防雷技术在输电线路设计中的应用

2021-11-23张云鹏

商品与质量 2021年34期

张云鹏

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在电力系统运行过程中高压输电线路是重要的组成部分，输电线路经过的很多地方环境恶劣，丘陵、高山、旷野等地理位置都有涉猎，输电线路又暴露在空气中，特别容易受到外界环境的破坏。雷电是目前危害输电线路正常运行的主要原因，雷电击中输电线路的概率虽小，但雷击时候产生的高压和强电流是破坏输电线路、电力设备的重要因素，甚至会造成大范围停电的现象，所以，防雷技术成为输电线路设计中首先要考虑的问题。

1 雷电现象概述

在强对流天气下，雷雨云层之间出现瞬间放电的过程叫做雷电现象。发生雷电现象的瞬间会产生极大的电流，想成猛烈的高温效应，雷雨云层间出现电磁场感应，随之而来的还有超强的电磁辐射等物理变化，带来不良的影响，是典型的自然灾害。雷电一般分为直击雷、感应雷和球形雷。在带电云层和大地间产生极强的电流现象就是我们通常说的直击雷。感应雷是由于静电感应和磁场感应的相互作用，在带电云层和地面区域携带相反的电荷。直击雷在产生的瞬间放电云层的电荷会在放电时快速消失，但由于地面电阻较大，电荷消散时间稍长，导致地面范围内高电位，造成电击现象。或是直击雷在放电时，区域范围内的导线会与电磁脉冲产生电磁感应，出现电击现象[1]。

2 雷电对输电线路的危害

雷电是自然界中常见的现象，夏季容易下雨，因此最容易发生雷电事故。雷电随着地理位置的不同产生的频率不同，赤道附近的雷电现象是最常出现的，越往南北方向越少，雷电现象在高层建筑和带有尖端的建筑物上是最常发生的，这是人们的生活常识，其实输电线路也常常遇到雷电现象的破坏和影响。对于输电线来说，雷电的主要危害为以下几种情况。第一，发生雷电现象时往往有严重的高热效应，雷电击打在输电线路上产生的电流数值非常大，甚至可达数十万，高电流会造成输电线路的温度过高，当温度达到金属融化点，线路中的金属导线会受到影响而融化，严重时输电线路杆塔会倒塌，这对输电线路的危害是非常严重的，很有可能造成电力系统不能正常运转。第二，雷电现象会带来高压效应，雷电的电压值非常高，甚至可达到十万伏特以上，雷电击中输电线路时的高压是导致输电线路短路、跳闸的主要原因，甚至可能烧坏变压器，给输电设备和金属导线带来严重的不良影响，最严重时甚至会引发火灾，威胁到人身安全和财产安全。第三，雷电现象往往伴随着电磁感应现象，这会让输电线路形成电磁场，输电线路的电流会增大，再结合高热效应，大大的提高了对输电线路的危害，很有可能被破坏的输电线路不能修复。所以，在输电线路中，防雷技术是必须要重视的话题[2]。

3 输电线路设计中防雷技术的重要性

输电线路运行时遭遇雷击是影响输电线路正常运行的常见原因。雷击现象具有很强的突击性和爆发性，它能在击中的一瞬间产生磁场效应、高热效应，具有很强的破坏力。所以，电力输电线路一旦被雷击中，就会有非常大的不良影响，出现输电线路破损等现象，导致输电线路故障。输电线路运行中被雷击中导致输电线路出现故障的情况大致有以下三种。

3.1 雷电直接击中杆塔

输电线路主要由架空输电线路和电缆输电线路两部分构成，架空输电线路由输电导线、杆塔、绝缘子、拉线、杆塔基础、接地装置等部分组成，输电线路中的杆塔往往较高，当大自然感应到雷云中的电荷，输电线路杆塔则是传导雷电的媒介，就会引来雷电直接击中杆塔，塔顶的电位突然升高，电位超过绝缘子的抗雷最大值，导致绝缘子产生发电现象，这样的单线接地现象是导致输电线路故障的主要因素。

3.2 雷电直接击中导线

雷电绕过避雷线，直接击中输电线路的导线，造成了绝缘子闪烁引发跳闸或是停电现象，也叫做“绕击闪烁故障”。引发绕击闪烁故障的原因有很多种，常见的有避雷线保护、杆塔设计高度、地理条件、导线布置形式等。

3.3 雷电击中线路周边

电力技术与设备随着我国科技水平的提升而不断发展和创新，在电力系统运行中逐步应用了高集成度的电子设备，这类设备对雷电电磁脉冲的反应极强，当雷电击中输电线路的周围，输电线路瞬间形成感应，大大增加了电力输电线路的电荷，引发绝缘子被破坏，甚至很可能侵入变电站，影响到整个电力系统的运行。

因此，防雷技术在输电线路设计中的合理运用，对输电线路的正常运行有着重要影响。

4 输电线路中防雷技术的设计原理

电力相关工作人员在设计输电线路时，应充分考虑到输电线路所在地区的气象条件、雷电流幅值密度等，结合当前线路电压、设施安装等情况综合考虑，分析雷电击中事故对电力系统运行的破坏机理，采用科学合理的应对措施。

4.1 选择合理的输电线路

雷电现象的发生频率与输电线路所在的地形地貌、地理环境、气候气象等环境特征联系密切。工作人员在设计输电线路时，应收集分析当地的气象资料，尽可能的避开山谷、水域上方以及盆地等雷电频率较大的地域，尽可能的减少被雷电击中的机率。

4.2 正确的防雷措施

输电线路的防雷措施我们目前主要采用的是架设避雷线、来降低接地电阻、提高绝缘等级、安装线路型避雷器、增加耦合地线等方法。架设避雷线和安装避雷器是有效保护输电线路的主要措施，合理的选择输电路径之后，为了更好的减小雷电带来的磁场感应、强电流、电热效应等带来的不良影响，在输电线路中架设避雷线安装避雷器，有效的将雷击时产生的强电流引向接地装置，防止输电线路遭到破坏。输电线路的电压等级不同，选择的避雷器和避雷线不同，避雷设备的选择与雷击放电强度、雷电流峰值等因素有关，也与输电线路接地设备的接地电阻参数有关[3]。

4.3 安装继电保护装置

输电设备设计中，虽然各种措施能有效减少雷击事件发生的机率，有效避免了一些输电配电设备遭受破坏的情况，但雷电现象属于自然现象，具有很大的偶然性。为了电力系统运行的稳定，继电保护装置的安装必不可少，不仅能减小雷击的波及范围，尽可能的减小断电的可能性，还能加强电力系统遭遇故障时的自愈性，在遭遇雷击事件引发输电线路故障时，能自动合闸供电。

4.4 疏导式防雷保护

防雷措施的主要内容是尽可能的提高输电线路遭遇雷击时的抗性，减少跳闸机率。线路雷击跳闸率是我国电网安全运行的重要考核指标之一，也就是“堵塞型”防雷保护，这样的保护方式非常适合在电源点稀少，电网网架薄弱时使用，但是这样的方法投入资金较大，且此类技术实施的难度较大。所以，防雷专家们提出了间隙防雷这样的疏导式防雷保护措施，这一方式允许在运行中有一定的雷击跳闸机率，将间隙装置与绝缘子连接在一起，对雷电路径进行定位疏导，避免绝缘子被破坏，虽然遭遇雷击，但在重合闸成功的情况下电路能很好的保护。因此，疏导式和堵塞式如果能有效的结合起来，根据实际情况适当运用，能更好的保护输电线路不受雷电影响。

5 防雷技术在输电线路设计中的应用

5.1 选用科学合理的电路路径

输电线路所在的区域不同，地理位置条件不同，遭遇雷击危害的几率不同。频繁发生雷击事故的地区不是输电线路铺设的最佳环境。因此，在进行输电线路铺设的路径选择中要尽可能的避开这些区域。有效避免此类路径的具体内容包括以下几种。其一，四面环山，中间洼陷潮湿的盆地区域，特别是旁边山脉起伏蜿蜒，或者是有池塘、水库等的铁塔附近更是应该避开的；其二，特别容易发生土壤电阻率变化或者已经变化的地方，这些地方的土壤电阻较低，例如山丘与稻田、岩石和土壤的连接处，或者地质断裂带，有溪流的小山谷等；其三，雷暴现象特别多的山谷峡谷地区；其四，地下深埋着导体矿物质、地下水位较高等地区；其五，一些光照较好的山坡、土壤很好的山地等，虽然这些地方电阻差距不大，但是与其他普通地方相比，这些地方发生雷击事件的机率较大[4]。

5.2 在输电线路上安装避雷器

避雷器在很多方面解决了避雷线的不足，将避雷器和避雷线结合起来能更好的实现防雷效果。安装避雷器需要进行精密的计算，确定雷电流值，输电线路中的电流超过这个数值，避雷器将会自启，将电流引入地面，保障输电线路运行状态正常。另外，安装避雷器后可以与铁塔输电线路配合，充分发挥其作用，实现防雷效果最大化。

5.3 做好防雷接地装置工作

防雷技术接地装置是电力输送系统装置中重要的组成部分，能有效降低和减小输电线路运行中遭遇雷电破坏的机率。但是，我国电力系统在建设初期时防雷技术不成熟，导致一些地区的电力输送线路在遭遇雷击后又不同程度的破损，造成了高压输电线路绝缘子性能下降，有着很大的安全隐患。针对这一现象，电力企业在铺设输电线路时，就需要做好输电线路的防雷接地装置工作，结合不同的地形地貌和天象环境等条件，科学合理的运用现代防雷技术，发挥出防雷技术在接地电阻中的最大作用，保障输电线路的安全稳定。接地装置从总体上看能分为两类，保护性接地和功能性接地。保护性接地是为了避免高压串入低压线路导致漏电情况，将静电通过接地装置引入地面，避免静电损伤的情况以及避免雷电接地造成的强电流造成电力设备的损坏。功能性接地设备主要应用在控制系统的设备中，例如系统接地、信号接地、屏蔽接地等。电力系统接地又分为安全接地、避雷接地、工作接地和防静电接地。安全接地方式是将设备的金属外壳接地，一般分为接零保护和接地保护等。避雷接地装置能将雷雨天气中雷电的强电流高电压引导入大地，避免破坏电力设备。工作接地是指针对电力系统中的某个点接地，预防电力设备在运行中受到高压损害，保障系统正常运行。防静电接地装置能在静电聚集成高电压时干扰弱电设备，有效避免静电带来的安全隐患[5]。

5.4 安装自动重合闸装置

自动重合闸的作用是线路遭遇事故时受到故障影响继电保护器自动跳闸，自动重合闸会在短时间内自动重新连接。自动重合闸大多运用在架空线输电和架空线供电上，它主要表现为单相重合闸、三相重合闸、综合重合闸、停用重合闸几个形态。自动重合闸能有效增强供电的稳定可靠性，减少输电线路发生停电现象，为电力系统的安全稳定运行提供了保障。与此同时，自动重合闸的投入成本较低，在电力系统中运用得十分广泛。输电线路故障不严重，重合越快，达到的成效就越好，由于自动重合闸装置在输电线路中成功率很高，使它成为了防雷技术中最有效的防雷举措。