输电线路设计中线路防雷技术的运用

2022-03-24蔡德

新型工业化 2022年9期

蔡德

中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建福州，350001

0 引言

在实际的设计与运用中，雷电对于整体输电线路的影响主要存在以下两个方面：①在日常的电流运输中，输电线路主要是将生产和生活所需的电量运输到各个区域，这个过程中就会经过杆塔和电力运输设备，一旦杆塔和电线等电力设备受到雷电袭击就很有可能引发电线和杆塔起火、设备燃爆等安全问题；②当输电线路受到雷电影响时，被影响部位会出现电压过大、电流分离等情况，而相关设备则会由于高压而出现继电保护装置跳闸或是绝缘性材料受损等多种问题，从而引起电力系统的大面积瘫痪，引发诸多电力安全事故，因此，加强输电线路设计中的防雷技术就显得格外重要。

1 输电线路设计中引发雷电发生的因素

1.1 线路杆塔的高度

通常输电线路大多数采用悬挂的方式，尤其是高压输电线路。这些输电线路的杆塔通常设置在环境较开阔、人员较稀疏且无高层建筑的区域。因此，当遇到雷雨天气时，杆塔由于设计位置较高，周围没有可以遮蔽的物体，导致杆塔受雷击的概率增大。尤其是近些年，随着城市化建设速度的加快，电力企业已经扩大了输电线路的运用范围，杆塔的需求量开始增加，很多地区的杆塔高度也随之提升，出现了较为频繁的杆塔被雷击等问题。

1.2 自然环境影响

为了减少电力系统的运输损耗，很多的输电线路会经过山区或是降水量较为丰富的地域，这样一来输电线路受雷电影响的概率就会随之增大[1]，现阶段，我国发生输电线路雷击最频繁的地域就是山区和自然降雨较多的区域。因此，需要加强该地区的防雷技术设计与实施。

1.3 土壤电阻率减弱

输电线路的杆塔一般都是根部埋于地下，杆塔周围被土壤包裹。当前由于我国很多地区地势较为复杂，这些地域有高山和岩石围绕，遇到阴雨天气就会诱发雷电袭击，雷电再接触到杆塔下面的土壤，电阻率就会减弱，这样一来雷电就很容易与周边土壤或岩石形成反射，从而加剧雷击线路概率的发生。

2 输电线路设计中防雷技术的应用原则

2.1 因地制宜原则

因地制宜主要是借助当地的地理优势、环境特点进行防雷技术设计，这就要求设计者对线路和当地地形、环境有着非常深入的了解，这样设计才更具有针对性、安全性和合理性，才更容易防御雷电的袭击。

2.2 安全性原则

主要围绕输电线路的运输状态、运行路径进行综合评判，明确防雷技术上的诸多问题，从而在设计上制定最为符合标准的设计方案。

2.3 技术经济原则

所有的输电线路上的防雷技术设计原则都是以经济效益最大化为目标，因此，在设计上要采用最新的设计技术，并在搭建与实施上采用防雷水平较高的绝缘材料，从而提升输电线路的稳定与收益。

3 输电线路中防雷技术设计要点

3.1 交流电路设计

输电线路受到雷电影响最大、故障表现最为明显的当属交流电输电线路。雷电的活跃程度也与当地的地形、杆塔的高度以及交流电量的大小有直接关系[1-2]。在实际运用中，当交流电量过大，雷电很容易在周遭出现，并且伴随着杆塔受击特征明显，因此要注重交流电路的设计与运用。

3.2 直流电路设计

直流线路是连接设备两端的直流输电线路。对于直流线路而言，一般发生不同故障时线路设备终端的直流系统就会自动开启保护功能，并将保护的线路整流触发角移至160°。同时，逆变站将代替整流站进行电流输送，这样一来就可以将故障引发的电流疏导成游离状态，从而化解高强电流对设备与线路的损害。但要注意的是，当故障点触发或是设备再次启动时，就必须重新启动直流输电系统，从而保证输电线路的正常送电。一般情况下，当直流电路发生故障时，相关电路指令实施的时间和控制系统之间的时间有着直接的联系。因此，在设计上要将直流线路的保护装置和重启时间限制控制在小于交流电路的时间范围内，这样做的目的一是降低电流游离时间，杜绝二次电流泄露安全事故发生概率。二是降低工作人员对雷电故障点的查找难度。

4 输电线路设计中线路防雷技术运用

4.1 输电线路的合理应用

雷电活动和产生存在较大的特殊性和必要性，因此，相关电力企业在进行线路设计和安装时，根本无法完全规避雷电风险。通常情况下，最常见的雷击区域主要有以下几个：第一，高层建筑顶端或是杆塔上面；第二，高山、丛林、湖泊、水库、水塘等水资源较为丰富的盆地区域；第三，地下水位较高或是地下水资源中含有大量的金属矿物质区域；第四，高山和平原的交界处（地貌变化、起伏较大的区域）；第五，植被生长旺盛的山丘顶部；第六，杆塔区域内土壤的电阻率较小或是本区域内出现岩石断层的地带。因此，设计者在进行输电线路设计时，就必须参考这些因素对防雷技术进行合理设计。

4.2 架空避雷线

现阶段，整个电力行业使用最为广泛的避雷装置就是避雷线，避雷线的使用可以很好地帮助电线实现分流、耦合和故障屏蔽[2]，输电线路遭受雷电袭击的概率就会大大降低，从而实现防雷设计要求。架空避雷线对于输电线路的保护而言是非常有利的，其设计与应用可以起到分流雷电流的作用，这样杆塔就会拉开地表和塔顶的电位差。同时，避雷线的耦合功能也可以对电线中的导线进行耦合，并对雷电导电因子进行屏蔽，从而有效地降低和分解电流和电压。

4.3 铁塔接地电阻的运用

在实际运用中，防雷保护装置的作用主要是通过分流来影响输电线路的接地电阻。通常最为常见的接电电阻方式有以下几种：第一种主要是针对输电线路架设面积小、线路铺设规模小的情况，如果接地网的接触面积集中，那工作人员就可以将降阻剂涂抹于接地电阻表面，起到降低接地电阻值大小的作用。该方法由于操作简单、使用效果良好，因此被广泛地运用到实际的防雷设计中。第二种爆破接地技术是在第一种方式的基础上开展的一种防雷技术，首先它需要提前降低接地电阻的区域范围，并在该区域上采用一定的地面爆破，之后再利用压力机将电阻率较低的材质压入周边的裂缝中，从而起到降低周边土壤的导电作用。第三种主要针对水平接地电阻，水平接地电阻的长度和周边的环境之间的电感效益为正比关系，因此，设计者可以采用延长接地电阻水平长度来影响电阻值，经过长时间尝试，工作人员发现水平接地电阻长度增加，它的电阻率就会增大，通过增加水平接地电阻长度来降低雷电对输电线路的冲击系数，可以很好地对铁塔进行保护。

4.4 安装自动重合闸

自动跳闸是电力系统保护线路装置和电网系统安全的重要方式之一。在实际的供电环节，一旦输电装置发生故障，自动跳闸装置就可以在接收信号的第一时间跳闸，线路系统上的其他设备开关随之切断。而输电线路在运行中一旦遭受雷电袭击，那自动跳闸装置就会通过信号传输及时切断电流，如果雷电的放电在其控制范围内，它将进行自动消除，重新开闸连接线路，避免长时间跳闸对输电线路的影响[3-4]。因此，设计者在运用自动重合闸时，一定要多次考量选择一个较为合适的位置安装自动重合闸，并将自动重合闸装置和供电系统的继电保护装置进行连接，这样设计的目的在于降低线路雷击发生时长，提升电力整体系统的恢复速度。

4.5 增加杆塔的绝缘性

首先，设计人员在进行杆塔设计时要根据杆塔顶部的尺寸进行针对性防雷设计，要在杆塔承受的范围内合理添加杆塔专项绝缘性装置，从而提升输电线路的防雷属性。但要注意的是，这种方式比较考验施工企业的专业能力和成本投入，同时还必须注重对安全距离的把控，其原理在于这种防护技术与雷电活动的频发性、地理高度有着密切的关系，因此在施工作业中的难度比较大，工作人员要非常谨慎地考量施工工艺和技术水平。另外，据电力设备相关规程规定，电力工作人员要在总高程超出40米的范围且具有避雷线装置的杆塔上进行绝缘装置安装，这样防雷电阻值才能满足设计与施工要求[5]，因此，该技术对人员和环境都有着非常严格的要求。

5 防雷技术的优化路径

当前，我国已经采用多种防雷技术进行电力系统保护，输电线路作为主要的安全关注点常年受到雷击的概率较大[5]。而一旦线路受到雷击，那由此产生的诸多安全事故就会直接影响电力系统的稳定运行，因此，电力企业要在原有技术的基础进行新技术开发，这样才可以创造出更为优质的防雷措施，从而提升电力系统的安全系数。

5.1 强化大直径绝缘材料的应用力度

受到雷击的线路绝缘子串中，损坏较为严重的为装置两端，其中两端的装置片上第一片烧毁程度最为严重，而周边的绝缘子串相对较弱[6]。根据高电压定理知识点可知，我们可将绝缘子串比作一节，且这些小节均匀地分布在输电线内部，其中两端安装直径较大的绝缘子材料，并将绝缘子串放置在电流稳定的电场环境中加强其雷击抵御能力。与此同时，我们将绝缘子串的两端用大直径规模绝缘材质固定，当电压出现雷电袭击之后，一般的绝缘材质是无法抵御雷电压力而出现损坏，而大直径绝缘子串在受到高负荷雷击之后仍旧可以保持输送线路不被损坏，且中间部位会被高品质的大直径绝缘子材料保护[6]。在实际中，我们常见的外直径较小且采用一体化合成工艺的绝缘子串，其防御功能就会得到保护，而玻璃材质的绝缘子串将增设在大直径绝缘子的两端，一旦线路装置受到雷击或是电压过高而引发弧烧、自燃等问题时，其设备可进行自动爆破动作，这样就可以为后续人员检查提供便捷，实现精准故障检修。

5.2 预防片面化管理

传统的输电线路在进行防雷设计时过程存在较大的片面性，并且部分的防雷装置安装位置不当，容易造成预防与实际雷击存在较大区域误差。但近年来，随着我国用电量和关注度的提高，电力企业加强了对输电线路防雷技术的重视，之前的片面化管理也得到整改，且很多电力企业也针对性做了防雷技术的优化管理，尤其是对于一些比较重要的防护部位，做了全面、综合的设计与考量，减少了之前片面管理引发的雷击问题频发现象。