带间隙避雷器在输电线路防雷中若干问题的探讨

李 侣，邹建章

（江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

江西地区属亚热带季风气候，且山川河流众多、气候湿润，在全国范围内也属于多雷区，线路雷击引起的跳闸一直以来都是线路跳闸的一个重要因素。随着全省经济社会的快速发展，电网规模也急剧扩大，输电线路遭受雷击及跳闸的可能性也显著增加，而越来越高的供电可靠性指标也给我们的防雷工作提出了更高的要求。为此，江西省电力公司统计分析了输电线路历年遭受雷害情况，研究了历年线路遭受雷击情况和雷击故障杆塔所处的环境特点，并有针对性地开展了输电线路差异化防雷工作，由串联间隙加避雷器本体所构成的线路避雷器作为的一种重要的防雷手段，在提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率方面起到了非常重要的作用。

1 带串联间隙金属氧化物避雷器

自上世纪八十年代开始，国内外即已开展了带串联间隙金属氧化物避雷器的研究，并已成功地将线路避雷器应用在了输电线路防雷上。理论和实践经验都证明采用线路避雷器能大幅度提高输电线路的耐雷水平[1]，特别是在雷电活动强烈、土壤电阻率高且难以降低的地段和易受雷电绕击的线段，效果更加显著。

带串联间隙金属氧化物避雷器与线路绝缘子串并联使用，在线路正常运行电压下避雷器基本无泄漏电流流过，相当于绝缘体；当遭受过电压时，其阻值急剧减小，先于绝缘子串放电，泄放雷电能量，防止绝缘子串闪络，避免线路跳闸。

由于串联间隙的存在，线路避雷器具有以下优点：（1）运行时避雷器本体基本不承受系统运行电压作用，泄漏电流极小，减缓了阀片的老化，延长了避雷器的寿命，由此可大幅度减少避雷器巡检和例行试验的工作量；（2）避雷器本体发生故障，带串联间隙结构可将避雷器本体与系统隔离开，不致造成短路而引起线路跳闸；（3）通过选择合适的间隙距离，可使线路避雷器只在高幅值雷电过电压下动作，而在工频和操作过电压下不动作，从而减少避雷器不必要的动作次数。

2 线路避雷器的保护机理

雷击输电线路存在三种情况，雷击杆塔顶部、雷击避雷线和雷绕击输电导线，加装线路避雷器对于这三种情况都具有保护作用。对于雷绕击输电导线，当导线电位升高使得绝缘子两端电压达到线路避雷器的动作电压时，避雷器动作加入分流，雷电流一部分将从避雷器流到杆塔以及避雷线，使塔顶的电位抬高，减小绝缘子串两端的电压差，从而避免了绝缘子闪络。当雷直击塔顶或避雷线时，线路避雷器的动作情况和绕击的情况类似，当绝缘子两端的电压达到线路避雷器的动作电压时，避雷器动作加入分流，雷电流大部分将从避雷器流到导线，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子串不会发生闪络。

带间隙线路避雷器的动作也会在输电线路和杆塔之间形成瞬时短路的情况，而避雷器设计能够确保线路避雷器在通过雷电过电压后，串联间隙在系统的第一个工频半周期内熄弧，小于继电保护装置的动作时间，之后线路绝缘恢复，不至形成稳定的工频电弧，从而避免了线路跳闸。综合来说，线路避雷器的保护作用体现在2个方面，一是钳位，二是泄流。

3 线路避雷器的绝缘配合

为保证线路绝缘子串在雷击过电压下不闪络，按照绝缘配合原则，需满足以下两点：

1）线路避雷器的雷电冲击50%放电电压应低于绝缘子串的雷电冲击50%放电电压，推荐使用以下判据来考虑线路避雷器的保护性能[2]：

式中，

S——雷电冲击标准偏差，设定为3%；

X——建议值为2.5。

2）不同过电压波头下线路避雷器都必须与绝缘子串配合，即全时段工况下线路绝缘子串及线路避雷器的伏秒特性曲线包络线都不能有交点，要求避雷器雷电冲击（波头时间在1μs～10μs）伏秒特性曲线应比被保护的线路绝缘子串的雷电冲击伏秒特性曲线至少低10%[2]。

4 线路避雷器的保护范围

在过电压与防雷保护领域，保护范围是一个备受关注的话题，就避雷器而言，对于电站型避雷器，由于需要限制的主要是以行波形式出现的各种过电压波形，而且避雷器的安装位置具有一定的调节空间，因此保护距离有一个明确的长度单位；而对于线路避雷器，安装位置只能在杆塔上，而且雷击闪络点也只会出现在杆塔上，所以将保护范围定义为本基杆塔安装的线路避雷器能否保护临近第1基杆塔、临近第2基杆塔、或是临近第N基杆塔是比较合理的，能够保护的杆塔越多，相应的保护范围就越大。

在讨论线路避雷器的保护范围之前，必须明确保护范围的涵义，由于雷电流大小和雷击点都是可以变化的，所以如果要充分证明安装于本基杆塔的线路避雷器可以保护临近第N基杆塔必须同时从两个方面考虑，一是雷击点位于本基杆塔，雷电流较小时本基杆塔和临近杆塔都不会发生闪络，随着雷电流的增大，本基杆塔仍然不会发生闪络，临近第N基杆塔也不发生闪络，而临近第N+1基杆塔可能发生闪络；二是本基杆塔安装线路避雷器能否提高临近第N基杆塔的耐雷水平。只有同时满足这两个条件，才可以说线路避雷器的保护范围达到了N基杆塔。

4.1 反击保护范围

以220 kV单回ZMD型杆塔为例，杆塔呼高36 m，接地电阻10Ω，档距L=300 m，绝缘子干弧距离为2.04 m，邻塔计算条件相同。未装设避雷器时杆塔耐雷水平为91 kA，现在杆塔两边相加装线路避雷器，雷击本杆塔顶部，随着雷电流增加计算结果如下：

1）I=145 kA时，全线都不发生闪络；

2）I=160 kA时，本基杆塔和相邻第一基塔不闪络，而第二基塔闪络，即“保护范围”可视为1基塔；

3）I=170 kA时，本基杆塔不闪络，而相邻塔全部闪络，此时仅仅能够保护装避雷器杆塔。

当雷击于装设避雷器的杆塔和相邻杆塔之间的避雷线上时，下表1列出了引起邻塔发生闪络的反击闪络电流值。可以看出：随着落雷点靠近临近杆塔，临塔反击耐雷水平下降，到雷击于临塔时，其反击耐雷水平下降至其原始值，即本塔装设的线路避雷器无法保护相邻塔。

表1 邻塔反击闪络电流随落雷点变化情况（以本基安装线路避雷器杆塔为原点）

4.2 绕击保护范围

以220 kV万虎Ⅱ线ZMD型杆塔为例。取档距L=400 m，由于为单回杆塔，绕击只可能发生在两边相。对于ZMD型杆塔，由仿真结果可知两边相加装线路避雷器后绕击耐雷水平达到24 kA，而根据电气几何模型，对ZMD型杆塔最易发生绕击的边相地面倾角为10°的情况进行计算，其最大绕击电流为21.2 kA，绕击耐雷水平Isc约为5.6 kA，当绕击雷电流I大于Isc时就会造成线路绝缘子闪络。当绕击点位于安装线路避雷器杆塔绝缘子与线路连接点时，随着雷电流增大，计算结果如下：

1）I=20 kA时，全线都不闪络；

2）I=22 kA时，本基杆塔和相邻第1基塔不闪络，而第2基塔闪络，即“保护范围”为1基塔。

3）I=24 kA时，本基杆塔不闪络，相邻杆塔全部闪络，即线路避雷器仅能保护本基杆塔。

当绕击点向临塔移动时，临塔绕击闪络电流下降，如下表2所示。可见，就绕击而言，线路避雷器也仅能保护本基杆塔。

表2 绕击闪络电流随落雷点变化情况（以本基安装线路避雷器杆塔为原点）

由此可以看出，不管从反击还是绕击的角度看，线路避雷器都不能有效保护临近杆塔，而仅能保护本基杆塔，即线路避雷器不存在“保护外延”，希望通过安装线路避雷器来保护整条线路或是一段线路的想法都是不现实的。由于目前单只线路避雷器的价格还比较昂贵，若大规模安装不仅不经济，而且也是没有必要的，从技术经济性的角度考虑，应选择在易击段、易击杆、且接地电阻难以降低的区段或杆塔选择性安装方可取得比较好的效果。

5 线路避雷器使用

线路避雷器在输电线路防雷中应用效果显著，未来随着设计、制造技术的进步和成本的降低必然获得更加广泛的应用，与此同时有几点需要加以注意。

5.1 安装地点选择

1）一般原则：避雷器安装位置一般应选在线路的易击段、易击杆和易击相。在分析和确定避雷器安装位置和数量时，已有雷害记录的杆塔、耐雷水平低的杆塔及山区、高电阻率地区应优先考虑加装避雷器，并应对线路反击和绕击的情况区别对待。

2）防反击：为降低反击跳闸率，单回线路三相均安装避雷器；同塔双回线路，宜在其中一回安装避雷器。

3）防绕击：单回路线路，安装在两边相；对于经过山坡的线路，避雷器应安装在下山坡侧杆塔边相。同塔双回线路，鼓型排列的，宜安装在中相。对于经过山坡的线路，避雷器宜安装在下山坡侧杆塔中、下相。跨山谷的线路宜安装在两侧杆塔的中、下相。

5.2 线路避雷器安装

目前的很多杆塔在设计的时候并未考虑加装线路避雷器的需求，避雷器的加装会对杆塔产生额外的负重和相应扭转应力，特别是对于边相，安装不当有可能会对杆塔和安装支架造成损坏，所以在避雷器安装之前需咨询厂家和杆塔设计部门。

避雷器安装应充分考虑安全距离的因素，避雷器本体必须垂直安装，注意本体避雷器铅垂线与塔身的距离，确保安装人员的人身安全；注意避雷器各部分与线路绝缘子的距离，防止线路运行过程中的异常放电。

5.3 运行维护

根据带间隙线路避雷器的生产工艺和结构特点，《交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器》（DL/T 815-2012）规定带间隙避雷器投运后的维护工作可以采用以下方式：只需定期巡视（每年至少一次，雷雨季节之前），目测避雷器的外观是否有损坏情况，并记录计数器的动作次数。

6 结束语

作为一种重要的高压输电线路防雷措施，线路避雷器的防雷效果取决于其与线路绝缘子串的绝缘配合、以及选点、安装、运行维护等因素，本文重点对这些问题进行了分析，并对线路避雷器的保护范围进行了探讨。线路避雷器作为一种成本较高的防雷措施，应与降低杆塔接地电阻、安装负角保护针、安装雷电接闪器等其他措施相结合，实施差异化防雷，才能最大限度地体现其技术经济效益。

[1]陈广生.外串间隙线路型避雷器在架空输电线路中的防雷作用[J].广东电力,2006，19（10）：61-65.

[2]Q/GDW-11-263-2010，浙江电网交流输电线路用有串联间隙复合外套金属氧化物使用导则[S].

[3]DL/T620-1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].

[4]GB311.1，高压输变电设备的绝缘配合[S].