输电线路雷击架空地线断线的原因分析及防雷措施

输电线路雷击架空地线断线的原因分析及防雷措施

赵蓂冠岳云凯

国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆乌鲁木齐831400

摘要：架空输电线路与普通输电线路具有一定的区别，尤其多处于山区并且范围广，长期暴露在荒野中，经常会产生众多雷击事故。因此在输电线路的地线设计中要优化设计，采取相应措施进行相应维护，提高线路的防雷以及抵抗自然灾害能力，保证输电的正常进行，从而保证生活用电以及工业用电。

关键词：输电线路；雷击；原因及防雷措施

1、雷电防护概述

雷电防护有一套专门的理论。比如，雷电产生的机理，要研究大气物理学，用物理学的方法探讨雷电产生的原因。雷电对电子设备的雷害机理，需用大气电学的方法。研究雷电的防护方法，又涉及电工学，微电子学和材料学。雷电流的大小、雷电的波形研究，一般通过理论推导和现场实测，将现场实测的波形和理论推导拟合，这就需要用统计学的知识合概率论的知识。雷电科学还是一门试验科学，由于雷电机理的研究对雷电成因的解释许多出于假说，必须通过现场试验和模拟试验验证。同时，防护设备的好坏必须通过实验室模拟试验和现场对比试验两个环节，才可初步判断其好坏，最后，还要用统计学知识，对现场试验作出科学判断。

2、雷击跳闸率

对架空输电线路而言，防雷保护工作的目的是尽量避免导线不受雷击或雷击之后尽量使绝缘子不闪络，从而避免因产生工频电弧造成跳闸。也就是说线路遭受雷击而不跳闸，不影响系统的正常供电就是架空输电线路防雷的根本目的。而架空线路地处旷野，绵延成百上千公里，而在雷电多发区经常遭受雷击的线路，即使加装了各种防雷措施也做不到完全不跳闸，目前衡量某条线路雷击跳闸情况采用雷击跳闸率（定义：架空输电线路在规定长度和规定雷暴日下因雷击引起的事故跳闸次数），防雷设计就是要求出某条线路的雷击跳闸率，尽量降低雷击跳闸率。

3、雷击架空地线断线原因探讨

3.1雷电流的热效应

雷击架空地线时，雷击点的电流密度最大，温度最高，雷电弧的温度可达数千K。虽然雷电流在通过导体时，其热效应是不大的，但是当雷击导体时，在直接与放电通道相接触的地方却可能受到高温的作用，有时可以使金属熔化达几毫米的深度。这个现象很可能是有些架空地线不正常断股的原因。

3.2雷电流的冲击效应

曾有记载雷电劈开百年大树和将钢筋混凝土击出一个大洞的现象，这说明雷电有较大的机械冲击力（即雷电流的冲击效应），当导地线遭受雷击时，如果雷电冲击波的冲量大于导地线所能耐受的冲量，导地线将被打断。雷电冲击波的冲量决定于雷电流的幅值和波长，导地线所能耐受的冲量决定于它的结构和状态。

3.3工频短路电流的热效应

雷击架空地线断线的同时几乎伴随着绝缘子闪络放电，由于地线一杆塔系统的阻抗（电阻）远小于被雷击放电接地的杆塔，在雷击放电接地的杆塔，大部分的工频续流分流到架空地线上。设杆塔平均接地电阻Rav=15Ω，地线平均档距电阻rav=3.7/1000*300=1.1Ω，则每侧杆塔数大于20每侧的地线一杆塔系统的的接地电阻R=（Rav*rav）1/2=4.1Ω，有44%的短路电流流过雷击点架空地线。由于雷击瞬间使架空地线的温度骤升，电阻大为增加（即Rθ增加），进一步使温升提高。由于短路电流的作用时间长（0.2s以上），虽然短路电流值比雷电流小，但作用时间长，能量大于雷电流能量，在其共同作用下，进一步提高了雷击点的温升。镀锌钢绞线的短路允许温度为+400℃。

3.4高温下架空地线的张力作用

雷电流和工频短路电流的热效应使雷击导线温度升高。在高温下，架空地线的抗拉强度降低，钢的熔化温度为1560℃。由于雷电流的热效应、冲击效应和工频电流的热效应以及抗拉强度下降的架空地线的张力共同作用下，架空地线断落。

3.5设计规程和设计考虑欠妥

设计规程只对短路电流的热稳定作出要求，没有对雷电流和短路电流共同作用下的热稳定作出要求。而设计部门在设计时，通常按照地线与导线的最小配合进行地线设计，没有认真按照规程进行地线的热稳定校验。

4、输电线路雷击架空地线断线的防雷措施

4.1合理规划输电线路路径

根据实际运行经验，供电线路遭受雷击较为集中的区域往往是某些特定的区段（选择性雷击区）。通常情况下，如下几种地形容易形成雷击：（1）雷暴走廊，该类地区主要是顺风的峡谷、河口以及山口等；（2）盆地，尤其是地处湿润地区的山区盆地，杆塔周围有水库、水塘以及沼泽地等，这些地区容易发生雷击；（3）土壤电阻率出现突变的地带，例如地质断层区域，土壤和岩石、岩石与农田之问的交接地带，这些都是雷击频繁发生的区域；（4）地下土壤存在导电性矿藏、地下水位较高的地区；（5）虽然土壤电阻率变化不大，但是处于山顶或向阳的坡地，也容易发生雷击作用。所以，在输电线路规划过程中，首先要采取相应的技术措施，尽量避开上述5种地形，这样可以为后续输电线路防雷击工作创造良好的条件。

4.2提高输电线路的绝缘水平

在选择供电线路的绝缘子时，要重点考虑采用新技术设计制造成的绝缘子，尤其要注重后期绝缘子的检修、维护以及更换工作，保证其高可靠性。通常而言，输电线路目前主要采用有机合成的绝缘子。虽然从理论上讲，有机合成绝缘子在绝缘性能方面比陶瓷、玻璃绝缘子的性能差，但是由于其采用了不击穿的结构，当出现雷击放电作用时，可以有效地防止不可逆现象的发生，使得线路具有明显的绝缘优势。所以，在大部分雷击频繁区域，甚至雷击很强烈的区域，都可以采用普通型的有机合成绝缘子。但是，要注意使用的前提条件是保证绝缘子的耐雷击水平满足其使用区域的雷击水平要求。

4.3加装塔顶防雷拉线

防雷拉线有分流和屏蔽的作用。在雷击杆塔顶部时，一部分雷电流经杆塔入地，一部分雷电流经防雷拉线入地，可以起到分流的作用，降低反击电位，减少反击的可能性。根据对某条线路雷电流幅值近20年的实测，在雷击杆塔顶部时，塔顶防雷拉线使塔身分流系数下降了1.5倍，即耐雷水平至少提高了1.5倍：当雷电流绕过杆塔顶部的避雷线，在直击导线时，首先会触及防雷拉线，可以起到屏蔽作用，减少绕击的可能性。

4.4应用雷电定位系统

雷电定位系统是一种全自动实时雷电监测系统。当线路发生雷击跳闸时，雷电定位系统能准确定位雷击杆塔，帮助巡线人员及时查找故障点，大大节省巡线人员的故障巡视时间，使线路及时恢复供电，确保线路的供电可靠性。同时，通过对雷电定位系统的统计分析，能及时掌握雷电活动的规律、特性和有关数据，对防雷工作大有裨益。

5、结语

高压输电线路距离长、跨度大、地理分布广，气象条件十分复杂，所以遭受雷击的概率很高，雷击事件时有发生。据电网故障分类统计资料表明，雷击引起的高压输电线路跳闸次数占总跳闸次数的40%～70%。雷害事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占有很大的比重。特别是伴随着科学技术的发展，开关和二次保护的产生，电力系统内部过电压的降低及其导致的事故的减少，雷击引起的线路跳闸事故占据日益主要的地位，不仅影响线路、设备的正常运行，而且极大地影响了日常的生产、生活。线路的雷击事故在电力系统总的雷电事故中占有很大的比重。据不完全统计，因雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的60%以上。输电线路故障跳闸直接影响功率的输送，同时也对电网的安全、稳定运行构成了重大威胁，采取有针对性的防范措施，尽最大可能降低输电线路跳闸率，是线路运行单位追求的目标，也是构建“坚强智能电网”的前提和根本。

参考文献：

[1]黄瑞梅.输电线路防雷接地技术研究[J].水电能源科学.2014（5）

[2]叶福深.高层建筑防雷接地问题探讨[J].科技资讯.2015（29）