110kV 高压输电线路防雷设计的有关问题

2022-02-24李正钱

大科技 2022年7期

李正钱

（东莞电力设计院有限公司，广东东莞 523000）

21 世纪下，国内经济化建设日趋加快发展，社会用电需求量也越来越大。在“十四五”经济转型的环境下，工业自动化用电高速发展，这对输电线路的输送要求和安全可靠性也越来越高。其中110kV 输电线路故障中主要以雷击跳闸居多，其次是金具和绝缘子老化及极少数的外力破坏。本次对输电线路防雷问题开展论述，从设计的源头解决问题的所在，降低雷击引起线路安全的概率，根据最新要求和新技术及时改进设计上的不足，以大幅改善输电线路整体质量。

1 110kV 输电线路上的雷电故障形式、作用力及危害

1.1 故障形式

面对110kV 这种常见的输电线路，雷电灾害往往会对其稳定运行产生巨大的安全威胁。在当前的电力体系内，主要涉及以下十分常见的几种雷电故障形式：首先，直接雷击。线路上出现该类故障的概率很小，然而一旦出现的话，就明显破坏到输电线路沿途的设备、电塔、导线、电杆等部位。其次，在雷电电击中，会有一定的电量会流经地面，其中会发生输电线路超负荷反应情况，而致使输电线路上的一些电气设施在这种雷电感应下出现各种故障。最后，如果雷电击中110kV 输电体系线路上的防雷避雷针以后，便会发生短时间内的短路情况，也即出现反应破坏状况。

1.2 作用力破坏机理

根据雷电作用高压输电线路的过程可知，其中主要涉及以下4 个阶段：①雷电施加给输电线路过电压作用，而提升线路电压。②线路彼此碰撞，并诱发出闪络现象。③在输电线路上，实际的电压经由正常电压一下子瞬间变成工频电压，致使线路瞬间温度升高，在过高温度下甚至还会发生保护层脱落、直接掉线等。④出现线路跳闸，供电体系陷于瘫痪状态，并中断供电过程。

在发生雷击后，110kV 的整个输电线路上可能会出现运行故障。主要的作用过程破坏机理为：倘若存在具有很多电荷成分类型的雷云，在110kV 输电线路正上方形成，这些雷云便定会在地面电荷的作用下出现庞大的电场。当雷云持续不断移动时，并且途径110kV 输电线路上的杆塔，则很高的杆塔便会破坏掉以上电场中存在的空气绝缘体，再以此来迫使雷云通过输电线路杆塔进行放电并且形成一个放电通道。在以上过程中，包含在雷云中的电流则会从空中直接向线路上的杆塔输注。然后，以杆塔顶端充当载体，以电流行波进行放电。其中更核心的是，在整个过程中，所积累下来的过电压会统一施加到杆塔装置体系的绝缘子部件上。在以上过程的作用影响下，位于杆塔绝缘子结构一端部位的电压参数值如果在电流放电参数值以下，则110kV 架空输电线路导线就非常有可能会迫于雷电的作用力而呈现明显的绝缘闪络现象。在整个闪络过程中，出现的工频电弧则非常有可能会致使110kV 输电线路上分布的二次保护体系收到来自电流互感器、电压装置内的有关信号源，并做出一定的保护动作，而导致110kV 输电线路表现出瞬时性跳闸情形故障。

1.3 危害

作为自然界的常见灾害之一，雷电灾害会伴随环境的变迁及污染的恶化而变得更加激烈，甚至引起各种事故，从而严重影响到110kV 线路运行的安全性。从输电线路上看，雷电不仅具有很大的运营危害，而且引起的事故也十分普遍。尤其是在国内山地丘陵等交通不便之处，一旦线路出现事，就难以及时查验或处理。同时，在雷电过程中，还常常伴有一定的大风，一旦大风将线路吹起，严重情况还会令线路陷入瘫痪状态。所以做好防雷保护，采取有效的防雷措施，需要电力工作人员的不懈努力。

2 项目概况

在本工程110kV 线路设计中，新建双回110kV 线路路径长度约2×12.0km，导线采用JL/LB20A-400/35 型铝包钢芯铝绞线，地线采用JLB40-80 型铝包钢绞线。，全线架空线路所经山地占40%、丘陵占30%、平地占30%，地面高程为4～450m，途径自然生态保护区、二级水库、荔枝园、水田等，地质条件较好，均未发现有滑坡、泥石流、崩塌、断层等不良地质现象及明显的不良构造行迹。山地、丘陵地质为可塑状黏土、硬塑状黏土、泥质粉砂岩、花岗岩等，平地地质为回填土、淤泥、粉质黏土及岩石层。通过对该区域现运行的110kV 线路数据分析，出现高频雷击跳闸现象较多，所以针对本工程新建线路，采用加强防雷设计，并从根源上做好线路防雷工作。

3 设计方案有关问题分析

3.1 优化敷设接地网的模式

3.1.1 方案

针对雷击多发区域段，本工程新建的25#～N34#铁塔位置主要为硬塑状黏土、泥质粉砂岩，测出土壤电阻率范围为715～1431Ω·m。结合工程实际塔基征地情况，本次采用放射性布置，在杆塔四周设计8 根φ12 的镀锌圆钢，统一焊接为放射状并延伸向周围，接地线埋深约0.8m，接地体纵长不小于480m。

3.1.2 优化分析

在该方案中采用放射性布置，且整体效果较为理想，测得工频接地电阻都小于20Ω。若输电线路被雷击，先通过接地引下线及装置的雷电流，接着会基于半球形向四周土壤分散流入。因金属电阻不大，故此可忽略引下线及接地设施电阻。一般由冲击电阻来定接地电阻，且散流形状半径还与冲击电阻有关联。随半径的增大，便会加快散流速度，向土壤流入更大的电流，而冲击电阻则会更小。在设计中利用接地网结构变化，控制接地延伸体长，旨在增大散流半径，扭转电流流向以降阻。

3.2 减小杆塔接地阻值

3.2.1 方案

本工程新建的43#～N52#铁塔位于山顶，经现场勘察知，地质主要为泥质粉砂岩、花岗岩。在设计中通过爆破降阻剂填充法来降阻。在爆破中地下出现裂缝，再通过压力机向深孔、裂缝压进降阻剂，以连通降阻剂和地下大区域土壤来降阻。

3.2.2 改进分析

目前也有采用石墨接地的方式，来降低接地电阻，但因石墨接地的后续维修难度大，且造价高，还未广泛普及。本工程采用降阻剂材料的方式优化接地土壤来降阻，随土壤电阻率的变小，雷击接地阻值也就会更小。线路的耐雷水平都会伴随工频接地阻值的变大而减小，降低杆塔接地电阻便显得尤为重要。所以线路接地阻值越小，体系耐雷能力就会越强。

3.3 导线以上的避雷线架设

3.3.1 方案

从110kV 全线出发，均架设好避雷线和OPGW 光缆。按路径走向，选用具体的杆塔形式，并设置好地线保护角。例如，在设计大坡度山脊上立的杆45-48#时，均选高低腿，且用双避雷线。而在跨越二级水库段的38-41#处，考虑到档距达563m，则选用特殊设计，适当加长地线横担。

3.3.2 优化分析

架空地线一般会屏蔽保护导线，若线路遭雷击，先会击中杆塔以上的架空地线。若塔顶遵守雷击，则地线会分流，降低杆塔流入雷电流，而弱化塔顶电位。此外，还会引起导线耦合电压，而减小绝缘子串电压。所以，随着屏蔽水平的提升，就越少遭受雷击。而保护角与屏蔽程度相关，所以在本方案中，便按工程实际、规程需要来有效控制保护角。

3.4 改善绝缘性能

3.4.1 方案

当线路途径平地时，考虑到周边工业较多，污染严重，属C级污秽区，所以在设计中，按C 级污秽区等级统一爬电比距的上限来配置绝缘子，所以该段线路的悬垂和耐张绝缘子采用8～10片（一般为7 片）。

3.4.2 改善分析在绝缘强度中，主要涉及绝缘子拥有的机械、电气、内外过电压等的强度。在规划输电线路时，会按电气强度来定绝缘子形式和量，再校验耐雷性能。针对C 级污秽区，可以结合实践经验，选用玻璃绝缘子，并配置好爬电距离对应的有效系数。在具体设计时，选用型号为U100BLP-2（结构高度146mm，爬距450mm）的玻璃绝缘子，控制8 片/串，在设备最高工作相电压时其爬电比距为56.68mm/kV，远大于C 级污秽区爬电比距上限要求，增强了线路耐雷性能。而伴随绝缘子片数的增多，爬电比距也会增大，而降低绝缘子串的整体工频电场强度，避免雷击闪络向稳定电弧转变，且绝缘子的一半闪络全波冲击电压幅值和耐雷能力具有正比关系，所以这样能增强抗雷效果。

4 注意事项

但是，以上的防雷设计也仅仅能尽量降低高压输电线路的雷害率，与其余自然灾害相同的是，线路雷击往往无法预料，需要在强化雷电防御设计的同时，积极着手事故出现后的补救措施。这样方才可以尽可能地避免雷电带给110kV 输电线路的不良破坏，并保障电网线路运作的安全与通畅。

考虑到当雷电击中高压线路时，雷击跳闸往往避免不了。所以，为了充分降低跳闸后带来的危害损失，则可以考虑以下补救措施：针对双回路线实施不平衡绝缘法、安装自动重合闸等。针对双回线路而且雷击跳闸中的同时跳闸占比很大，所以需要尽可能降低雷电引起双回线路相同杆塔上面的同步跳闸率，不然便会带来很不好的后果。一般就会顺着一条通向杆塔路线的导线上，平添绝缘子两个，以提升杆塔一侧的状态绝缘性能，而维持另一边不变，从而形成同塔双回线路体系杆塔上面的一种不平衡绝缘性，减小双回路线路一起同时跳闸率，并增强双回路体系供电可靠性。而在防雷线路上，重合闸装置极为重要，但是需要限制在某个范围以内。当雷击跳闸后，可以通过重合闸装置的自动动作来确保供电可靠性。