架空輸電線路雷電防護
摘要：架空輸電線路防雷是電力系統(tǒng)防雷工作的重要方面，常用的防雷措施有：架設避雷線、降低桿塔接地電阻、架設耦合地線、加強線路絕緣、采用不平衡絕緣方式、安裝線路避雷器等。真正解決線路的雷電防護問題，還要從實際出發(fā)，因地制宜，綜合治理，采取切實可行的方法，才能達到預期目的。
關鍵詞：跳閘率;耦合地線;絕緣方式;耐雷水平
The overhead transmission lines and lightning protection
SunZongYi
(Meteorology Bureau of Pingyi City 273300,China)
Abstract：the overhead transmission lines is lightning protection power system of the most important aspects of the lightning protection work, the commonly used lightning protection measures are: set up BiLeiXian, reduce the tower grounding resistance and laying coupling, and strengthening the line insulation wire, using the unbalanced insulation way, installation line lightning arrester, etc. Really solve the lines and lightning protection problems, but also from the reality, adjust measures to local conditions, the comprehensive management, take practical and feasible method, can achieve the desired result.
Key words: trip rate; Coupling ground; Insulation way; Lightning
中圖分類號 :U463.62 文獻標識碼： A 文章編號：
引言：架空輸電線路是輸電網(wǎng)及電力系統(tǒng)的重要組成部分。由于它暴露在自然之中，故極易受到外界的影響和損害，最主要一個方面就是雷擊。電網(wǎng)中事故以輸電線路故障占大部分，輸電線路故障又以雷擊跳閘占的比重最大。據(jù)運行記錄，架空輸電線路供電故障一半以上是由雷電引起的，所以防止雷擊跳閘可大大降低輸電線路故障，進而降低電網(wǎng)中事故的發(fā)生頻率。有的架空線路雖裝設了避雷線，但還是遭受雷擊，產(chǎn)生供電故障，所以輸電線路的防雷一般情況下要根據(jù)據(jù)具體情況選擇一套完善的防雷措施，進行綜合治理。經(jīng)多年探索，目前輸電線路防雷基本形成了一系列行之有效的常規(guī)防雷方法。
1、 架空輸電線路的基本組成
架空輸電線路由導線、避雷線、桿塔、絕緣子串和金具等主要元件組成。導線用來傳導電流，輸送電能;避雷線是把雷電流引入大地，以保護線路絕緣免遭大氣過電壓的破壞;桿塔用來支撐導線和避雷線，并使導線與導線間，導線與避雷線間，導線和桿塔間，導線和避雷線間，以及導線和大地、公路、鐵軌 、水面 、 通信線等被跨越物之間，保持一定的安[1]全距離;絕緣子用來使導線和桿塔之間保持絕緣狀態(tài);金具是用來連接導線或避雷線，將導線固定在絕緣子上，以及將絕緣子固定在桿塔上的金屬元件。
2、雷電對架空輸電線路的危害形式
架空輸電線路雷害事故的形成，通常要經(jīng)歷四個階段：輸電線路受到雷電過電壓的作用;輸電線路發(fā)生閃絡;輸電線路從沖擊閃絡轉變?yōu)榉�(wěn)定的工頻電壓;線路跳閘，供電中斷。 輸電線路受到雷電過電壓包括輸電線路直擊雷過電壓和輸電線路感應過電壓。輸電線路直擊雷過電壓又包括雷擊桿塔反擊時的過電壓，雷擊導線——繞擊時的過電壓和雷擊避雷線檔距中央時的過電壓。輸電線路感應過電壓包含靜電感應和電磁感應兩個分量。
3、架空輸電線路的防雷保護措施
輸電線路防雷有四項基本原則：
(1).盡量使導線不受雷擊;
(2).雷擊之后盡量使絕緣不閃絡;
(3).閃絡之后盡量不建立穩(wěn)定的工頻電弧;
(4).工頻電弧建立之后盡量不跳閘。
雷擊最好不要跳閘，這是架空導線防雷的根本目的。電網(wǎng)中的事故以雷擊跳閘比重較大，尤其在山區(qū)的輸電線路，其故障基本由雷擊跳閘引起。
3.1架設避雷線
架設避雷線是輸電線路防雷保護的最基本和最有效的措施。避雷線的主要作用是防止雷直擊導線，同時還具有以下作用：
①分流作用，以減小流經(jīng)桿塔的雷電流，從而降低塔頂電位;
②通過對導線的耦合作用可以減小線路絕緣子的電壓;
③對導線的屏蔽作用還可以降低導線上的感應過電壓。
經(jīng)驗表明，避雷線防止雷電直擊導線的效果在平原地區(qū)是很好的，可是在山區(qū)，由于地形、地貌的影響，經(jīng)常出現(xiàn)繞擊、側擊、反擊等避雷線屏蔽失效的現(xiàn)象，本文統(tǒng)計了途徑沂蒙山區(qū)地形的部分線路跳閘故障，分析表明繞擊占了極大的比例。其中500kV 線路平均每年發(fā)生2-3 次雷擊跳閘，多則6-7次。從跳閘記錄及避雷器動作記錄顯示：山的陽面多為直擊、山的背面多為繞擊。
沂蒙山區(qū)是多雷區(qū)，也是易繞擊區(qū)，要減少繞擊率，減少保護角是最重要的措施。根據(jù)DL/T620-1997規(guī)程計算的線路雷擊跳閘率與桿塔高度、保護角、耐雷水平關系，可以推出隨著桿塔高度增高、避雷線保護角增大，線路繞擊跳閘率顯著增加;根據(jù)電氣幾何理論計算的線路最大可能繞擊電流與避雷線保護角、桿塔高度關系，可以推出對于220kV 線路，高度在35m 以下的桿塔20 度保護角的避雷線可有效防止雷電繞擊導線引起跳閘;但在桿塔高度較高或避雷線等效保護角增大的情況下，雷電確實可能繞擊導線且引起線路絕緣閃絡。
3.2降低桿塔接地電阻
輸電線路受到雷擊如果不能及時泄流就會造成線路跳閘停電事故，而輸電線路桿塔接地裝置是雷電流泄流的主要方式。所以輸電線路桿塔接地對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要，降低桿塔接地電阻是提高線路耐雷水平減少線路雷擊跳閘率的主要措施。
桿塔接地電阻是影響塔頂電位的重要參數(shù),對于一般高度的桿塔,當桿塔型號、尺寸與絕緣子型號和數(shù)量確定后，降低桿塔接地電阻對提高架空送電線路耐雷水平、減少反擊概率是非常有效的。當桿塔型式、尺寸和絕緣子型式、數(shù)量確
定后，影響線路反擊耐雷水平的主要因素則是桿塔接地電阻的阻值。
3.3避雷線有效跳通，提高泄流能力
以前沂蒙山區(qū)輸電線路一般不考慮地線載波以及電線上電能損耗，采用全線接地。因地線掛線金具與鐵塔掛線耳之間是線接觸，結果發(fā)現(xiàn)地線與鐵塔難以做到可靠接地，根據(jù)運行經(jīng)驗，發(fā)生過雷擊的鐵塔，地線掛線孔的螺栓絲扣常有燒熔現(xiàn)象。分析后認為，該點對雷電流泄流來說是一個間隙。因此我們認為耐張塔兩側地線應予以跳通，且跳通后與塔體需可靠連接。這樣，在每個耐張段內提供泄流通道，可以提高輸電線路耐雷水平。目前，沂蒙山區(qū)新設計的架空送電線路已采取這一方案。
3.4加強絕緣
由于輸電線路個別地段需采用大跨度高桿塔(如：跨河桿塔等)，這就增加了桿塔落雷的機會。高塔落雷時塔頂電位高，感應過電壓大，而且受繞擊的概率也較大。為降低線路跳閘率，可在高桿塔上增加絕緣子串片數(shù)，加大大跨越檔導線與地線之間的距離，以加強線路絕緣。
加強絕緣是提高桿塔耐雷水平的措施之一，工作中具體措施是在桿塔尺寸允許條件下每串增加1～2 片絕緣子，可以提高線路耐雷水平，但在桿塔接地電阻比較大時，效果不如改進接地電阻更為顯著。在桿塔接地電阻為正常值5～30 歐時，加強絕緣雷電反擊跳閘率可降低為原來的53.6%～70.7%，接地電阻越低，加強絕緣降低跳閘率效果越好。
3.5架設耦合地線
耦合地線是架設于輸電線路相導線下的接地導線，耦合地線的作用主要有兩個：一是增大避雷線與導線之間的耦合系數(shù)，從而養(yǎng)活絕緣子串兩端電壓的反擊和感應電壓的分量;二是增大雷擊塔頂時向相鄰桿塔分流的雷電流。計算表明，110kV 雙避雷線路，增設耦合地線后，耦合系數(shù)增大約50%。耦合地線可使桿塔雷電流分流12%～22%。
經(jīng)過對沂蒙山一帶雷害頻繁的雙回路、多回路架設的輸電線路進行架設耦合地線的工作試驗，防雷效果令人滿意。在加掛耦合地線時，還應充分考慮其弧垂對地距離及防止發(fā)生大風時導線與耦合地線碰線的短路事故。
3.6采用不平衡絕緣方式
所謂不平衡絕緣，是指同一基桿塔上三相絕緣有差異，下面兩相較之最上面一相各增加一片絕緣子，當雷擊桿塔或上導線時，由于上導線絕緣相對較“弱”而先擊穿，雷電流經(jīng)桿塔人地，避免了兩相閃絡。
同塔雙回線路架設的輸電線路電網(wǎng)普遍存在，但因導線垂直排列，桿塔較高，線路反擊耐雷水平一般比同電壓等級、導線水平排列的線路要低。國內外此種線路的運行經(jīng)驗表明，會產(chǎn)生同塔雙回線路的絕緣子相繼反擊的現(xiàn)象，從而造成雙回路同時跳閘。
根據(jù)實測的線路絕緣雷電沖擊放電電壓，對ZGU1-15 型塔采用不平衡絕緣后線路的雷擊反擊閃絡概率進行了統(tǒng)計計算，給出了具體結果表明：不平衡絕緣方式下雙回線路同時閃絡的概率較目前平衡絕緣方式下有所降低。桿塔接地電阻越小，效果越大。在同桿雙回線路的其中一回線路上增加絕緣子，確實可使雙回線路同時跳閘的概率大大降低，但無法完全消除同時跳閘事故。
3.7加裝放電間隙
為了保護變電站設備少受到雷電流的侵襲，采用在線路終端塔導線絕緣子處安裝放電間隙。經(jīng)過計算按0.75 倍絕緣子串，絕緣高度選取招弧角間隙長度，即可獲得96%以上的保護效果。則110kV絕緣子長度為1.2 米左右，放電間隙距離約為0.7米，220kV 絕緣子長度為2.3 米左右，放電間隙的距離應取1.6 米較為合適。放電間隙的安裝還可改善絕緣子串上的電壓分布，起到一定的均壓作用，提高絕緣子串的沖擊放電電壓。
3.8安裝線路避雷器
線路避雷器防雷的基本原理：當雷擊到桿塔時，塔頂電位迅速提高，其電位值為： Ut=iRd+L.di/dt
如果塔頂電位Ut與導線上的感應電位U1的差值超過絕緣子串50%的放電電壓U0，將發(fā)生由塔頂至導線的閃絡。即Ut-U1>U0，如果考慮線路工頻電壓幅值Us的影響，則為Ut-U1+Us>U0。
因此，線路的耐雷水平與三個重要因素有關：即線路絕緣子的50%放電電壓、雷電流強度和塔體的沖擊接地電阻。一般來說，線路的50%放電電壓是一定的，雷電流強度與地理位置和大氣條件相關。不加裝避雷器時，提高輸電線路耐雷水平往往是采用降低塔體的接地電阻。但在山區(qū)，降低接地電阻非常困難，這也是為什么輸電線路屢遭雷擊的原因。加裝避雷器以后，輸電線路遭受雷擊時，雷電流的分流將發(fā)生變化，一部分雷電流通過避雷線傳入相鄰桿塔，經(jīng)塔體入大地，當雷電流超過一定值后，避雷器動作加入分流，大部分的雷電流從避雷器通過導線傳播到相鄰桿塔。雷電流在流經(jīng)避雷線和導線時，由于導線間的電磁感應作用，將分別在導線和避雷線上產(chǎn)生耦合分量。因為避雷器的分流遠遠大于從避雷線中分流的雷電流，這種分流的耦合作用將使導線電位提高，使導線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡電壓，絕緣子不會發(fā)生閃絡，因此，線路避雷器具有很好的鉗電位作用，這也是線路避雷器進行防雷的明顯特點。
線路避雷器與線路絕緣子并聯(lián)。當雷擊時避雷器動作，避雷器的殘壓低于絕緣子串的50%放電電壓，即使雷擊電流增大，避雷器的殘壓僅稍有增加，絕緣子仍不致發(fā)生閃絡。雷電流過后，流過避雷器的工頻續(xù)流僅為毫安級，流過避雷器的工頻續(xù)流在第一次過零時熄滅，線路斷路器不會跳閘，系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)。
通過對于沂蒙山區(qū)桿塔對比試驗，在4個塔腳部位采用較長的輻射地線或打深井加降阻劑，以增加地線與土壤的接觸面積降低電阻率，在工頻狀態(tài)下接地電阻會有所下降。但遭受雷擊時，因接地線過長會有較大的附加電感值，雷電過電壓的暫態(tài)分量L.di/dt會加在塔體電位上，使塔頂電位大大提高，更容易造成塔體與絕緣子串的閃絡，反而使線路的耐雷水平下降。但線路避雷器具有鉗電位作用，對接地電阻要求不太嚴格，對沂蒙山區(qū)線路防雷比較容易實現(xiàn)，經(jīng)過多年研究對比知加裝避雷器對防雷效果是十分明顯的。
通過線路避雷器的選點和大量運行經(jīng)驗表明，線路遭受雷擊往往集中于線路的某些地段，稱之為選擇性雷區(qū)，或稱易擊區(qū)。而在易擊區(qū)及土壤電阻率高的沂蒙山區(qū)，使用帶外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，是技術性、經(jīng)濟性等理想的選擇。
結語：
總之，影響架空輸電線路雷擊跳閘率的因素很多，也比較復雜。解決線路的雷害問題，要從實際出發(fā)，因地制宜，綜合治理。在采取防雷改進措施之前，要做好認真地調查分析，充分了解地理、氣象及線路運行等各方面的情況，核算線路的耐雷水平，研究采用措施的可行性、工作量、難度、經(jīng)濟效益及效果等，最后來決定準備采用某一種或幾種防雷改進方案。
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孫宗義：(1962—)男，山東蒙陰人，工程師，主要從事防雷減災管理及防雷工程設計、檢測工作
