110 kV及以上高压架空输电线路防雷分析

2020-10-10李兆春

通信电源技术 2020年12期

李兆春

（中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

现如今，我国经济发展非常迅速，电网建设取得了较大的进步，各地区电力系统逐渐趋于完善。输电线路是传输电能的载体，在电力传输过程中发挥着举足轻重的作用。在实际生活中，雷击输电线路是导致电网及电力系统发生故障的最主要原因之一。相关统计研究显示，雷击导致断路器发生跳闸的现象十分常见，特别是山区输电线路，受到地形的影响，雷击跳闸率比普通地区高很多。雷击跳闸导致线路故障的次数占总故障次数的40%～70%，所以采取有效的措施保障电力系统稳定运行势在必行。

1 输电架空线路受到雷击的原因与危害

输电线路工程中需要使用大量的金属材料组件，因而大大提高了线路受到雷击的概率，具有一定的安全隐患。图1所示为高压输电线路结构图。输电线路受到雷击后会通过金属组件形成诸多的感应电流，之后感应电流进入输电线路，进而导致线路电压在短时间快速提升，提高了线路发生故障的概率，严重的可能会导致线路彻底瘫痪[1]。

在生活中，大家常见一些雷击现象。例如，大风大雨天气下，出现雷击大树的情况，或者一些重大雷电直接将建筑物的钢筋混凝土击穿一个洞。由此可知，雷击具有很大的冲击力。对于这样的天气，输电线处于裸露的自然环境下将面临遭受雷击的危险，如果导地线被雷电击中，雷电冲击波携带的能量超出导体线的承受范围，导致导地线直接被打断。

输电线路受到雷击会对电力设备造成不同程度的损伤，这种损伤必然会提高维修运行成本，同时影响电力系统正常运行，不利于电力行业可持续发展。因此，电力部门应结合所在地区气候特点，开展科学合理的防雷设计和维护管理工作，确保电力输电线路正常工作。

图1 高压输电线路结构图

2 高压输电线路防雷工作存在的不足

2.1 合成绝缘子没有得到合理使用

普通种类的合成绝缘子两端压环较短，同空气间隙连接，使得其抗雷性能大幅降低。在实际应用过程中，电力部门通常使用普通合成绝缘子，从而降低绝缘子的维修难度，减少维护人员的工作量。与此同时，合成绝缘子被广泛应用于雷电高发地区，但由于工作人员对合成绝缘子了解不深入，导致操作不当，相对于其他地区更易发生安全事故，会对工作人员和普通群众的人身安全造成巨大的威胁。

2.2 接地装置受腐蚀

接地装置在电力系统安全稳定运行和确保人身安全中扮演十分重要的角色，但调研发现，许多电力事故起因于接地装置受腐蚀。经过长期使用，接地装置局部可能会发生腐蚀，这种腐蚀可能会延伸至地下约40 cm，从而导致线路断裂。研究表明，导致接地装置受腐蚀的主要因素有土壤水分和养分含量、pH值、微生物、土壤电阻率和杂散电流等。

2.3 避雷线

从架空地线的角度来讲，保护角角度对架空地线有较大的影响，如果保护角角度过大，则会降低架空地线的防绕性。大量试验研究表明，最合理的保护角角度为20°～25°。如果超过这一范围，可能会使避雷线位于雷电高发区域，同时与高压输电线架空[2]。如果仅使用一根避雷线，雷电击中线路的概率大于使用2根避雷线的概率，跳闸概率随之提高。此外，避雷线耐腐蚀性较差，严重影响雷电流的泄放水平[3]。综上所述，在防雷设计中，避雷线的使用是一个巨大的挑战，需要专业人员进行进一步试验研究。

2.4 线路接地电阻高，耐雷水平低

通过对近3年来雷击事故较多的输电线路遥测电阻数值的分析及接地引下线缺陷的汇总发现，易遭雷击的架空线路多处接地引下线锈蚀在2/3以上，而且接地电阻严重不合格。例如，2018年某地同时段多次雷击跳闸的某线路共有杆塔78基，其中接地电阻无穷大有17基，占全线的21.8%；接地电阻大于20 Ω的有28基，占全线的35.9%。这与杆塔接地电阻高、耐雷水平低，易出现雷击反击跳闸情况相符。

3 强化110 kV及以上高压架空输电线路防雷的措施

3.1 强化对雷电的监测能力

从高压输电线的角度来说，雷电监测环节可以使用雷电定位系统。如果输电线路因为雷击而发生跳闸，那么该系统便能有效、准确地定位受到雷击的杆塔，维修人员可以及时发现故障位置，并对相应的故障进行分析和处理。这样不仅能有效减少排查故障耗费的时间，而且有利于及时恢复正常供电，大大提高工作效率。此外，专业的工作人员需要了解当地的天气变化规律，对雷电活动的特点进行深入的分析，为防雷工作的开展提出建议。

3.2 优化避雷线设计

设置避雷线是高压架空输电线路防雷工作中的一项重要措施。避雷线的主要作用有以下几个方面：第一，对雷电流进行分流处理，可以有效减少经过杆塔的雷电流；第二，在导线耦合作用下，减少线路合成绝缘子的电压，充分发挥导线的屏蔽功能，降低导线的感应过电压。合理设计避雷线能大幅降低输电线路被雷击的概率。设计线路时，应结合杆塔的高度和保护角对避雷线进行设计，并且要确保避雷线在导线上方。而在一些多雨雷电频发地区，则需要使用双避雷线，以实现对雷电的双重隔离，从而有效提高线路的稳定性和安全性。

3.3 使用避雷器

在孤立的山头，受到地形因素的影响，雷电活动频繁发生，加之土壤电阻率较高，因而不能覆埋接地线，此时就可以使用避雷器达到防雷效果。避雷器连接在电缆和大地之间，常常与需要保护的设备呈现并联关系。当线路设备正常工作时，避雷器不会产生作用，对地面来说视为断路。一旦出现高压情况，避雷器立即产生动作，将高电压带来的冲击电流导向地面，从而限制电压幅值，保护线路设备。高压电消失后，避雷器快速恢复原样，不会对正常的通信线路产生任何影响。目前，避雷器主要有以下几种类型：管型避雷器、阀型避雷器、氧化锌避雷器等。其中，氧化锌避雷器因质量轻、性能较为稳定、耐油耐污等优势被广泛应用于各种场景。

3.4 强化绝缘，使用不平衡绝缘方式

应在雷电频发区域和进线位置增加绝缘子，这样便能有效提高高压架空输电线路的绝缘能力。增加绝缘子片数能扩大导线和避雷线间的距离，进而有效提高绝缘性。以110 kV线路为例，如果地区海拔在1 000 m以下，绝缘子数量约为8片，档距较大或者杆塔高于40 m，那么每提高10 m应加装1片绝缘子。目前，同塔双回线路的应用较为广泛，一般防雷措施无法起到作用，所以应使用不平衡绝缘方法，以防双回线路受到雷击发生跳闸[4]。

3.5 设置自动重合闸保护装置

对输电架空线路进行防雷设计的过程中，常用的设计方法为设置自动重合闸保护装置。工作人员需要做好对所在区域雷雨情况的勘察工作，根据当地天气情况合理测试自动重合闸保护装置并进行安装，旨在保证输电线路受到闪络后能自动重合，确保线路正常运转，减少停电事件。

3.6 强化线路杆塔接地设计

杆塔的接地设计对于提高输电线路的防雷性能来说同样重要，因此，在设计环节需要全面考虑接地防雷因素。设计线路杆塔时，工作人员应先了解沿路的环境和天气状况，便于合理布局输电线路杆塔。同时，对杆塔所在地的土壤电阻率进行检测得到准确数值，为杆塔设计提供可靠的数据支撑。目前，降低杆塔接地电阻最常用的方法是在接地周围施加长效降阻剂。这种方法的原理是增加接地导体的范围，使得流散冲击电流发挥更好的效果，同时降阻剂与土壤、岩石等有更多接触点，从而达到更好的降低杆塔接地电阻的效果。

4 110 kV及以上高压架空输电线路防雷管理建议

实施有效的防雷措施对于促进电力事业发展和保障人们用电安全具有非常重要的意义，在此基础上，应加强防雷管理，提高防雷管理水平，才能为各项防雷措施的有效实施提供重要保障。

4.1 强化维护线路

根据对季节规律因素的分析，确保线路走廊存在充足的安全间隙。对于跨越区域较大、多雷的特区，专业的技术人员应根据相关规定加强对线路的维护和管理。配备专业的技术人员，建立专门的输电线路数据库，对输电线路的全部参数及历史变化规律进行全面分析和记录，同时将每年的测量数据同历史数据进行对比分析，通过详细的分析找出整体变化规律及趋势，进而制定具有针对性的防护措施。