（清遠(yuǎn)供電局）

高壓輸電線路綜合防雷措施的研究與應(yīng)用

黃偉忠

（清遠(yuǎn)供電局）

為了有效降低輸電線路雷擊跳閘率，提高高壓輸電線路的防雷水平。本文對雷擊電電壓和雷擊電流的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行闡釋，分析了高壓輸電線路防雷水平的影響因素。如桿塔接地電阻、線路檔距、桿塔波阻抗等，并逐一對原理及作用進(jìn)行分析介紹。在線路防雷的設(shè)計過程中通過對具體的地區(qū)雷電情況進(jìn)行分析，采用合理的防雷手段，對于系統(tǒng)整個輸電線路的防雷水平具有很大提高，并對于減少雷電對電網(wǎng)安全運(yùn)行的具有重要作用。

高壓；輸電；防雷；耐雷水平

0 引言

高壓輸電線路是電力能源傳輸?shù)拿浇?，它是電網(wǎng)安全運(yùn)行與分配的重要組成部分，輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行對于電力系統(tǒng)至關(guān)重要[1]。如果輸電線路的電壓等級提高，對應(yīng)的塔桿高度和線路尺寸逐步增加，使得輸電線路越來越容易受到自然災(zāi)害的影響，尤其是雷擊現(xiàn)象。在我國因雷擊導(dǎo)致的線路跳閘占比為35%以上，在日本為50%以上，美國和俄羅斯均達(dá)到60%。因此如何防范雷擊對輸電線路的影響對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 雷擊放電過程

1.1 放電原理

帶電荷的雷云是造成雷擊放電的主要因素。雷云是由強(qiáng)大的潮熱氣流上升到稀薄的大氣層冷凝形成的。當(dāng)穿越云層時，水滴被撞擊分裂，其中分裂出的水沫帶負(fù)電，質(zhì)量較輕，上升至云層上端形成帶負(fù)電的雷云。其余的水滴帶正電，凝聚成雨。雷云會在地面上感應(yīng)出大量的正電荷，產(chǎn)生強(qiáng)大的電場，電廠內(nèi)部的電位差較大時可以達(dá)到幾十兆伏[2]。若帶有強(qiáng)大場強(qiáng)的雷云繼續(xù)擴(kuò)大運(yùn)動，當(dāng)雷云覆蓋區(qū)域內(nèi)的空間電場強(qiáng)度大于常規(guī)情況下大氣游離放電的臨界電場強(qiáng)度值時，就在云間產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電。最大可產(chǎn)生幾百千安的瞬間電流，并伴隨著強(qiáng)烈的光合熱，形成閃電雷鳴。

1.2 雷電壓和雷電流的形成

雷電現(xiàn)象可看成是瞬時電流沿空氣中游離的導(dǎo)電分子通道進(jìn)入雷擊高電勢點(diǎn)。若雷電擊中高壓導(dǎo)線，將在導(dǎo)線上沿導(dǎo)線前后兩路前進(jìn)，并在導(dǎo)線中產(chǎn)生電壓行波，示意圖如圖1所示。

圖1 雷擊電線示意圖

電壓行波u和電流行波i的比值為z=u/i通道的波阻抗，一般情況下，取值為300Ω。若雷電擊中高壓線路支撐的塔桿底部，因選用的塔腳底部接地電阻較小，在地面會出現(xiàn)雷電反射現(xiàn)象，該反射過程不會產(chǎn)生對地電壓，此時線路塔頂電位為零。在被擊線路中電壓行波的運(yùn)動中會產(chǎn)生對應(yīng)的電流行波，在某一段線路上，雷擊電壓會產(chǎn)生一個正向電流，并向相反方向產(chǎn)生一個負(fù)向電流，對于線路來說，其承載了相應(yīng)的兩倍正電流和值。因此對于高壓線路，此時雷擊產(chǎn)生的入侵電壓消失了，但是對應(yīng)的入侵電流值卻增加了1倍。由于電阻不會為零，因此會產(chǎn)生壓降，這就使得避雷線對地產(chǎn)生了一個電位ut，并伴隨電流行波i=ut/Z，所以測得的線路雷擊電流為Im=2I。

1.3 瓷絕緣子擊穿原理

瓷絕緣子被雷擊穿的現(xiàn)象為：當(dāng)某段高壓輸電線路被雷擊后，對應(yīng)輸電線路會生成一定強(qiáng)度的沖擊波，并引起雷擊線路附近場強(qiáng)值瞬間增大，導(dǎo)致高壓線路的電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)積累的數(shù)量和運(yùn)動的速度迅速增大；若到達(dá)瓷絕緣子對應(yīng)參數(shù)的臨界值時，瓷絕緣子將失去絕緣性能，在瓷絕緣子內(nèi)部形成導(dǎo)電通路[3]。瓷絕緣子雷電擊穿包括直接擊穿和間接擊穿兩種類型，上述過程可歸為直接擊穿。間接擊穿是指線路雖然承受了一定程度的雷電流，并損壞了線路中某些電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，但并未形成足夠的擊穿電流產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。且間接擊穿只是降低了瓷絕緣子的絕緣值，并不會立刻引起高壓線路跳閘，而是降低了設(shè)備的絕緣值，為今后埋下事故隱患。此種間接擊穿更應(yīng)該受到重視。

2 提高輸電線路防雷水平措施

為了降低和預(yù)防雷電的危害，可以采取一系列的防雷措施。針對具體的輸電線路，選擇合理的布線方式，架設(shè)避雷線，減少地線保護(hù)角等，來降低輸電線路的雷擊跳閘率。

2.1 防雷影響因素

2.1.1 塔桿接地電阻

接地電阻決定了當(dāng)受到雷電電擊時的雷電沖擊電位高低。接地電阻越低，雷電沖擊電位低，雷擊對線路的影響較小。耐雷水平與接地電阻的關(guān)系如圖2所示。

圖2 耐雷水平與接地電阻的關(guān)系

2.1.2 線路檔距

當(dāng)輸電線路受到雷擊時，雷電波會沿線路傳播，線路的檔距發(fā)生變化時，線路的耐雷水平也會發(fā)生變化。不考慮其他因素的情況下，逐步增大檔距，線路的耐雷水平逐步提高，最后在固定值上下波動[4]。兩者的關(guān)系如圖3所示。

圖3 耐雷水平與線路檔距的關(guān)系

2.1.3 塔桿高度

塔桿高度越高，被雷電擊中的幾率越大；另一方面，如果塔桿的高度較高，從塔頂向接地裝置傳播所需的時間較長，容易使塔頂?shù)碾娢辉龈撸斐煞磽衄F(xiàn)象，放大雷擊的危害，系統(tǒng)跳閘的幾率增高，降低線路耐雷水平。因此在條件允許的范圍內(nèi)盡量的降低塔桿高度，有利于提高線路的耐雷水平。兩者的關(guān)系如圖4所示。

圖4 耐雷水平與桿塔高度的關(guān)系

2.1.4 導(dǎo)線電壓

以傳輸電壓為500kV的線路為例，由于采用交流電進(jìn)行電能的傳輸，而交流電壓是周期性電壓，在不同時段的電壓，呈現(xiàn)出不同的耐雷水平，因此，設(shè)計防雷措施時，要注意在不同的相位角下，線路的耐雷水平是不一樣的。具體的兩者關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同時序下的耐雷水平

2.1.5 塔桿波阻抗

塔桿波特阻抗是整個線路耐雷水平的一個重要參數(shù)。以500kV的傳輸電壓舉例，塔桿波阻抗的變化與線路的耐雷水平呈正比，在其他因素不變的情況下，塔桿波阻抗變化10%，則線路的整體耐雷水平變化10%。關(guān)系如圖6所示。

圖6 耐雷水平與桿塔波阻抗的關(guān)系

2.1.6 避雷器

安裝避雷器的線路輸電示意圖如圖7所示。當(dāng)不安裝避雷器時，高壓線路遭受雷擊時，產(chǎn)生的雷電流部分可通過設(shè)置的避雷導(dǎo)線流向相鄰未遭受雷擊的輸電桿塔，其余部分通過該塔桿引入大地，若塔頂與輸電線路間的電位差大于設(shè)定的閃爍電壓值時，桿塔上的絕緣子閃爍[5]。當(dāng)加裝避雷器之后，受到雷擊后的雷電流去向發(fā)生了變化。如圖所示，當(dāng)雷電流較小時，仍然按之前的分流方向流。若線路中的雷電流達(dá)到一定臨界值時，避雷器發(fā)生動作進(jìn)行雷電流分流。實(shí)際應(yīng)用中很大程度上的雷電流均是經(jīng)避雷器分流，這樣大大降低了導(dǎo)線和塔頂之間的電位差，使絕緣子不會閃爍，絕緣性不會受到影響，線路斷路器不會跳閘，增加了線路運(yùn)行的耐雷性。

2.2 輸電防雷措施

解了輸電線路防雷的影響因素后，可根據(jù)線路具體情況結(jié)合各影響因素，設(shè)計相應(yīng)的防雷措施，一般的防雷措施有，設(shè)計安全輸電路徑、設(shè)置避雷線、降低塔桿接地電阻等方式。

2.2.1 設(shè)計安全輸電路徑

過往的經(jīng)驗(yàn)表明，輸電線路遭受雷擊的區(qū)域往往集中于某些特定的路段。因此設(shè)計線路架設(shè)路徑時，結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況合理地規(guī)避雷擊區(qū)即可。一般的雷擊區(qū)集中在山區(qū)風(fēng)口及順風(fēng)的河谷，四周為潮濕的山區(qū)，土壤電阻率有突變的地帶等處。

2.2.2 架設(shè)避雷線

圖7 安裝避雷器的線路輸電示意圖

架設(shè)避雷線是線路防雷的基本措施，輸電線路的電壓值越高，效果越好；且該方法經(jīng)濟(jì)性比較有優(yōu)勢，是線路防雷的必備措施之一。主要功能體現(xiàn)在防止雷電直接擊中輸電線路、對雷電流進(jìn)行分流、降低塔頂電位，降低導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓。

2.2.3 降低塔桿接地電阻值

降低塔桿接地電阻值對于增加線路的防雷水平也是一種行之有效的方法，一般搭配避雷線一起使用。當(dāng)輸電線路被雷擊之后，能夠大幅度降低雷電壓。輸電電壓在110～500kV的耐雷水平與塔桿接地電阻值的關(guān)系如下表所示，根據(jù)具體的需求選擇合適的阻值即可。目前常用的減低阻值的方法有：利用降阻劑，在接地極的周圍輻射降阻劑；爆破接地技術(shù)，通過爆破技術(shù)將接地裝置炸裂，然后用壓力機(jī)將低電阻材料壓入縫隙中，將整個電阻的電導(dǎo)率降下來；擴(kuò)大接地面積；外引接地，選擇地導(dǎo)電率的土壤外界一個接地。

表 輸電電壓與接地阻值的關(guān)系

3 結(jié)束語

通過對雷擊的機(jī)理進(jìn)行研究，總結(jié)和分析了影響輸電線路的各種影響因素，并給出了常用的防雷措施。架設(shè)避雷線是最常用、效果明顯且經(jīng)濟(jì)的方式。降低接地電阻對于降低雷電壓，減少沖擊波的危害，并給出不同輸電電壓最優(yōu)阻值。針對具體的情況，選擇合適的防雷措施，可以大大地減小雷擊帶來的危害，提高輸電的可靠性。

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2016-08-15）