架空输电线路的防雷设计

2019-12-02屈志坚

电子技术与软件工程 2019年13期

文/屈志坚

架空输电线路大多较长，且沿线经过山岭、丘陵、跨越河流、湖泊，在雷电活动频繁地区，遭受雷击的机率较高。雷击架空输电线路引起跳闸是最常见的雷害事故，不但影响电力系统的正常供电，增加线路及开关的维护工作，而且由于输电线路上落雷，雷电波会沿线路侵入变电站，若变电站设备保护措施不完善或失灵，往往会损坏站内设备的绝缘，造成重大损失。为此，在输电线路的设计中必须重视防雷设计，通过采取综合的防雷措施，以提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率，确保线路和站内设备的安全运行，进而提高电网供电可靠性。

1 雷害事故发生的原因

输电线路发生雷害事故主要有雷电绕击闪络、反击闪络两种原因。分析雷害事故发生的原因，有助于针对性地实施防雷对策。

1.1 雷电绕击闪络

输电线路一般均架设避雷线以保护导线免遭雷击，但并非绝对有效，仍存在雷电绕过避雷线击中导线的情况。由于雷电直接击中导线，导线上的雷击过电压值很高，当过电压值超过线路绝缘的耐受电压水平，则会发生冲击闪络，引起跳闸，这种闪络称为雷电绕击闪络。从线路遭受雷击的情况看，虽然绕击的概率很低，但由于导线上的雷击过电压值很高，所以因绕击发生的跳闸事故占雷击跳闸事故的比例超过60%。

1.2 雷电反击闪络

雷击避雷线档距中央时，雷电流迅速向两侧运动，经杆塔和接地体流入大地。为避免档距中央雷击过电压击穿空气间隙，闪击至导线上造成跳闸事故，设计时应保证在档距中央，导线与避雷线间的距离S≥0.012L+1m（L为档距，单位m；气温+15℃，无风、无冰）；雷击杆塔顶部时，雷电流一部分经杆塔和接地体流入大地，另一部分经避雷线向两侧运动，通过其它杆塔和接地体流入大地。

上述两种雷击情况，强大的雷电流经杆塔和接地体流入大地时，因杆塔电感和冲击接地电阻的原因，使塔顶电位升高，当塔顶电位与相导线的感应电位差超过线路绝缘子串的50%冲击放电值时，导线与杆塔之间就会发生闪络，引起跳闸，这种闪络称为雷电反击闪络。

2 防雷设计原则

输电线路的防雷设计，应根据线路的电压、负荷性质和系统运行方式，结合当地已有线路的运行经验，地区雷电活动的强弱、地形地貌特点及土壤电阻率高低等情况，通过技术经济比较，确定合理的防雷方式。

3 具体防雷措施

3.1 选择合理的线路路径

选择合理的线路路径，可减少线路遭受雷击的概率，大幅降低雷击事故的发生率。突兀高耸的山脊、大片水域、金属矿藏、高雷暴日地区往往是雷电多发区域，选择线路路径时，应尽量避开这些区域。但是，不同路径的建设成本也不尽相同，因此需综合考虑。

3.2 架设避雷线

架设避雷线是输电线路最基本、最有效的防雷措施。架设避雷线主要是避免雷电直接击打在导线上，降低雷击事故发生率，同时还具有减少雷电反击闪络发生的作用，具体原理为：

（1）分流减小流经杆塔的雷电流，降低塔顶电位；

（2）使导线产生藕合电压，减小线路绝缘子串两侧的电位差。

不同电压等级的输电线路，对避雷线配置的要求有所不同。设计规范规定，110kV输电线路宜沿全线架设地线，220kV～330kV输电线路应沿全线架设地线，500kV～750kV输电线路应沿全线架设双地线。同时，为了提高避雷线的屏蔽效果，减少雷电绕过避雷线击中导线的发生率，杆塔上避雷线对导线的保护角应满足设计规范7.0.14条的规定。

3.3 加强线路绝缘

加强线路绝缘可以通过增加绝缘子串的片数来实现。线路绝缘水平的提高意味着引起反击闪络的塔顶允许电位值提高，所以线路绝缘水平的提高可以减少雷电反击闪络发生的概率。但是绝缘子片数增加受塔头电气间隙的限制，过多地增加绝缘子片数会导致直线杆塔水平档距减小，造成耐张杆塔外角侧跳线对塔身的安全距离不足。加大塔头设计尺寸可解决这些问题，但会增加建设成本，为此需慎重考虑。

3.4 降低杆塔接地电阻

杆塔接地电阻直接影响塔顶电位，通过降低杆塔接地电阻可以提高输电线路的耐雷水平，减少雷电反击闪络的概率。另外，降低杆塔接地电阻还可以提高线路避雷器的泄流速度，有效发挥线路避雷器的防雷作用。可以说，“防雷在于接地”，降低杆塔接地电阻是输电线路防雷的重要措施，是防雷工作的重点。

传统的杆塔接地方案大多是采用水平敷设热镀锌圆钢或结合垂直接地角钢的方式，对于土壤电阻率高的杆塔位通过换土、使用化学降阻剂降低接地电阻值。但化学降阻剂容易腐蚀接地网、污染环境、降阻稳定性差，已被很多供电部门明文禁止使用。近年开发的非金属接地模块和石墨基柔性接地体等新型接地材料具有抗腐蚀、免维护、施工简单快捷、降阻稳定性好、效果显著等特点，已逐步获得推广运用。

3.5 装设线路避雷器

常见的线路避雷器为金属氧化锌避雷器，分带串联间隙型和无间隙型两种。线路避雷器与导线绝缘子串并联安装，在工频电压下呈现很高的电阻，当线路导线遭到雷击时，传导至避雷器的雷击过电压一旦超过避雷器的启动电压，避雷器就会启动泄流，迅速地降低导线上的雷击过电压值，雷击过电压值下降至一定数值后避雷器又呈现高电阻状态，并停止泄流。因为避雷器的启动电压和雷击放电后的残压均低于绝缘子串的闪络电压，所以只要避雷器的泄流速度足够快、泄流持续时间足够短，就能保证绝缘子串不闪络，避免发生雷电绕击闪络现象。由此可见，安装线路避雷器是一种非常有效的防雷措施。但是，避雷器需要运行维护且价格较高，实际工程中一般是针对易遭受雷击的地段，安装适当数量的线路避雷器。