高压架空输电线路防雷技术探讨

苏北海

（浏阳市株树桥水库管理局浏阳市410102）

1 线路雷击及跳闸分析

（1）据电网故障分类统计表明，在我国跳闸率较高的地区，高压线路运行的总跳闸次数中，由雷击引起的次数占50%～70%，尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输电线路引起的事故率更高。

（2）雷电对输电线路的危害。雷电对输电线路安全运行危害极大，经常造成绝缘子闪络事故，特别在山区、交通不便的地区，给巡视、查找故障增加不少困难。我区因特殊的地理位置，雷电时常伴有瞬间大风与急雨，极大的风速经常造成高大树木倒落导线上、输电线振动、横向碰击和倒杆断线的发生。如对这些现象处理不及时的话，就会造成电力事故，严重时会危机人们生命财产的安全。

（3）线路雷击跳闸的两种主要表现形式。一种是直击雷，是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万伏至几百万伏，瞬间电流可达十几万安，在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化。直击雷多为击于塔顶及塔顶四周的避雷线，一般造成该塔一相或多相瓷瓶闪络。另一种是绕击雷，是绕过避雷线击于导线上，绕击雷多发生在大跨越档和线路四周空旷地区。一般造成边相瓷瓶串闪络，该边相应该是迎着雷云走向的一侧，有时因雷电流较大，雷绕击导线后雷电流沿导线两侧传递，也会造成该档相邻的杆塔同相瓷瓶串闪络，当较大的雷电流绕击在靠一侧杆塔的导线上时，造成该塔的瓷瓶串闪络，同时由于雷电流大，在通过杆塔入地时造成塔顶电位高，同样可以引起反击，造成其它相瓷瓶闪络。

（4）线路雷击次数。对高度小于、等于20 m的线路，每年每百公里的雷击次数：

式中T——每年平均雷电日；

H——输电线路高度（m）；

R——落雷密度，为每平方公里雷电日对地落雷次数。

对20 m高线路，在每年30雷电日地区，每百公里落雷次数为9次。对于30 m高线路，

在每年30雷电日地区，每百公里落雷次数为11.7次。根据新标准，按40雷暴日计，每年每百公里落雷次数为：N=0.28（b+4 h）

式中b——架空地线间距离；

H——输电线路高度（m）。对20 m高线路，在每年40雷电日地区，每百公里落雷次数为22.4次。对30 m高线路，在每年40雷电日地区，每百公里落雷次数为33.6次。

（5）感应雷电过电压。距架空线路S>65 m处，雷云对地放电时，线路上产生的感应过电压按下式计算：Ui≈25×I.hc/S

式中Ui——雷击大地时感应过电压最大值（kV）；

Hc——导线平均高度（m）；

I——雷电流幅值（kA）；

S——雷击点与线路的距离（m）。

线路上的感应过电压为随机变量，其最大值可达（300～400）kV，一般仅对35 kV及以下线路的绝缘有一定威胁。

（6）雷击架空线路导线产生的直击雷过电压可按下式计算：Us≈100.I

式中Us——雷击点过电压最大值（kV）；

I——雷电流幅值（kA）。

雷击导线形成的过电压易导致线路绝缘闪络，架空避雷线可有效地减小雷直击导线。因雷击架空线路的塔顶及四周的避雷线形成作用于线路绝缘的反击过电压，其反击过电压与雷电参数、杆塔形式、高度和接地装置电阻值有关。运行经验证实，雷击档距中间的避雷线时，发生线路跳闸的情况是极为罕见的，可不予考虑。

（7）有避雷线的线路雷击跳闸率的确定。

●在下列情况下线路将要跳闸:

雷击杆塔顶部发生闪络并建立电弧；

雷击绕过避雷线击于导线发生闪络并建立电弧。

●耐雷水平的确定

雷绕击导线时的耐雷水平：I2=4.U50%/=U50%/100式中U50%——绝缘子串的50%冲击放电电压；

Z——雷击导线处的波阻抗约为400 Ω。

●由雷击点左右两侧导线波阻并联和雷击到波阻为Z/2的导线上其阻抗近似等于雷电通道波阻ZO时的雷电流比雷击零欧时减半而构成的。

雷绕击导线时的耐雷水平如下：

110 kV线路杆塔每串瓷瓶为7×X～4.5时耐雷水平为7 kA。

一旦有超过上述耐雷水平的雷电绕击与导线都会出现瓷瓶串闪络，跟随而来的工频续流建立电弧，造成线路跳闸。所以防止雷直击导线一般采用架设单双避雷线、架设与导线平行的耦合地线等措施。

雷击塔顶时的耐雷水平：雷击杆塔顶部时，有雷电流通过杆塔，在塔顶产生电位Utd，空中迅速变化的电磁场在导线上感应一相反符号的感应过电压Ug。

式中a——感应系数，为雷电流陡度取I/2.6；

Hd——导线平均高度。

有避雷线的杆塔，绝缘承受的电压瞬时值为：

式中K——避雷线与导线间的耦合系数。

雷击塔顶时，杆塔顶部电位最大值为：Utd=β。

将Ug、Utd代入式得出杆塔上绝缘承受的过电压最大值：Uj=β+ahd（I-K）

式中β——杆塔的分流系数，110 kV双避雷线为0.88；

Rch——杆塔冲击接地电阻；

Igt——杆塔电感，铁塔为0.5 μH/m、无拉线钢筋混凝土双杆为0.42 μH/m。

当Uj大于绝缘子串的50%冲击放电电压，将发生闪络。取Uj=U50%，可求出杆塔顶部耐雷水平：I1=U50%/（IK）β+hd/2.6。

当雷电流大于I1时，雷击杆塔顶部绝缘子将发生闪络。

从上面公式可见要提高杆塔耐雷水平，可以增加绝缘子片数U50%放电电压值；减低杆塔接地电阻。

●有避雷线线路的雷击跳闸率：

式中NL——每百公里每年线路雷击次数；

η——建弧率，η=（4.5E0.75-14）×10-2；

E——绝缘子串的平均运行电压（kV/m）；

G——击杆率，双根避雷线平原取1/6，山区取1/4；Pa——绕击率，山区线路的绕击率约为平地线路的3倍；

P1——超过雷击顶部的耐雷水平的雷电流概率；P2——超过雷绕击导线时耐雷水平的雷电流概率。

2 输电线路防雷措施

2.1 架设避雷线

架设避雷线是输电线路防雷保护的最基本和最有效的措施。避雷线的主要作用是防止雷直击导线，同时还具有以下作用：

（1）分流作用，以减小流经杆塔的雷电流，从而降低塔顶电位；

（2）通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子的电压；

（3）对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。

通常来说，线路电压愈高，采用避雷线的效果愈好，而且避雷线在线路造价中所占的比重也愈低。因此，110 kV及以上电压等级的输电线路都应全线架设避雷线。同时，为了提高避雷线对导线的屏蔽效果，减小绕击率，避雷线对边导线的保护角应做得小一些，一般采用20°～30°。220 kV及330 kV双避雷线线路应做到20°左右，500 kV及以上的超高压、特高压线路都架设双避雷线，保护角在15°左右。

2.2 安装避雷针

安装避雷针也是架空输电线路常用的一种防雷措施。但是在实际应用却存在以下问题：

（1）由于避雷针而导致雷击概率增大。

（2）保护范围小国内外不少防雷专家，对避雷针能向被保护物有多大的保护距离做了系统的研究得出的结论是：“对一根垂直避雷针无法获得十分肯定的保护区域”。英国的BS6551法规曾指出：“经验显示不能依赖避雷针提供任何保护区内的完整保护”。而德国防雷法规则有意识地不引入避雷针保护范围的概念。从避雷针因侧击雷、绕击雷，造成事故的实例来分析，其保护范围是不十分肯定的。

（3）由于避雷针的引雷作用，所以雷击次数就会提高，当雷电被吸引到针上，在强大的雷电流沿针而流入大地过程中，雷电流周围形成的磁场会产生截应过电压，它与雷电流的大小及变化速度成正比，与雷击的距离成反比。而被保护物的自然屏蔽装置对电磁感应或电磁干扰的屏蔽作用，不能达到有效屏蔽，使被保护区内的弱电设备因感应过电压而损坏。

（4）反击的危害当雷电被吸引到针上，将有数千安的高频电流通过避雷针及其接地引下线和接地装置，此时针和引线的电压很高，若针对被保护物之间的距离小于安全距离时，会由针及引下线向被保护物发生反击，损坏被保护物。我国国标规定针距被保护物的空气中距离≥5 m，针距被保护物的接地装置间的地中距离Sd≥3 m，针对这一要求，微波塔和电视发射塔的各种天线上的避雷针是难以满足规范的要求。

（5）电磁感应问题在强大的雷电流沿避雷针向下流入地中的过程中，会在周围产生强大的电磁场，它会使微波通信、计算机等设备产生误动。强大的电磁场，可以使金属开口环或打包用铁箍的接触不良处发生放电，从而引燃引爆易燃易爆物。更常见的则是引起微电子设备(通信设备，计算机设备等)的失灵与损坏。受雷击的针及引线，在高频雷电流作用下，将从接触点至地面产生一个较高的接触电压。当雷电流流入大地扩散时，在入地点沿半径各点形成不同的电位，若跨入该区域会产生很高的跨步电压。在测避雷针不适用于对弱电设备的保护，更不易用于易燃易爆品的防雷保护。因它引来强大的雷电流在接地引线断线卡处易产生火花，还会在附近的金属开口环处产生火花，从而引起事故。

2.3 加强线路绝缘

由于输电线路个别地段需采用大跨越高杆塔(如：跨河杆塔)，这就增加了杆塔落雷的机会。高塔落雷时塔顶电位高，感应过电压大，而且受绕击的概率也较大。为降低线路跳闸率，可在高杆塔上增加绝缘子串片数，加大大跨越档导线与地线之间的距离，以加强线路绝缘。在35 kV时采用差绝缘方式。

此措施适宜于中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，并且导线为三角形排列的情况。所谓差绝缘，是指同一基杆塔上三相绝缘有差异，下面两相较之最上面一相各增加一片绝缘子，当雷击杆塔或上导线时，由于上导线绝缘相对较“弱”而先击穿，雷电流经杆塔人地，避免了两相闪络。湖南郴州电业局和包头供电局在雷害严重的一些35 kV线路上应用了这一方法，收到了事故率明显下降的效果。据计算，采用差绝缘后，线路的耐雷水平可提高24%。

2.4 采用不平衡绝缘方式

在现代高压及超高压线路上，同杆架设的双回路线路日益增多，对此类线路在采用通常的防雷措施尚不能满足要求时，可考虑采用不平衡绝缘方式来降低双回路雷击同时跳闸率，以保障线路的连续供电。不平衡绝缘的原则是使双回路的绝缘子串片数有差异，这样，雷击时绝缘子串片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于地线，增加了对另一回路导线的耦合作用，提高了线路的耐雷水平使之不发生闪络，保障了另一回路的连续供电。

2.5 藕合地埋线

藕合地埋线可起两个作用：一是降低接地电阻，《电力工程高压送电线路设计手册》指出:连续伸长接地线是沿线路在地中埋设1～2根接地线，并可与下一基塔的杆塔接地装置相连，它是降低高土壤电阻率地区杆塔接地电阻的有效措施之一；二是起一部分架空地线的作用，既有避雷线的分流作用，又有避雷线的藕合作用。据有的单位的运行经验，在一个20基杆塔的易击段埋设藕合地埋线后，10年中只发生一次雷击故障。有文献介绍可降低跳闸率40%，显著提高线路耐雷水平。

2.6 预放电棒与负角保护针

预放电棒的作用机理是减小导、地线间距，增大藕合系数，降低杆塔分流系数，加大导线、绝缘子串对地电容，改善电压分布；负角保护针可看成装在线路边导线外侧的避雷针,其目的是改善屏蔽，减小临界击距。预放电棒与负角保护针常一起装设，这一方法曾在广东、贵州等地采用，有一定的效果。制作、安装和运行维护方便，以及经济花费不多是其特点。

2.7 装设消雷器

消雷器是一种新型的直击雷防护装置，在国内已有十余年的应用历史，目前架空输电线路上装设的消雷器已有上千套，运行情况良好。虽然对消雷器的机理和理论还存在怀疑和争论，但它确实能消除或减少雷击的事实已被越来越多的人承认与接受。消雷器对接地电阻的要求不严，其保护范围也远比避雷针大。在实际装设时，应认真解决好有关问题。

2.8 使用接地降阻剂

近几年来国内一些单位在处理接地时使用了降阻剂，取得了较好的降阻效果，介绍降阻剂的文章也不少，降阻剂确实热极一时。据有关资料介绍，降阻剂使用后接地电阻随时间的推移而下降，并且由于其pH值一般均在7.6～8.5之间，有的呈中性略偏碱，对接地体有钝化保护作用，故基本无腐蚀现象。但是，使用较长时间表明接地降阻剂对接地体产生了严重的腐蚀。故在采用这一方法时应关注长期的效果，特别是对接地体的腐蚀问题。

2.9 采用中性点非有效接地方式

在我国35 kV及以下电力系统中采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。这样可使由雷击引起的大多数单相接地故障能够自动消除，不致引起相间短路和跳闸。而在二相或三相落雷时，由于先对地闪络的一相相当于一条避雷线，增加了分流和对未闪络相的耦合作用，使未闪络相绝缘上的电压下降，从而提高了线路的耐雷水平。因此，对35 kV线路的钢筋混凝土杆和铁塔，必须做好接地措施。

3 结论

总之，影响架空输电线路雷击跳闸率的因素很多，有一定的复杂性，解决线路的雷害问题，要从实际出发，因地制宜，综合治理。在采取防雷改进措施之前，要认真调查分析，充分了解地理、气象及线路运行等各方面的情况，核算线路的耐雷水平，研究采用措施的可行性、工作量、难度、经济效益及效果等，最后来决定准备采用某一种或几种防雷改进措施。

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