架空输电线路防雷措施研究

付学文，魏智娟，张志芳

(1.邢台供电公司，河北 邢台 054001;2.内蒙古工业大学 电力学院，内蒙古 呼和浩特 010080)

0 引言

为提高线路耐雷水平和降低雷击跳闸率为目的，国内外的电力专家开展了大量的输电线路防雷研究和措施改造工作。架空输电线路遭到雷击的事故发生通常要经过四个阶段:线路遭到雷击;线路发生闪络;线路由于发生冲击闪络建立起稳定的工频电弧;电力系统供电中断。针对雷害事故发生的这四个阶段，目前的防雷技术可以大致分成四类，即防雷电直击导线技术;防闪络技术;防建弧技术;防停电技术。

1 输电线路防雷的常用措施

1.1 降低杆塔电阻

根据杆塔所在地区土壤电阻率的情况，尽可能地降低杆塔的接地电阻是提高线路耐雷水平非常经济且有效的手段。降低杆塔接地电阻主要方法有以下几种。

(1)充分利用架空线路的自然接地 在实际接地工程中，充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结构物以及上、下水金属管道等自然接地体，是减小接地电阻、节约钢材以及达到降低接地电位的有效措施。

(2)外引接地装置 如杆塔所在的地方和有水平敷设的地方，要设置水平接地体[1]。因为水平敷设施工费用低，不但可以降低工频接地电阻，还可以有效地降低冲击接地电阻，起到有效的防雷作用[2]。对输电线路杆塔的接地装置，其外延长度(射线长度的最大限度)如下表1所示。

(3)深埋式接地极 如地下较深处的土壤电阻率较低，可用竖井式或深埋式接地极。在选择埋设地点时应注意以下几点:选在地下水位较丰富及地下水位较高的地方;杆塔附近如有金属矿体，可将接地体插入矿体上，利用矿体来延长或扩大接地体的几何尺寸;利用山岩的裂缝，插入接地极并灌入降阻剂;填充电阻率较低的物质。

表1 土壤电阻率与外引接地装置的长度关系

(4)改善土壤电阻率 接地体的接地电阻与土壤电阻率密切相关，鉴于以上原因，可以采用改善接地体周围土壤电阻率的方法，以降低接地电阻。主要方法有:

换土法 使用电阻率ρ较低的土壤来置换掉电阻率较高的土壤。这种方法虽然有效，但工程量太大，造价较高。置换材料的特性应保证电阻率低、不易流失、性能稳定、易于吸收和保持水份、无强烈腐蚀作用，并且施工方便和经济合理。

使用降阻剂 实践证明，在水平接地体周围施加高效膨润土降阻防腐剂，对降低杆塔的接地电阻效果很明显，但需要定期更换以便保持其降阻作用;

铺设水下接地装置。若杆塔附近有水源，利用这些水源布置接地极，可以收到很好的效果。若受地形和地势等因素的限制把工频接地电阻降到合格(10 Ω)以内较困难时，可以考虑采用6～8根长为80 m的水平射线的方法来降低冲击接地电阻。

1.2 输电线路全线架设避雷线

对于处于山区、草原、高原等土壤电阻率高的地区，架空输电线路的雷击绕击率非常高。为此建议35kV以上电压等级的架空输电线路全线架设双避雷线。35kV线路全线架设避雷线之后，其造价必然会有所增加，但增加有限，而引雷效果的作用非常明显。若按全线架设避雷线设计，除增加作为避雷线的钢绞线外，原不架设避雷线部分线路的杆塔需增加避雷线吊架，30% ～50%的杆塔需加高3 m，相应的拉线、拉线基础及接地工程也将增加部分费用，这样线路的单位造价将在原有的基础上增加5%～10%左右，可见全线架设避雷线之后，增加的投资有限。

1.3 加强输电线路的运行维护消除绝缘弱点

定期检测零值劣质绝缘子，检测可用目测法和红外测温法，检测出劣质绝缘子并及时更换，也可参照输电线路定期检修的办法对输电线路实行轮换，对输电线路加强运行管理，及时消除绝缘弱点，提高输电线路的绝缘水平。实践证明:加强输电线路的运行维护消除绝缘弱点对提高输电线路的耐雷水平作用非常明显;及时清理输电线路下的树木和违章建筑，防止在雷雨天气线路下的杂物引起输电线路短路接地故障;要有防止车辆撞线路杆塔的措施，防止外力破坏，特别是要对同塔多回重点加强保护。

1.4 采用不平衡绝缘方式

为了节省走廊用地，在现代超高压和特高压输电线路中，采用同杆塔架设多回线路的情况日益增多。为了避免线路落雷时多回路同时闪络跳闸而造成完全停电的严重情况，在采用通常的防雷措施仍无法满足要求时，可采用不平衡绝缘的方案。即使某一回路的三相绝缘子片数少于另一回路的三相绝缘子片数，这样在雷击线路时，绝缘水平较低的那一回路将先发生冲击闪络。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，提高了另一回路的耐雷水平。采用不平衡绝缘的方案由于使其中一回路导线将先发生冲击闪络，影响了电网的供电可靠性因而在输电线路中很少采用。

1.5 装设自动重合闸方式

我国110kV及以上线路的重合闸成功率高达75%～95%，可见提高自动重合闸的投运率，是提高输电线路耐雷水平，减少雷击跳闸率，提高供电可靠性，保证电网安全的有效措施。

在实际设计中，在山区、草原、高原等多雷地区，为提高输电线路耐雷水平，减少雷击跳闸率还可以在常用措施的基础上架设耦合地线，采用负角保护针配合降低杆塔接地电阻，安装喷射气流灭弧防雷保护间隙装置中装线路避雷器、加侧向避雷针以及可控避雷针等措施。这些措施在我国电网的实际工程中都得到了应用。但是在具体应用时，应综合考虑，多次试验。

2 输电线路防雷的综合措施

2.1 架设耦合地线

在架空输电线路下方架设一条耦合地线是在雷害事故多发区提高线路反击耐雷水平降低反击跳闸率的一种新型的防雷技术。对老旧和运行效果不好的线路，可以根据地形和地貌状况加装耦合地线，提高耦合系数[3－4]，原理如式1所示:

耦合地线是具有分流作用和增大导线与地线之间的耦合系数，减小等值波阻抗，降低绝缘子串电位的作用;耦合地线增大了雷击杆塔雷电流的分流作用，使塔顶电位降低;耦合地线可以提高杆线处的“地”电位面，导线所处大气场等电位面相应降低，使杆塔有效高度相应减小，从而在雷击塔顶时导线上感应电压分量减小，相当于杆塔本身电感量减少，提高耐雷水平降低跳闸率。运行经验表明，安装耦合地线是降低线路雷击跳闸率的重要措施。

以110ZSG杆塔为例，杆塔接地电阻15 Ω，绝缘子串50%击穿电压设为700kV。计算得到的不同杆冲击塔接地电阻Rch对应的线路耐雷水平I如图3所示，图中H为耦合地线在杆塔上的悬挂点高度。耦合地线高度变化时，相应的提高线路耐雷水平的效果也不一样，悬挂高度为18 m和15 m时对应的提高线路耐雷水平的效果最佳，即使杆塔冲击接地电阻达40 Ω，线路的耐雷水平仍达40 kA。可见，采用耦合地线对提高线路的耐雷水平效果明显，且免维护。因此在局部高土壤电阻率地区，可以采用加装耦合地线的方法来提高线路的耐雷水平。

图1 杆塔计算参数

2.2 采用负角保护针配合降低杆塔接地电阻

在山区、草原、高原等多雷区，雷电活动十分频繁，土壤电阻率一般较高，经常发生雷电绕击和反击，采用负角保护针配合降低杆塔接地电阻，是架空输电线路防雷保护的有效措施。负角保护针的安装在一定程度上能够降低线路的雷击跳闸率。然而，负角保护针不同的安装方式对应的防绕击效果不同。利用装针后线路绕击和反击跳闸率的计算方法，结合图1的计算参数，分析了总跳闸率与不同雷电流下负角保护针的安装位置、安装角度和安装长度的关系，结果如图 2、图 3、图 4 所示[5]。

(1)安装位置的影响

图2表明，负角保护针长为 3 m，安装角度为0°时，安装在导线横担支架处比安装在避雷线横担支架处的防雷效果相对好一些。当地面倾角小于 20°时，防雷效果间的差异并不明显。

(2)安装角度的影响

由图3表明，负角保护针长为 3 m，安装在导线横担支架处时，安装角度为 0° 和30°的防雷效果很相近，但效果仍然是安装角度为0°时的图3杆塔参数防雷效果最好。

由此可知，对于单回线路杆塔，负角保护针宜安装在导线横担处，安装角度为0°(即水平放置)，长度取2 m～3 m之间;按此种安装方式，当接地电阻为20 Ω时，负角保护针将总跳闸率降低5%左右。

图4 不同地面倾角下针长与跳闸率的关系

2.3 安装喷射气流灭弧防雷保护间隙装置

2002年，日本的M.Tsukima，McBride等人通过实验证明了气流能够直接驱动电弧运动，并且气吹灭弧对提高微型断路器MCB的开断性能具有积极作用[6－7]。在架空输电线路上安装喷射气流灭弧防雷保护间隙装置，能够在线路发生雷击闪络时有效地保护绝缘子串免受工频电弧的灼烧，在疏导雷电能量后能够迅速切断工频续流电弧，实现既可以限制绝缘子的外部过电压又可以避免断路器频繁跳闸的功能。

喷射气流灭弧防雷间隙装置硬件结构如图5所示。喷射气流灭弧防雷间隙装置包括高压侧连接体、接地连接体、喷射气流灭弧器、信号采集装置、高压电极、接地电极等部件，高压侧连接体与接地连接体分别连接到对应的电极上，对应的电极之间形成的电极间隙距离可以调整以适应不同的电压等级。整个装置通过高压侧连接体、接地连接体与绝缘子串并列地悬挂在一起。

实际应用中，当线路正常运行时，两电极之间电位差等于单相对地电压，未达到气隙的临界击穿电压，两电极之间没有电弧，无法启动气体发生器。当雷电击中杆塔或导线时，强大的雷电过电压以波的形式通过导线传到线路绝缘子串处，由于该防雷间隙装置的绝缘强度低于被保护线路的绝缘水平，防雷保护间隙首先被击穿，将大量雷电流泄入大地，使过电压大幅度下降，从而起到保护线路和电气设备的作用。雷电流持续时间非常短(国际标准给出的雷电波最长时间仅为2 ms)，幅值非常高，可以启动气体发生器，在很短的时间内(40 ms)产生大量喷射气体并形成强气流，迅速熄灭工频续流电弧并抑制电弧重燃，避免了断路器的频繁跳闸。

广西大学电气工程学院的王巨丰、黄维、曲振旭等人利用实验的方法模拟了35kV线路绝缘子串发生雷击闪络后，强气流灭弧防雷保护间隙迅速启动灭弧装置，并在4 ms内熄灭工频续流电弧的过程。实验认为:在气体发生装置启动后，高速气流对间隙间的工频电弧产生强烈的冲击，电弧被迅速拉长脱离间隙下电极至熄灭;从高速气流产生至电弧熄灭的整个过程持续40帧，历时约为4 ms;在强气流的多重灭弧效应共同作用下，间隙间的电弧能够在很短的时间内被熄灭[8]。

2.4 安装线路避雷器

(1)线路避雷器提高线路耐雷水平的技术原理:将线路避雷器与绝缘子串并联安装，当雷电绕击线路或雷击杆塔将在绝缘子串两端产生的过电压超过避雷器动作电压时，避雷器可靠动作，利用阀片的非线性伏安特性，限制避雷器残压低于线路绝缘子串的闪络电压;雷电流经避雷器泄放后，流经避雷器的工频电流仅为毫安级，工频电弧在第一次过零时熄灭，线路两端断路器不会跳闸，系统恢复到正常状态。

(2)合成绝缘子绝缘线路氧化锌避雷器的主要特点:因其残压低使其作为限压装置的性能很优越;视线路的具体实际工程应用可以做成带间隙或无间隙型避雷器;通流能量大，可以很大程度上吸收过电压带来的能量。

(3)线路安装避雷器的防雷分析:雷击杆塔时雷击电流i一部分经避雷线流到相邻杆塔，一部分经杆塔入地，杆塔接地电阻(用冲击电阻Rch来表征)呈暂态特性，杆塔接地线附加电感值为L。则塔顶电位迅速升高(其中为冲击暂态分量)。若(Ut－UL)＞U50%(UL、U50%分别为导线上感应电位和绝缘子串50%放电电压)，则塔顶对导线闪络。若考虑线路工频电压幅值Um的影响，则上式为:(Ut－UL+Um)＞U50%。因此，当线路绝缘子串50%放电电压U50%一定时(即线路绝缘子片数和绝缘子材料一定时)，雷击杆塔时雷击电流与杆塔所处的地理位置和大气条件相关，不加避雷器时，提高线路耐雷水平往往靠降低冲击电阻Rch，这在山区、草原、高原等土壤电阻率高的地区是有一定难度的。因为在这些地区往往在杆塔4个塔角部位采用较长的辐射地线或打井加降阻剂，虽然工频接地电阻下降，但雷击时过长地线的L值较大，是使Ut大大提高，更易使塔体与绝缘子闪络，反而降低线路的耐雷水平。

对于110kV输电线路，在杆塔上安装一组MOA如图6所示，计算可得荷电率为0.837，线路安装一组避雷器时线路耐雷水平Iw将提高约2.5倍。连续安装3组避雷器还进一步提高Iw，但投资也会相应的提高。

线路避雷器动作时从避雷器分流流入导线的i分量远远大于从避雷线分流流入导线的i分量，这种分流的耦合作用将导线电位提高，使:(Ut－UL)＞U50%，UL和Ut的波形如图 7 所示[9]，绝缘子不会闪络，故线路避雷器具有很好的钳电位作用，此即其防雷的明显特点。

110kV线路避雷器应能承受96kV的工频过电压，但额定电压取得再高也意义不大[10]。考虑到系统最高电压和工频过电压最大值同时出现的概率很小，额定电压选择90kV也是可以的，但是为了工程安全考虑，带间隙避雷器额定电压选用96kV。串联外间隙距离取500 mm(±5%)为宜。

在杆塔上安装一组MOA后的荷电率为0.837，线路安装一组避雷器时线路耐雷水平Iw将提高约2.5倍。连续安装3组避雷器还进一步提高Iw，但投资也会相应的提高。图8为安装在内蒙500kV架空输电线路托源Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ线路上的塔头线路避雷器。

2.5 加侧向避雷针

安装侧向避雷针在架空输电线路的架空地线和杆塔上，用于防止雷电绕击输电线路导线，在杆塔顶部两侧适当位置应安装杆塔侧针，以防护进入杆塔侧面地线屏蔽失效区的低空雷电先导，补充地线及其侧针屏蔽的不足。双地线安装方法示意图如9所示，安装后的现场效果如图10所示。

2.6 架设可控放电避雷针

根据公式2计算单根可控放电避雷针的保护半径见图11所示。

图11中，h为针离地面的高度(m)，hx为导线高度(m)。对于500kV输电线路由于其对地高度较高，常在塔顶两边各架设可控放电避雷针，其保护范围也相应增加。

塔顶装设避雷针符合传统防雷理论，因线路弧垂使中问段保护角小于近杆塔段，因此杆塔处为绕击率较大区域，在塔顶安装避雷针后，杆塔附近的雷将会落在避雷针上，通过杆塔入地，减少了线路遭绕击的概率。

2.7 安装架空地线避雷针

通过在架空地线上合理装设防绕击避雷针，有效地增强其屏蔽性能和引雷作用，将可能遭受的绕击转化为反击加以控制，大幅度降低雷击故障跳闸率。图12为安装在雷电频繁发生区域500kV架空输电线路上防绕击避雷针。工程经验表明，在架空地线上合理装设防绕击避雷针，可有效地增强其屏蔽性能和引雷作用，将可能遭受的绕击控制转化为反击，大幅度降低雷击故障跳闸率。

图11 单根可控放电避雷针的保护半径

图12 安装在线路上的架空地线避雷针

3 结束语

目前降低线路杆塔接地电阻，架设避雷线路，加强线路运行维护以及采用不平衡绝缘方式与装设自动重合闸等这些常规措施在输电线路防雷保护方面起到了一些非常有效作用。在这些常规防雷保护方式的基础上，通过理论分析结合实际工程经验，我们认为架设耦合地线，调节保护角，安装喷射气流灭弧防雷保护间隙装置，安装线路避雷器，加侧向避雷针，架设可控放电避雷针，安装架空地线避雷针，安装线路塔头避雷器等方法可以有效地提高输电线路的防雷作用。

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