異化防雷，即人為對(duì)同塔雙回兩側(cè)線路絕緣強(qiáng)度進(jìn)行干預(yù)，差異化調(diào)節(jié)兩側(cè)輸電線路防雷擊水平。在桿塔遇到雷擊時(shí)，絕緣強(qiáng)度較低的一側(cè)發(fā)揮引雷作用，保護(hù)高絕緣強(qiáng)度線路不遭受累積故障，降低同塔雙回線路同跳閘概率。并聯(lián)間隙是疏導(dǎo)型防雷手段之一。根據(jù)疏導(dǎo)工頻電弧、接閃雷電要求，它可以將并聯(lián)間隙設(shè)備并聯(lián)安裝在電力輸電線路絕緣子上，允許電力輸電線路具有較低的雷擊跳閘概率，結(jié)合線路重合閘裝置的運(yùn)行，有效控制雷擊閃絡(luò)時(shí)永久性線路故障。一般并聯(lián)間隙設(shè)備可以加裝到邊相（絕緣子外側(cè)），與導(dǎo)通方向成90°。對(duì)于非邊相，則從電極端部出發(fā)，順著電力輸電線路兩端進(jìn)行并聯(lián)間隙設(shè)備安裝。同桿并架的耐張塔，僅需在上相加裝。對(duì)于耐張絕緣子串，需要在絕緣子串上端加裝并聯(lián)間隙電極，穩(wěn)固接地側(cè)間隙電極，充分發(fā)揮接地側(cè)放電引弧作用。對(duì)于轉(zhuǎn)角塔的耐張串，需要在兩端加裝并聯(lián)間隙電極。若塔頭空氣間隙超出絕緣子串絕緣距離，則將V型串視為懸垂串，在其中一串前后側(cè)各安裝一對(duì)間隙電極，滿足基準(zhǔn)絕緣子串長(zhǎng)空氣間隙85%±2.4%的要求。

2.4 不平衡絕緣技術(shù)

不平衡絕緣配合設(shè)計(jì)歸屬于差異化防雷，適用于輸電線路走廊受限、同桿雙回架設(shè)（兩回垂直排列）較多、桿塔高度超出單回路塔高度的線路，可以解決電力輸電線路桿塔、檔距中央放電途徑絕緣選擇與配合問題[5]。常見的不平衡絕緣配合技術(shù)包括桿塔絕緣配合、檔距中央導(dǎo)線對(duì)地和各種被跨越物的絕緣配合、檔距中央導(dǎo)線及避雷線絕緣配合、檔距中央不同導(dǎo)線之間絕緣配合等。在不平衡絕緣配合設(shè)計(jì)時(shí)，需合理選擇絕緣串片數(shù)量。同一電壓等級(jí)，耐張絕緣子串應(yīng)超出懸垂絕緣子1～2片。在絕緣串片數(shù)量一定的情況下，應(yīng)根據(jù)絕緣子參數(shù)和不同絕緣子作用，恰當(dāng)選擇安裝參數(shù)。例如，F(xiàn)XBW4-220復(fù)合絕緣子盤徑（148 mm）小于XWP-70盤型懸式瓷絕緣子（18片）的盤徑（255 mm），在相同環(huán)境下，F(xiàn)XBW4-220復(fù)合絕緣子絕緣能力更弱，需加裝均勻壓環(huán)，或者將高壓易發(fā)生雷擊過電壓故障桿塔復(fù)合絕緣子更換為4～5片或7～8片玻璃型絕緣子，并在玻璃型絕緣子表面噴涂防閃污涂料如持久性就地成型防污閃復(fù)合涂料，提高絕緣性能。

2.5 全自動(dòng)實(shí)時(shí)雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)

電力輸電線路雷擊過電壓事故多集中在固定區(qū)域。有效掌握相關(guān)區(qū)域位置，是雷擊針對(duì)性防控的關(guān)鍵。全自動(dòng)實(shí)時(shí)雷擊監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種新型防雷技術(shù)，可以全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)閃絡(luò)回?fù)糨椛渎?、光、電磁特性，提高某一區(qū)域年雷電現(xiàn)象發(fā)生具體位置定位精度[6]。相關(guān)人員可以在電路輸電線路重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用全自動(dòng)實(shí)時(shí)雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)，統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域落雷密度、雷電流強(qiáng)度，并在后臺(tái)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)指定區(qū)域年、月、日雷電活動(dòng)情況以及當(dāng)日雷電流平均幅度、落雷個(gè)數(shù)，直觀展現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)線路所在區(qū)域的雷電活動(dòng)規(guī)律，為線路防雷改造提供依據(jù)。在全自動(dòng)實(shí)時(shí)雷擊監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員可以經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)集成歷史雷電信息、輸電線路全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）坐標(biāo)、雷電故障基礎(chǔ)信息、雷擊閃絡(luò)算法，借助大數(shù)據(jù)挖掘內(nèi)部信息，助力輸電線路防雷擊決策，包括防雷擊設(shè)施選配、絕緣配置、雷擊故障點(diǎn)桿位判斷以及輸電線路路徑規(guī)劃等。輸電線路防雷擊決策系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 輸電線路防雷擊決策系統(tǒng)

根據(jù)圖1，可以將選配配電線路干線、分支線各桿塔的GPS坐標(biāo)導(dǎo)入雷電定位系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)端可視化展現(xiàn)不同時(shí)間段線路1 km范圍內(nèi)的雷電流強(qiáng)度和落雷密度[7]。這些數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)端自帶統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，結(jié)合雷擊方位、雷擊電流幅值等隨機(jī)變量，計(jì)算雷擊閃絡(luò)概率，為輸電線路防雷擊決策提供支持，計(jì)算公式為：

式中：P為引起輸電線路絕緣子閃絡(luò)的概率，%；I為引起輸電線路絕緣子閃絡(luò)的雷電電流，A；h為導(dǎo)線垂直方向至最大距離段落長(zhǎng)，取值88 m。

3 結(jié) 論

防雷擊是電力線路安全運(yùn)行的保障。在應(yīng)用防雷擊技術(shù)前，電力輸電線路運(yùn)維人員需要綜合考慮線路電壓、負(fù)荷性質(zhì)、運(yùn)行方式、地區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)弱、土壤電阻率高低、地形地貌特點(diǎn)以及當(dāng)?shù)匾延芯€路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等，選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)類型，如接地技術(shù)、避雷器技術(shù)、不平衡絕緣技術(shù)等。在確定防雷擊技術(shù)后，運(yùn)維人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙科學(xué)操作，充分發(fā)揮防雷擊技術(shù)優(yōu)勢(shì)，降低雷電對(duì)電力輸電線路的危害。