架空输电线路雷击故障分析及治理方案

国网吉林省电力有限公司超高压公司 郝高磊

现阶段电力行业已经形成了比较完善的雷击故障防控技术体系，常用的技术手段有架设避雷线、降低杆塔接地电阻值、实施差异化防雷等若干种。在实际应用中，需要结合架空输电线路的运行特点，总结以往发生雷击故障的具体原因，在明确雷电防护存在问题的基础上，制定具有针对性的雷击故障防治措施，从而有效减少雷害事故发生，保障架空输电线路的安全运行。

1 某220kV架空输电线路雷击故障分析

1.1 线路基本信息

某220kV输电线路于2014年11月份投入运行，线路总长度16.54km，杆塔数量60座，输电线路导线统一使用2×LGJ-400/50钢铝芯绞线。其中，1-25#杆塔所用避雷线为OPGW-B1/35型，26-60#杆塔所用避雷线为OPGW-B1/107型。相邻杆塔的间隔距离设置较为合理；故障点查询。2020年7月12日14时22分，该220kV输电线路出现差动保护动作跳闸，线路C相故障，重合成功。安排技术人员对故障发生位置进行现场检查后，确认39#杆塔C相绝缘子均压环烧毁，并且在下均压环处有明显的放电烧灼痕迹。39#杆塔采用的是220kV猫头直线杆塔，杆塔型号为ZM6-23.6，设有2根高度为31.8m的避雷线，避雷线保护角为12°[1]。

1.2 雷电强度

结合省雷电定位系统提供数据，在2020年7月12日14时20-22分，以39#杆塔为中心，周围500m范围内共出现6次落雷，其中最小雷电流幅值为-14.8kA，最大雷电流幅值为-48.0kA，历次落雷的相关数据如表1所示。

表1 220kV输电线路雷电定位数据

1.3 线路各指标情况

技术人员对故障区域开展现场测量，主要获取接地电阻、避雷线保护角、杆塔绝缘水平等指标信息。测量结果如下：39#杆塔在故障发生后接地电阻的阻值为5.2Ω，符合《110（66）kV及以上输电线路差异化防雷改造指导原则》（以下简称《指导原则》）中的要求[2]；39#杆塔为ZM6-23.6型猫头塔，杆塔呼高为23.6m，防雷保护角12°。而《指导原则》中规定220kV输电线路杆塔防雷保护角＜10°，故39#杆塔的避雷线保护角超出要求；39#杆塔使用了FXBW4-220/70悬垂单串绝缘子，设计绝缘水平为-100kA，而本次雷击故障中的雷电定位数据中，最大雷电流幅值为-48.0kA，故排除杆塔绝缘不足引起的跳闸故障。

1.4 雷击跳闸原因

综合上述分析，该220kV架空输电线路中39#杆塔发生雷击跳闸故障，其原因是避雷线保护角偏大，导致绝缘击穿继而发生跳闸。

2 针对220kV架空输电线路的雷击治理方案

2.1 降低接地电阻

对于220kV架空输电线路来说，通过适当降低杆塔接地电阻值，能够明显增强杆塔的耐雷水平，从而达到降低雷击故障发生概率的目的。而试验研究也表明，在相同绝缘水平下，接地电阻越小杆塔雷击跳闸率越低。目前常用的新型降阻技术主要有两种，即使用空腹注水式接地装置和采用爆破接地技术。

空腹注水式接地装置。由2个钢质半圆筒组装形成，同时为降低装置的电阻值和提高防腐蚀效果，在内外表面均做热镀锌处理。装置分为上下两部分，上部装入天然水、下部装入吸水黏土。从装置的下放引出一条接地线，与附近杆塔水平接地网连通（图1）。该装置在一些土壤电阻率较高的山区、丘陵地带有着较好的降阻效果。同时由于装置结构相对简单，因此使用成本不高，前期安装及后期维护也比较方便，可配合常规的降阻措施共同使用，进一步提高架空输电线路的综合防雷水平。

图1 塔头侧向避雷针结构图

爆破接地。也是近几年出现的一种降阻新技术，主要适用于电阻率高且常规降阻难度大的高山岩石地区。其操作方式为：首先进行降阻地区的岩土勘测，了解地质环境、土壤状况，然后利用钻机向下钻孔。当孔洞达到合适的深度后，向钻孔内放置一个接地电极。由下到上安装若干炸药，起爆之后在岩层间出现若干缝隙。再使用压力设备将填充剂、降阻剂灌注到钻孔中，在压力作用下化学药剂渗透到岩石缝隙中，从而以爆破孔为中心，使周边大范围内的土壤电阻率都可以得到明显降低。同样的，爆破接地技术也可配合其他常规降阻措施达到提高架空输电线路综合防雷水平的效果。需注意，在选择降阻剂、填充剂时应优先考虑电阻率低、不易流失、对接地电极无腐蚀作用的产品。

2.2 优化杆塔的绝缘配置

综合对比常用的几种防雷改造技术，通过提高杆塔绝缘配置水平达到降低雷击故障效果，具有操作简单、成本较低、适用范围广等一系列优势。其操作方法是适当增加杆塔上绝缘子串数量，以此来提升杆塔的耐雷水平；同时，随着绝缘子串长度的增加，线路保护角也随之减小，也在一定程度上降低了架空输电线路的雷击跳闸率。尤其是在一些雷电活动频繁的区域或一些重要输电线路处，该方式的应用效果良好。在6片、8片和10片绝缘子的三种绝缘水平下，5种接地电阻对应的雷击跳闸率如表2所示。

表2 不同接地电子下绝缘子对杆塔雷击跳闸率的影响

结合表2数据可知，当杆塔上有6片绝缘子时接地电阻为10Ω，杆塔雷击跳闸率为0.538%；而接地电阻为30Ω时，杆塔雷击跳闸率则达到了2.171%，增长了近4倍。在8片、10片绝缘子的情况下，也遵循同样的规律。另外，对于不同的地质条件，由于土壤电阻率存在较大差异，因此在架设220kV架空输电线路的杆塔时，对接地电阻值也有不同的要求。参考相关规定，在平原、低矮丘陵等土壤电阻率较低的地区杆塔的接地电阻值应≤10Ω；在山区等土壤电阻率较高的地区杆塔的接地电阻值应≤20Ω。

2.3 减小避雷线保护角

通常情况下避雷线的保护角≤25°，原则上来说保护角越小越好。根据相关规定，对于220～330kV的输电线路，保护角宜控制在20～30°。对于已经投入运行的220kV输电线路，如果因为设计、安装等方面的原因保护角超过30°的，一种方法是改造杆塔结构，以降低避雷线与导线的夹角[3]。但是其弊端较多，例如成本高、改造时间长等；另一种比较常用的方法是保证线路对地距离维持在标准范围之内的前提下增加绝缘子串的数量，或者增加绝缘子串的长度，一来是增大爬电距离、二来是减小了保护角。这种方法操作方便、成本较低，适用于新建或在建线路。

2.4 安装避雷针

在220kV架空输电线路上安装避雷针是降低雷击故障的一种有效方法。另外，安装不同数量的避雷器，其防雷保护效果也不尽相同。在杆塔接地电阻值相同的情况下，安装避雷器后，杆塔雷击跳闸率要明显降低；两边相装设避雷器，其防雷保护效果要优于一边相装设避雷器，具体情况如表3所示。

表3 不同接地电子下避雷器对杆塔雷击跳闸率的影响

结合表3数据可知，在接地电阻值为10Ω的情况下，不安装避雷器，杆塔雷击跳闸率为0.538%；一边相装设避雷器后，雷击跳闸率降低为0.226%；两边相装设避雷器，雷击跳闸率降低为0.147%。对比来看，220kV架空输电线路宜在杆塔两边相都装设避雷器，可以达到更好的防雷保护效果。除此之外，使用不同结构形式的避雷针，其防雷保护效果也有差异。目前220kV输电线路上比较常用的避雷针有两种类型，其结构组成和应用特点如下：

塔头侧向避雷针。核心组成包括均压球、引雷针尖、安装翼等（图2）。其保护原理为：将该装置安装在杆塔横担的一侧，提高杆塔对雷的吸引能力，从而保护杆塔的塔头部分不会被雷电损害，主要发挥“引雷”的作用[4]。塔头侧向避雷针的应用优势在于安装方便，且成本较低，在接地状况较好的杆塔上可应用；可控放电避雷针。其核心组成包括主针、动态环、储能装置等（图3），其保护原理为：将该装置安装在杆塔的塔顶，当周围空间电场强度较低时空气未被击穿，此时装置底部的储能装置开始储存空间电场能。当发生雷击后，储能装置会释放出与雷云电荷相反的、自下而上的带电粒子流，从而起到了拦截雷电、防止雷击破坏的效果[5]。可控放电避雷针的应用优势在于使用成本低、后期维护方便。

图2 可控放电避雷针结构图

2.5 架设耦合地线

也是一种常用的防雷击措施，多用于低矮丘陵和平原地区的架空输电线路。在导向的下方增加一条耦合地线，利用地线与导线间的耦合作用，一方面可显著增强架空输电电路的反击耐雷水平，另一方面也能发挥提升导向屏蔽作用的效果，有助于预防雷电从侧面绕机导线。从实际应用效果来看，架设耦合地线对于降低110～220kV线路的雷击事故概率有显著效果。在应用这一方法时，也要注意考虑施工区域地形地貌等客观因素的限制。由于架设耦合地线须重新设计杆塔的高度，如果是山区陡峭地形会增加施工难度和施工成本。因此，要提前开展现场调研并开展经济技术对比验证后，再决定是否采用该方法。

综上，提高架空输电线路的防雷、耐雷水平，对保障线路稳定运行，维护电力用户和供电企业双方利益有积极帮助。实践表明，降低接地电阻、减小避雷线保护角，以及使用塔头侧向避雷针、可控放电避雷针等，均可取得理想的防雷保护效果，从而保障了输电线路的可靠和安全运行。