架空输电线路防雷浅谈

架空输电线路防雷浅谈

吕峰

（运城市电力开发总公司山西运城044000）

摘要：架空输电线路是电力系统的重要组成部分。由于它暴露在自然之中，故极易受到外界的影响和损害，其中最主要一个方面是雷击。近年来，随着电网规模的不断发展，雷击引起输电线路跳闸故障也逐渐增多，严重影响线路设备安全运行及线路的供电可靠性。从输电工程伊始，架空输电线路的雷击跳闸一直是困扰安全供电的一个难题，雷害事故几乎占线路全部跳闸事故的1／3或更多。因此寻求更有效的线路防雷保护措施，，采取有效措施降低线路的雷击跳闸次数，是确保电网安全运行的一项重要工作，也一直是世界各国电力工作者关注的课题。

1、前言

随着电力工业的迅速发展，输电线路覆盖面不断扩大，超高压输电线路的延伸，因雷击输电线路而引起的跳闸事故日益增多，据国内外输电线路故障在近十几年来的分类统计表明，由于雷击引起输电线路的跳闸次数占输电线路总故障的50%—70%，尤其是在多雷，土壤电阻率高，地形复杂地区的输电线路雷击事故率更高，这将给社会带来巨大的经济损失。

2、输电线路雷击的原理及雷击危害产生的种类

2.1雷电放电的发展过程

通常雷击引起的电力系统过电压，称为大气过电压。雷云放电在设备上产生的过电压，是由于雷云的影响而产生的，所以也称作雷电过电压。大气过电压可分为直击雷过电压和感应雷过电压。雷直接击于电气设备或输电线路时，巨大的雷电流在被击物上流过造成的过电压，成为直击雷过电压；雷击电气设备、输电线路附近的地面或其他物体时，由于电磁感应和静电感应在电气设备或输电线路上产生的过电压，成为感应雷过电压。

雷云对大地的放电通常包括若干次重复的放电过程，而每次放电又可分为先导放电、主放电和余辉放电三个主要阶段。雷云下部大部分带负电荷，故绝大多数的雷击是负极性的。雷云中的负电荷会在附近地面感应出大量正电荷，当云中某一电荷中心的电荷较多，雷云与大地之间局部的电场强度达到大气游离所需的电场强度（约25-30kv/cm)时，就会使空气游离。当某一段空气游离后，这段空气就由原来的绝缘状态变为导电性的通道，称为先导放电。先导通道是分级向下发展的，每级先导发展的速度相当高，但每发展到一定的长度（约25m~50m）就有一个（30~90）μs的间歇。所以它的平匀发展速度较慢（相对于主放电而言），约为（1~8）×105m/s，出现的电流不大。先导放电的不连续性，称为分级先导，历时约0.005~0.01s。在先导通道发展的初始阶段，其发展方向受到一些偶然因素的影响并不固定。但当它发展到距地面一定高度时（这个高度称为定向高度），先导通道会向地面上某个电场强度较强的方向发展，这说明先导通道的发展具有“定向性”，或者说雷击有“选择性”。当先导接近地面时，地面上一些高耸的突出物体周围电场强度达到空气游离所需的场强，会出现向上的迎面先导，当先导通道的头部与迎面先导上的异号感应电荷或与地面之间的距离很小时，剩余空气间隙中的电场强度达到极高的数值，造成空气间隙强烈地游离，最后形成高导电通道，将先导头部与大地短接，这就是主放电阶段的开始。主放电完成后，云中的剩余电荷沿着主放电通道继续流向大地，形成余辉放电，电流不大，约为103~101A，持续时间较长（0.03~0.05s）。由于云中同时可能存在几个带电中心，所以雷电放电往往是重复的。

2.2雷电的主要危害

1）电流高压效应会产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，如此巨大的电压瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾害。

2）电流高热效应会放出几十至上千安的强大电流，并产生大量热能，在雷击点的热量会很高，可导致金属熔化，引发火灾和爆炸。

3）雷电流机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现象导致财产损失和人员伤亡。

4）雷电流经典感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大亮点和，当雷电小时来不及流散时，既会产生高电压发生放电现象从而导致火灾。

5）静电流电磁感应会在雷击点周围产生强大的交变电磁场，其感生出的电流可引起变电器局部过热而导致火灾。

6）电流的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置或电气线路断路而燃烧导致火灾。

7）雷电流能破坏电力系统的各个元件，有可能造成发电机、电力变压器、断路器和其他电气设备绝缘损坏，线路上的绝缘子也会因雷击而发生闪络或破碎、导线烧断和木质电杆被雷劈裂等事故。

3、输电线路防雷计算

3.1输电线路的感应过电压

3.1.1雷击线路附近大地时

有两种感应

4、输电线路运行中的防雷措施

架空输电线路雷害事故的形成通常要经历四个阶段：输电线路收到雷电过电压的作用、输电线路发生闪路、输电线路从冲击闪路转变为稳定的工频电压、线路跳闸，供电中断。针对雷害事故形成的四个阶段，现代输电线路在采取防雷保护措施时，要做到“四道防线”，即：

1）防直击，就是使输电线路不受直击雷；

2）防闪路，就是使输电线路受雷击后绝缘不发生闪路；

3）防建弧，就是使输电线路发生闪路后不建立稳定的工频电弧；

4）防停电，就是使输电线路建立工频电弧后不中断电力供应

在确定输电线路的防雷方式时，应全面考虑线路的重要程度、系统运行方式、线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌特征、土壤电阻率的高低等条件，并结合当地已有的线路的运行经验，进行全面的技术经济比较，从而确定出合理的保护措施。现有的输电线路防雷保护措施一般有以下各项

4.1架设避雷线

架设避雷线时输电线路防雷防护的最基本和最有效的措施。避雷线的主要作用是防止雷直击导线，同时还具有以下作用：

分流作用，以减小流经杆塔的雷电流，从而降低杆顶电位；

通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子的电压；

对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。

通常来说，线路的电压越高，采用避雷线的效果越好，而且避雷线在线路造造价中所占的比重也越低（一般不超过线路总造价的10%0.因此规程规定，220kV及以上电压等级的输电线路应全线架设避雷线，110kV线路一般也应全线架设避雷线。

为了提高避雷线对导线的屏蔽效果，保证雷电不致绕过避雷线而直接命中导线，应当减小绕击率。避雷线对边导线的保护角应做得小一些，一般采用20°-30°。220kV及330kV双避雷线线路应做到20°左右。500kV及以上的超高压、特高压线路都假设双避雷线，保护角在15°以下。

4.2降低杆塔接地电阻

降低杆塔接地电阻是最直接、最有效的防雷措施之一。接地电阻阻值的高低是影响杆（塔）顶电位高低的关键性因素。杆塔接地电阻如果过大，雷击时易使杆（塔）顶电位升高，对线路产生反击。若接地电阻满足要求，则雷电波侵入时，绝大多数雷电流将沿着杆塔导入大地，不致破坏绝缘，从而保证线路的安全运行。

对于一些土壤电阻率较高的高山、岩石等地带，常采用换土、敷设射线、埋设连续伸长接地体、使用降阻剂等方法，一般都能起到较好的降阻效果。

良好的接地是线路得以安全运行的根本保障，若接地满足不了要求，雷电流就会泄导不畅，反而会使杆（塔）顶电位升高，对线路造成反击。因此，防雷与接地密不可分，难以割舍，必须协同一致，相互配合，线路防雷工作才能卓有成效。

4.3架设耦合地线

在降低杆塔接地电阻有困难时，可采用架设偶和地线的措施，即在导线下方（或附近）再架设一条底线。它的作用主要有以下方面：

1）加强避雷线与导线间的耦合，从而减少绝缘子串两端电压的反击电压和感应电压的分量；

2）增加了雷击塔顶时向相邻杆塔分流的雷电流。

运行经验表明，耦合地线对减小雷击跳闸率的效果是显著的，尤其在山区的输电线路其效果更为明显。我国曾对110KV和220KV有避雷线线路采用过加装耦合底线的做法。下面是我国部分有耦合底线线路运行结果汇总；

几条有耦合线线路的雷电性能比较

4.4装设线路自动重合装置

输电线路遭受雷击跳闸一般都是瞬时性接地故障，大多数情况下都能在线路跳闸后自动重合成功，因此，架设线路自动重合装置，能大大提高线路的供电可靠性。

4.5采用不平衡绝缘方式

现代高压和超高压输电线路中，采用同杆并架双回路的日益增多。为了降低雷击时双回路同时跳闸的几率，通常的防雷措施无法满足要求时，可以考虑采取不平衡绝缘方式，亦即是一个回路采用正常绝缘，另一个回路适当增加绝缘。这样，雷击时，绝缘子片数少的回路先闪络。这样，闪络后的导线相当于底线，增加了对另一回路导线的耦合作用，使其耐雷水平提高而不再发生单若，从而保证线路继续送电。

4.6采用消弧线圈接地方式

适用110KV以下电压等级电网，可使大多数雷击单相闪络接地故障被消弧线圈消除，不致发展为持续工频电弧。我国的运行经验表明，该措施可是雷击跳闸次率降低1／3左右。

4.7加装负角保护针

在防止绕击雷方面，一些单位已经做了很好的尝试。通常是在绕击雷活动频繁区段加装负角保护针，该保护针为上翘30°长约2.4m的屏蔽针，安装在线路两边相，将绕击区屏蔽掉，可有效防止雷电绕击，起到了很好的防雷效果。

4.8安装线路避雷器

在我国跳闸率比较高的地区，高压线路的总跳闸次数中，由于雷击引起的跳闸次数约占到40%-70%。为了减少输电线路的雷害事故，提高供电的可靠性，可在线路雷电活动强烈或土壤电路率很高的线段及线路绝缘薄弱处装设避雷器。一般在线路交叉处和大跨越高杆塔等处装设。

4.8.1安装线路避雷器的基本要求

良好的伏秒特性，实现合理的绝缘配合；

良好的绝缘强度自动恢复能力，利于快速切断工频续流，使电力系统得以继续运行；

硅橡胶护套氧化锌线路避雷器已取得良好的应用效果

4.8.2线路避雷器的应用

线路避雷器的投资较大，难以普遍采用，建议有限安装在下列条件下的杆塔：

山区线路易击段、易击点的杆塔；

山区线路接地电阻超过100兆且发生多闪路的杆塔；

水电站升压站出口线路接地电阻大的杆塔大跨越高杆塔；

多雷区双回线路易击段、易击点的一回线路上。

结束语

由于雷电现象的复杂性和雷电活动的分散性，雷击几率受制约因素的多样性，它的危害不可能完全避免和消除。我们只有不断努力探索和尝试，使危害降低到最低程度。

(1)雷电危害与气候、环境、地质、设备等多种因素有关。因此，防雷工作应深入一线，掌握现场第一手资料，要有针对性的采取综合防雷措施；

(2)防雷技术措施的实施，要进行技术经济综合比较，合理选择。已运行线路还可能受杆塔结构强度、高度等条件的影响，因此应从实际出发；

(3)任何防雷措施、设施都不能一劳永逸，要不断完善，勤于运行维护和检修，才能充分发挥其作用；

(4)应该对线路历年雷击资料和各种防雷设施投运后的实际效果，建立完善详实的原始资料，以便累计真实客观的第一手资料，为今后线路防雷措施的进一步完善和今后运行线路附近新建工程的防雷设计提供依据；

(5)线路设计前期，对于路径沿线气候、地形地貌、地质情况、已运行线路雷害情况应收集细致、完整的资料，对土壤电阻率等尽可能予以实测；

接地装置施工要规范严格，接地电阻测试要客观真实可信。

同时，安装输电线路时，安装单位要严格按有关规程、规范进行施工，讲究施工工艺，确保施工质量，并使用优质合格的原材料。安装过程中，应由运行单位和工程监理严格把关，全过程参与，几十监督和检查以确保工程质量。

输电线路投入运行后，运行单位要加强运行维护做好防雷技术管理工作，并将防雷与污染工作结合起来进行，对老旧线路要投入相当的资金进行大修改造，避免线路运行年久、设备老化而降低其耐雷水平。线路由于雷害引起故障跳闸后，要几十运用雷电定位系统来查找雷电事故，并通过重合闸、备自投装置等尽快回复供电。

通过对输电线路防雷的研究，本人体会到只要重视输电线路的防雷，加大对输电线路防雷的投入，提高输电线路防雷的科技含量，加强对雷电的检测和预防，加强输电线路的运行维护工作，输电线路防雷是“可控”的，降低雷害及跳闸率是完全可行的。

参考文献

《电力工程高压送电线路设计手册》中国电力出版社出版

2．《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》中国电力出版社出版

3．《电力金具手册》中国电力出版社出版

4．《架空送电线路基础设计技术规定》中国电力出版社出版