220 kV 输电线路综合防雷技术分析

程一豪

（国网四川省电力公司达州供电公司，四川 达州 635000）

0 引 言

220 kV 高压输电线路遭受的雷击危害包括感应雷和直击雷2 种类型。由于其配备有绝缘水平较高的绝缘线路，很少受到感应雷的击打，主要以直击雷故障为主。不管是遭到何种雷击，输电线路都会产生高热反应，且高压效应极强，可能会进一步损害相关设备与输电线路。若发生线路断裂的情况，则会对用户用电造成不利影响，因此有必要研究与探讨综合防雷技术，以增强线路雷电防护的有效性与实用性。

1 雷击故障类型

目前，220 kV 输电线路分布广泛。220 kV 输电线路及杆塔由小电阻金属材料组成，具有较好的导电性。遭受雷击后，雷电往往朝着电阻较小的线路方向移动。由于线路和雷电本身自带电流，在两者的共同作用下，输电线路会产生电磁感应，从而增加雷电损坏线路的可能性，因此必须采取有效措施减少雷击的频率。雷电危害如图1 所示。根据雷击伤害的不同，可以将雷击分为感应雷和直击雷（雷击电磁脉冲）[1]。感应雷主要是雷击中线路杆塔附近地面，从而迅速生成一股很强的感应电压，可以击穿线路的绝缘层。直击雷是雷电直接击打线路杆塔，对线路杆塔造成严重危害。直击雷根据故障类型划分，可包括绕击故障和反击故障，其中：绕击故障是雷电避开避雷线直接击打导线，使得避雷线无法发挥屏蔽作用；反击故障则是直击雷击打线路杆塔，生成极强的电效应，击穿线路绝缘层，从而引起线路跳闸现象。

图1 雷电危害

2 区域高压输电线路防雷现状

以南方某区域的220 kV 输电线路为例，其线路全长为6 230 m，转角4 次，线路曲折系数为1.17。该线路与220 kV 输电线路、110 kV 输电线路、小铁路以及公路各交叉1 次，并且经过菜地与树林。研究发现，该线路所采取的防雷措施是全线铺设分流线与镀锌钢绞线，并搭配负荷架空地线，如光纤复合架空地线（Optical fiber composite overhead Ground Wire，OPGW），以预防直击雷，并设置了统一的保护角，而未按照线路其他部位的实际情况进行设置，因此很难预防多种形式的雷击与频繁的雷电活动。同时，在埋深0.8 m 的位置放入1 个采用镀锌圆钢焊接的放射形复合接地装置，接地引下线采用同样的材质，具有连接杆塔和接地装置的效用。但是，过多设置接地引下线，并且通过防盗螺栓将其紧固，会导致遇到紧急情况时无法将其快速解开，不利于测量杆塔的接地电阻[2]。

220 kV 输电线路雷击故障位置多发于山区，尤其是山腰、河谷谷口、山顶处、河岸、紧邻农作物以及金属矿床等处。2019—2022 年，220 kV 单回架空输电线路单相受雷击比例已经达到83%，220 kV 同塔双回架空输电线路单相受雷击比例接近90%。

3 220 kV 输电线路综合防雷技术分析

3.1 架设避雷装置

避雷装置也称为接闪装置。对220 kV 的输电线路而言，有必要采取基础性的防雷技术措施，包括布置接地、避雷针、避雷线以及引下线等。避雷线的布置如图2 所示。避雷线的安装多为沿线布置，通常使用保护范围广的双避雷线。在特殊或关键的杆塔上安装避雷器，当杆塔受到雷击时，雷电流超出避雷器动作值后，雷电流的分布情况就会发生变化，导致更多的雷电流通过避雷器进入导线，并流入下一基杆塔，提升了导线电位，同时塔顶电位与导线电位的差值将小于绝缘子串放电电压的50%，避免雷击闪络的情况发生。避雷针通常架设于杆塔的侧面，220 kV 单回线路须在边相导线横担上装设侧向避雷针，220 kV同塔双回线路则在中相导线横担上装设侧向避雷针，侧向避雷针长度应伸出横担2 m。雷电击打现象发生时，避雷针主动接受雷击，避雷针等避雷设施的最高位置电场出现畸变，电场强度提高，给引雷提供有利条件，进而将雷电生成的强大电流引至地面，构成一个放电回路。该技术必须结合当地环境与具体位置因素使用，并且需要保证接地深度足够，方可实现有效引雷。

图2 避雷线的布置

3.2 对接地电阻的处理

输电线路的接地电阻越高，雷击生成的反击率就越高，从而提高线路跳闸率。该背景下，需要处理接地电阻。通常情况下，220 kV 的输电线路的接地电阻不小于4 Ω。接地电阻的处理方式如下：一是使用降阻剂，对土壤做化学处理；二是更换局部土壤，加大接地体的埋深，尽可能地延长接地体，以达到减小接地电阻的目的；三是自制降阻笼，用18 mm直径的圆钢当作降阻笼立方体主架构，其他侧面用10 mm 直径的圆钢织成网状结构，浇筑完基础结构以后将磨具拆开，焊接钢筋笼。焊接钢筋笼时，要想避免钢筋笼直接接触基础底盘，应当先回填土壤，再铺设油毡绝缘纸进行隔离[3]。同时，用油毡绝缘纸包裹基础立柱，包裹高度要超过钢筋笼10 cm，避免接地钢筋笼和基础中的金属体发生回路效应而对接地电阻的检测造成不利影响。钢筋笼焊接好后套在基础立柱上，要求两者同心相接合，并将基坑的钢筋笼用热镀锌圆钢连接，焊接接地引下线，最后回填土，使其和地面处在同一高度[4]。

3.3 增强绝缘子串的材料性能

以往常采用每段绝缘地线只架设1 个接地点的方式，限制地线的感应电压幅值，减少了环流损耗。研究发现，地线使用该类接地技术，与杆塔接地相比，对其保护性能的影响并不大。该背景下，可增强绝缘子串的材料性能，以提升线路绝缘水平，充分发挥绝缘子串的保护效用[5]。同时，可以采用复合绝缘子、增加绝缘子干弧距离与绝缘子片数的方法来提升线路的绝缘水平。例如：重大污染区和雷电多发区的220 kV 输电线路适合采用复合绝缘子或者加长干弧距离的方法，其中干弧距离应加长10%～15%，无污染区和少雷区可采用瓷质绝缘子。按照电压等级计算波纹形的角度与数量，按照绝缘子的高度、位置与垂直度，将绝缘子设计成粗细不一的形状，从而增加干弧距离。不同绝缘子串的性能设计如图3 所示。

图3 不同绝缘子串的性能设计

3.4 控制避雷线的保护角

避雷线保护角是由导线、避雷线以及垂直线之间构成的夹角。避雷线可以起到引雷与保护导线的作用。正常情况下，保护角在20°左右。对220 kV 的输电线路而言，可以增设1 条双避雷线，从而扩大保护覆盖范围，并将保护角调节到12°～16°。此外，针对雷击严重的区域，需要适当地减小避雷线的保护角。避雷线保护角的布置如图4 所示。其中：h1为避雷线高度；h2为导线高度；A为导地线；B为导地线与地面弧度；C为导地线与地面接触点；α为避雷线保护角；θ为地面倾角；γ为地面最大击距。

图4 避雷线保护角的布置

4 对综合防雷技术的优化

4.1 方案设计

在220 kV 输电线路的设计中，应结合具体情况进行改进，科学采用综合防雷技术，改造老旧的输电线路，并时刻检验线路，包括设置接地电阻和检测接地设备等。如果发现设备不合格或出现故障，那么第一时间更换设备，并调整设计方案。例如，针对雷直击导线的区域，若具备增设架空避雷线的条件，可采用新架设架空避雷线与石墨柔性接地装置组合的方案，尤其是对雷直击导线频繁的单线单攻220 kV 线路的区域，更需要优先选用该方案。在无架空避雷线且无接地装置的多发雷击跳闸线路中，220 kV 某区段线路为水电站发电上网线路，由于防雷收益方不是本地直属机构，暂不改造。220 kV 河谷谷口电网网络结构优化完成后，需要退出220 kV 运行，改为110 kV 运行，因此暂不改造。分析2019—2022 年多条220 kV 线路的雷击杆塔位置情况可知，绝大多数雷击发生在杆塔顶端，因此对该类线路采用电感性滤波式避雷针接闪器和普通圆规钢接地装置组合的方案。针对土壤电阻率过高的地带，一般采用垂直电极解决土壤表面接地效果差的问题。例如，可以在杆塔周围设置一定数量的垂直接地极并将其埋深，将深度控制在0.5 m 左右。若杆塔为水泥杆塔，则需要在间隔杆塔5 m 处布置垂直地极；若杆塔为铁塔，则需要在间隔杆塔7 m 处布置垂直地极。此外，需要注意利用圆钢材料对垂直地极进行处理，保证地极间距合适，长度为1.6 m[6]。

4.2 防雷效果

通过实际应用与统计发现，与一般线路相比，改造与优化过的220 kV 输电线路年均跳闸次数下降了约80%。在河谷谷口和山间处采用避雷线与石墨柔性接地装置组合的方法，年均跳闸次数从以往的30次降到14 次。在农田、公路、铁路等处采用电感性滤波式避雷针接闪器和普通接地装置组合的方法，年均跳闸次数从以往的25 次降到8 次。

5 结 论

虽然现阶段国内220 kV 输电线路在防雷接地技术方面获得了较大进展，但是依旧需要继续探索关键技术。由于雷击会严重危害高压输电线路，不可避免地导致绕击故障与感应雷故障。该背景下，文章深入分析了220 kV 输电线路综合防雷技术，采用安装避雷装置、对接地电阻的处理、增强绝缘子串的材料性能、控制避雷线的保护角等技术方法，避免雷击事故的发生，减小雷击对输电线路的影响，从而提高输电线路稳定运行水平，有助于促进电力企业实现可持续发展。