架空输电线路防雷与接地的设计分析

张海虎

（云南电网有限责任公司玉溪供电局）

0 引言

架空输电线路是用来传输电能的常见输电线路之一，其特点在于输电线路位于杆塔之上，一般由杆塔、架空地线、导线、绝缘子串、接地装置几部分组成。为保证输电安全，固定线路的材料皆采用绝缘材料，但在实践中仍无法完全避免线路故障发生。有数据表明，雷击是引发线路故障跳闸的最主要原因，占据60%以上。因此，制定相应防雷措施以降低雷击跳闸率，是避免发生线路故障，保证架空输电线路稳定运行应当考虑的首要问题，也是目前进行相关研究的主要方向。在防雷系统中，输电线路杆塔接地装置是实现降低雷击跳闸率的核心部分。接地装置被设置在杆塔中，将击中杆塔的外部雷电引向地面，进而避免发生雷击事故而损坏绝缘设备，或者对输电线路造成其他不良影响。综上可知，若想有效降低雷击跳闸率，需要完善接地装置的设计，保证其完整性和有效性。基于上述分析及目标，本文将对架空输电线路的防雷系统与接地设计进行深入分析。

1 架空输电线路中做好防雷与接地工作的必要性

一般情况下，架空输电线路的运行处于露天环境中，故自然环境中能影响其正常工作的因素较多。在诸多因素中，雷电因素的影响最为重大，有数据显示，在架空输电线路发生的故障中，因雷击造成的跳闸占据比例约达2／3。在雷电天气中，只有具备良好的防雷电设施，才能避免线路遭受雷击而干扰电能传输甚至使传输中断，以提高电能传输质量和效率。随着架空输电线路的普遍应用，为了解决上述问题，首先，在架空输电线路的构成上，绝缘体起到了重要作用，一方面需要使用绝缘体将输电线路固定在杆塔上，另一方面绝缘体也在很大程度上保证了输电系统的正常工作。其次，更为重要的是接地装置的设计，这是防雷系统的核心组成部分，也是为提高线路防雷能力所必要的设计。杆塔接地装置是架空输电线路接地设计中的最重要部分，其主要作用是将雷电引入地面，避免输电设备受到雷击而发生跳闸。综上可知，对于在露天环境中运行的架空输电线路，防雷工作至关重要，而在防雷系统中接地装置是其核心部分，只有做好接地装置的设计，才能提高输电系统的防雷能力，进而保证输电工作稳定进行。

2 架空输电线路雷击跳闸的具体影响因素

2.1 设计方面影响因素

作为架空输电线路设计的首要步骤和基础工作，设计路径方案对线路整体的安全性、有效性具有决定性作用。在实践中，路径设计需要建立在充分细致的前期调研基础上，只有对输电需求、施工地环境等充分了解，才能准确设置电气距离，在导线设置、底线安排、绝缘配合、防雷装置等方面对通信线路进行细致化保护。但事与愿违，随着国家完善电网建设政策的推行，输电线路设计的工作量骤增，在严格工期的压力下，部分工作人员为了完成工作量要求，在进行现场勘测时，出现工作不到位或是未按照实际土壤电阻率进行准确计算等情况，导致杆塔接地装置的设计方案出现严重偏差，不能满足现场施工的实际需求。虽然上述偏差的出现在一定程度上也因为目前输电线路施工现场的地形和土壤结构具有较大的复杂性，但客观因素仍不能掩盖工作人员失职的主观因素。设计方案因素，是导致线路抗雷击性能受损的致命性因素之一。

2.2 外部环境影响因素

如前所述，由于大多架空输电线路在露天环境下运行，自然环境等外部因素成为导致雷击跳闸的主要导火索。具体而言，可能导致雷击跳闸的因素包括但不限于地形状况、地质条件、气候特征、土壤性质等。特别是在一些自然环境复杂的地区，由于可能出现接地电阻过高的情况，架空输电线路受外部环境影响出现雷击现象更为频繁。

2.3 施工工作影响因素

施工工作的实际完成状况，也是影响雷击跳闸发生频率的主要因素。由于大多施工现场位于岩石地区或山区，这些地区或是交通不便或是土壤电阻率异常偏高，施工难度极大。基于施工难度大、施工工作量大等情况，一些工程甚至无法按照施工图纸正常进行，在施工的现场调整过程中可能使接地体的埋深、回填土的应用等专业性较强的操作发生偏差，进而可能严重影响施工质量。

3 架空输电线路防雷措施探讨

实践经验表明，架空输电线路雷击事故一般形成于四个阶段，基于此，应当在防雷系统设计中形成“四道防线”进行针对性应对：①防直击雷：可以沿输电线路装设避雷线以避免输电线路遭到雷电直击；②防闪络：可以通过降低接地电阻、加强线路绝缘避免发生闪络情况；③防建弧：在输电线路发生闪络后，可以采取相应措施避免稳定的工频电弧得以建立；④防停电：在输电线路建立工频电弧后，可以采取措施避免电力供应发生中断。在输电线路防雷工作的推进中，不能追求一劳永逸，而需要结合具体情况有针对性地设计防雷方案、采取防雷措施，将上述四道防线相结合，使其共同发挥作用，从根本上降低跳闸率。具体论述如下。

3.1 架设避雷线

架设避雷线是输电线路防雷保护最基本措施，通过减小雷电对导线的耦合屏蔽作用、减小电流量产生防止雷电直击导线的作用，对于防雷保护十分有效。架设避雷线的防雷效果根据线路电压不同而不同，一般而言效果成正向关联。实践表明，对于电压在110kV以上的线路，需要以20°～30°的保护角全部架设避雷线；而达到500kV的线路则需要将保护角降至15°左右。保护角的不同，既影响雷电绕击率，也同时影响两根避雷线之间的距离设计。

3.2 安装线路自动重合闸装置

通过安装线路自动重合闸，同样有助于架空输电线路的防雷保护。一旦雷电击中输电线路发生跳闸情况，线路自动重合闸有助于雷击闪络在跳闸后自动重合，这将使其恢复绝缘性能，缩短跳闸时间，及时消除故障，保证线路稳定。

3.3 加强线路绝缘及采用差绝缘和不平衡绝缘方式

实践经验表明，线路绝缘配合的加强和绝缘子性能的改善同样有利于提高线路的防雷水平。首先，加强绝缘配合可以通过差绝缘方式和不平衡绝缘方式。差绝缘方式，是指在同一杆塔上设置绝缘子数量不同的绝缘，这样有利于避免在导线被击穿、雷电经杆塔入地时发生两相闪络。不平衡绝缘方式，是指在设置绝缘子串片时差异设置，以提高片数多的线路的耐雷水平；具体而言，当发生雷击时，片数少的回路先发生闪络，而片数多的回路相当于自动生成了地线，有利于降低两条回路同时跳闸的概率，以此保证稳定供电。有数据表明，差绝缘方式能使线路耐雷水平提高24%左右。另外，为改善绝缘子性能，可以在杆塔上增加绝缘子串数量，以提高绝缘子串的50%冲击闪络电压值。

3.4 装设线路型避雷器

架空输电线路的避雷器装置并非新生产物，经过十余年的实践印证，有利于提高线路避雷能力。避雷器的作用原理与避雷线相似，当雷电击中杆塔或导线使线路中电流达到指定程度时，避雷器将引导雷电流入指定导线，该导线一般通向相邻杆塔或直接连接大地，以此达到避雷效果。

3.5 增设耦合地线及塔顶防雷拉线

耦合地线和防雷拉线并非必要的防雷装置，一般应用于经常发生雷击或重雷区内。耦合地线，一般加装在到线下方，对于流入避雷线的电流起到分流、耦合作用，进而对降低接地电阻产生间接作用；防雷拉线，一般架设在塔顶，雷电直击线路时会优先接触防雷拉线，进而产生屏蔽效果。

4 架空输电线路杆塔接地装置存在问题及原因分析

在架空输电线路杆塔接地装置的设计中，接地电阻系数超标是引发事故的主要问题，而造成系数超标一般基于以下原因。

4.1 自然原因

接地电阻受到多种自然因素影响，包括地形、地质、土壤等。具体而言，一般地质条件差、土壤干、干燥、土层稀薄的地区，电阻率往往较高；特别是对于岩石裸露的地区，其土壤电阻率大多超过1000Ω·m，这将造成接地电阻同步增高。

4.2 设计原因

除了自然原因外，人为造成的设计方案偏差同样易造成接地电阻偏差。随着电网建设迅猛发展，输电系统建设工程量剧增，部分设计人员在前期勘察期间对输电压力估计不足、对土壤结构勘察有误，或者以经验主义代替根据实际土壤电阻率准确计算，造成设计偏差。

4.3 施工原因

由于输电线路建设工地大多位于交通不便、自然环境恶劣的山区，施工本身便具有较大难度；另外，由于接地装置本身具有隐蔽性，不利于监督人员及时准确发现问题，可能会出现接地体埋深、回填土应用、降阻剂使用、装置内部连接等诸多施工误差，进而影响输电系统安全质量。

5 线路接地设计要点分析

5.1 做好杆塔接地设计

做好杆塔接地设计是保证输电线路防雷能力的基础环节和基础。首先，工作人员应当前往输电线路施工现场，对雷击频率、高发雷击地段进行实地勘察，以设计出最合理、最安全的线路方案。另外，工作人员需要对实际土壤电阻率进行准确测量并根据数据准确计算，以确定最终接地形式和接地图纸。

5.2 降低接地电阻

在杆塔接地设计的过程中，还应当采取措施以降低接地电阻，提高输电线路的抗雷能力。具体而言，在土壤电阻率较低的地区，可以先行降低杆塔的接地电阻，对于仍不能达到要求的，应充分利用杆塔、拉线等自然接地。而在土壤电阻率较高的地区，则需要经过现场勘察和分析后采取有针对性的手段来降低杆塔的接地电阻，具体包括但不限于外引接地、复合接地、放射形接地、连续伸长接地体、物理接地等，或根据实体土壤情况进行换土。

5.3 使用降阻剂

降阻剂是电阻工程技术发展的产物，在现代化电力工程中发挥重要作用。电阻剂具有超高导电性，有助于在接地系统中降低系统整体的接地电阻，使其满足防雷要求。降阻剂一般多用于山区、岩石等土壤电阻率较高的地区，通过深入地面，得以有效增大导电范围，加速电流分散。

6 结束语

综上所述，我国电力技术的高速发展为架空输电线路的产生和推广带来了契机，而架空输电线路的应用又为供电系统的稳定性创造了条件，也为电力技术的进一步发展提供了动力。但不可否认，由于架空输电线路位于露天场所，极易受到以雷击为代表的自然因素影响，一旦发生雷击等事故，不仅严重影响供电稳定，同时也可能造成额外经济损失或其他危险。在此情况下，为了不断提升架空输电线路的防雷性能，需要工作人员在实践中注重整体、注重细节，更需要研究人员对于理论不断深入，进而保障电力系统稳定运行。