高压输电线路综合防雷措施的研究与应用

2017-03-05

电气技术与经济 2017年1期

（清远供电局）

高压输电线路综合防雷措施的研究与应用

黄伟忠

（清远供电局）

为了有效降低输电线路雷击跳闸率，提高高压输电线路的防雷水平。本文对雷击电电压和雷击电流的产生机理进行阐释，分析了高压输电线路防雷水平的影响因素。如杆塔接地电阻、线路档距、杆塔波阻抗等，并逐一对原理及作用进行分析介绍。在线路防雷的设计过程中通过对具体的地区雷电情况进行分析，采用合理的防雷手段，对于系统整个输电线路的防雷水平具有很大提高，并对于减少雷电对电网安全运行的具有重要作用。

高压；输电；防雷；耐雷水平

0 引言

高压输电线路是电力能源传输的媒介，它是电网安全运行与分配的重要组成部分，输电线路的稳定运行对于电力系统至关重要[1]。如果输电线路的电压等级提高，对应的塔杆高度和线路尺寸逐步增加，使得输电线路越来越容易受到自然灾害的影响，尤其是雷击现象。在我国因雷击导致的线路跳闸占比为35%以上，在日本为50%以上，美国和俄罗斯均达到60%。因此如何防范雷击对输电线路的影响对于提高电力系统的稳定性具有重要意义。

1 雷击放电过程

1.1 放电原理

带电荷的雷云是造成雷击放电的主要因素。雷云是由强大的潮热气流上升到稀薄的大气层冷凝形成的。当穿越云层时，水滴被撞击分裂，其中分裂出的水沫带负电，质量较轻，上升至云层上端形成带负电的雷云。其余的水滴带正电，凝聚成雨。雷云会在地面上感应出大量的正电荷，产生强大的电场，电厂内部的电位差较大时可以达到几十兆伏[2]。若带有强大场强的雷云继续扩大运动，当雷云覆盖区域内的空间电场强度大于常规情况下大气游离放电的临界电场强度值时，就在云间产生强烈的火花放电。最大可产生几百千安的瞬间电流，并伴随着强烈的光合热，形成闪电雷鸣。

1.2 雷电压和雷电流的形成

雷电现象可看成是瞬时电流沿空气中游离的导电分子通道进入雷击高电势点。若雷电击中高压导线，将在导线上沿导线前后两路前进，并在导线中产生电压行波，示意图如图1所示。

图1 雷击电线示意图

电压行波u和电流行波i的比值为z=u/i通道的波阻抗，一般情况下，取值为300Ω。若雷电击中高压线路支撑的塔杆底部，因选用的塔脚底部接地电阻较小，在地面会出现雷电反射现象，该反射过程不会产生对地电压，此时线路塔顶电位为零。在被击线路中电压行波的运动中会产生对应的电流行波，在某一段线路上，雷击电压会产生一个正向电流，并向相反方向产生一个负向电流，对于线路来说，其承载了相应的两倍正电流和值。因此对于高压线路，此时雷击产生的入侵电压消失了，但是对应的入侵电流值却增加了1倍。由于电阻不会为零，因此会产生压降，这就使得避雷线对地产生了一个电位ut，并伴随电流行波i=ut/Z，所以测得的线路雷击电流为Im=2I。

1.3 瓷绝缘子击穿原理

瓷绝缘子被雷击穿的现象为：当某段高压输电线路被雷击后，对应输电线路会生成一定强度的冲击波，并引起雷击线路附近场强值瞬间增大，导致高压线路的电介质中的带电质点积累的数量和运动的速度迅速增大；若到达瓷绝缘子对应参数的临界值时，瓷绝缘子将失去绝缘性能，在瓷绝缘子内部形成导电通路[3]。瓷绝缘子雷电击穿包括直接击穿和间接击穿两种类型，上述过程可归为直接击穿。间接击穿是指线路虽然承受了一定程度的雷电流，并损坏了线路中某些电介质的结构特性，但并未形成足够的击穿电流产生击穿现象。且间接击穿只是降低了瓷绝缘子的绝缘值，并不会立刻引起高压线路跳闸，而是降低了设备的绝缘值，为今后埋下事故隐患。此种间接击穿更应该受到重视。

2 提高输电线路防雷水平措施

为了降低和预防雷电的危害，可以采取一系列的防雷措施。针对具体的输电线路，选择合理的布线方式，架设避雷线，减少地线保护角等，来降低输电线路的雷击跳闸率。

2.1 防雷影响因素

2.1.1 塔杆接地电阻

接地电阻决定了当受到雷电电击时的雷电冲击电位高低。接地电阻越低，雷电冲击电位低，雷击对线路的影响较小。耐雷水平与接地电阻的关系如图2所示。

图2 耐雷水平与接地电阻的关系

2.1.2 线路档距

当输电线路受到雷击时，雷电波会沿线路传播，线路的档距发生变化时，线路的耐雷水平也会发生变化。不考虑其他因素的情况下，逐步增大档距，线路的耐雷水平逐步提高，最后在固定值上下波动[4]。两者的关系如图3所示。

图3 耐雷水平与线路档距的关系

2.1.3 塔杆高度

塔杆高度越高，被雷电击中的几率越大；另一方面，如果塔杆的高度较高，从塔顶向接地装置传播所需的时间较长，容易使塔顶的电位增高，造成反击现象，放大雷击的危害，系统跳闸的几率增高，降低线路耐雷水平。因此在条件允许的范围内尽量的降低塔杆高度，有利于提高线路的耐雷水平。两者的关系如图4所示。

图4 耐雷水平与杆塔高度的关系

2.1.4 导线电压

以传输电压为500kV的线路为例，由于采用交流电进行电能的传输，而交流电压是周期性电压，在不同时段的电压，呈现出不同的耐雷水平，因此，设计防雷措施时，要注意在不同的相位角下，线路的耐雷水平是不一样的。具体的两者关系如图5所示。

图5 不同时序下的耐雷水平

2.1.5 塔杆波阻抗

塔杆波特阻抗是整个线路耐雷水平的一个重要参数。以500kV的传输电压举例，塔杆波阻抗的变化与线路的耐雷水平呈正比，在其他因素不变的情况下，塔杆波阻抗变化10%，则线路的整体耐雷水平变化10%。关系如图6所示。

图6 耐雷水平与杆塔波阻抗的关系

2.1.6 避雷器

安装避雷器的线路输电示意图如图7所示。当不安装避雷器时，高压线路遭受雷击时，产生的雷电流部分可通过设置的避雷导线流向相邻未遭受雷击的输电杆塔，其余部分通过该塔杆引入大地，若塔顶与输电线路间的电位差大于设定的闪烁电压值时，杆塔上的绝缘子闪烁[5]。当加装避雷器之后，受到雷击后的雷电流去向发生了变化。如图所示，当雷电流较小时，仍然按之前的分流方向流。若线路中的雷电流达到一定临界值时，避雷器发生动作进行雷电流分流。实际应用中很大程度上的雷电流均是经避雷器分流，这样大大降低了导线和塔顶之间的电位差，使绝缘子不会闪烁，绝缘性不会受到影响，线路断路器不会跳闸，增加了线路运行的耐雷性。

2.2 输电防雷措施

解了输电线路防雷的影响因素后，可根据线路具体情况结合各影响因素，设计相应的防雷措施，一般的防雷措施有，设计安全输电路径、设置避雷线、降低塔杆接地电阻等方式。

2.2.1 设计安全输电路径

过往的经验表明，输电线路遭受雷击的区域往往集中于某些特定的路段。因此设计线路架设路径时，结合当地的具体情况合理地规避雷击区即可。一般的雷击区集中在山区风口及顺风的河谷，四周为潮湿的山区，土壤电阻率有突变的地带等处。

2.2.2 架设避雷线

图7 安装避雷器的线路输电示意图

架设避雷线是线路防雷的基本措施，输电线路的电压值越高，效果越好；且该方法经济性比较有优势，是线路防雷的必备措施之一。主要功能体现在防止雷电直接击中输电线路、对雷电流进行分流、降低塔顶电位，降低导线上的感应电压。

2.2.3 降低塔杆接地电阻值

降低塔杆接地电阻值对于增加线路的防雷水平也是一种行之有效的方法，一般搭配避雷线一起使用。当输电线路被雷击之后，能够大幅度降低雷电压。输电电压在110～500kV的耐雷水平与塔杆接地电阻值的关系如下表所示，根据具体的需求选择合适的阻值即可。目前常用的减低阻值的方法有：利用降阻剂，在接地极的周围辐射降阻剂；爆破接地技术，通过爆破技术将接地装置炸裂，然后用压力机将低电阻材料压入缝隙中，将整个电阻的电导率降下来；扩大接地面积；外引接地，选择地导电率的土壤外界一个接地。