架空输电线路雷电防护

Abstract：the overhead transmission lines is lightning protection power system of the most important aspects of the lightning protection work, the commonly used lightning protection measures are: set up BiLeiXian, reduce the tower grounding resistance and laying coupling, and strengthening the line insulation wire, using the unbalanced insulation way, installation line lightning arrester, etc. Really solve the lines and lightning protection problems, but also from the reality, adjust measures to local conditions, the comprehensive management, take practical and feasible method, can achieve the desired result.

Key words: trip rate; Coupling ground; Insulation way; Lightning

中图分类号 :U463.62 文献标识码： A 文章编号：

引言：架空输电线路是输电网及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，最主要一个方面就是雷击。电网中事故以输电线路故障占大部分，输电线路故障又以雷击跳闸占的比重最大。据运行记录，架空输电线路供电故障一半以上是由雷电引起的，所以防止雷击跳闸可大大降低输电线路故障，进而降低电网中事故的发生频率。有的架空线路虽装设了避雷线，但还是遭受雷击，产生供电故障，所以输电线路的防雷一般情况下要根据据具体情况选择一套完善的防雷措施，进行综合治理。经多年探索，目前输电线路防雷基本形成了一系列行之有效的常规防雷方法。

1、架空输电线路的基本组成

架空输电线路由导线、避雷线、杆塔、绝缘子串和金具等主要元件组成。导线用来传导电流，输送电能;避雷线是把雷电流引入大地，以保护线路绝缘免遭大气过电压的破坏;杆塔用来支撑导线和避雷线，并使导线与导线间，导线与避雷线间，导线和杆塔间，导线和避雷线间，以及导线和大地、公路、铁轨、水面、通信线等被跨越物之间，保持一定的安[1]全距离;绝缘子用来使导线和杆塔之间保持绝缘状态;金具是用来连接导线或避雷线，将导线固定在绝缘子上，以及将绝缘子固定在杆塔上的金属元件。

2、雷电对架空输电线路的危害形式

架空输电线路雷害事故的形成，通常要经历四个阶段：输电线路受到雷电过电压的作用;输电线路发生闪络;输电线路从冲击闪络转变为稳定的工频电压;线路跳闸，供电中断。输电线路受到雷电过电压包括输电线路直击雷过电压和输电线路感应过电压。输电线路直击雷过电压又包括雷击杆塔反击时的过电压，雷击导线——绕击时的过电压和雷击避雷线档距中央时的过电压。输电线路感应过电压包含静电感应和电磁感应两个分量。

3、架空输电线路的防雷保护措施

输电线路防雷有四项基本原则：

(1).尽量使导线不受雷击;

(2).雷击之后尽量使绝缘不闪络;

(3).闪络之后尽量不建立稳定的工频电弧;

(4).工频电弧建立之后尽量不跳闸。

雷击最好不要跳闸，这是架空导线防雷的根本目的。电网中的事故以雷击跳闸比重较大，尤其在山区的输电线路，其故障基本由雷击跳闸引起。

3.1架设避雷线

架设避雷线是输电线路防雷保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：

①分流作用，以减小流经杆塔的雷电流，从而降低塔顶电位;

②通过对导线的耦合作用可以减小线路绝缘子的电压;

③对导线的屏蔽作用还可以降低导线上的感应过电压。

经验表明，避雷线防止雷电直击导线的效果在平原地区是很好的，可是在山区，由于地形、地貌的影响，经常出现绕击、侧击、反击等避雷线屏蔽失效的现象，本文统计了途径沂蒙山区地形的部分线路跳闸故障，分析表明绕击占了极大的比例。其中500kV 线路平均每年发生2-3 次雷击跳闸，多则6-7次。从跳闸记录及避雷器动作记录显示：山的阳面多为直击、山的背面多为绕击。

沂蒙山区是多雷区，也是易绕击区，要减少绕击率，减少保护角是最重要的措施。根据DL/T620-1997规程计算的线路雷击跳闸率与杆塔高度、保护角、耐雷水平关系，可以推出随着杆塔高度增高、避雷线保护角增大，线路绕击跳闸率显著增加;根据电气几何理论计算的线路最大可能绕击电流与避雷线保护角、杆塔高度关系，可以推出对于220kV 线路，高度在35m 以下的杆塔20 度保护角的避雷线可有效防止雷电绕击导线引起跳闸;但在杆塔高度较高或避雷线等效保护角增大的情况下，雷电确实可能绕击导线且引起线路绝缘闪络。

3.2降低杆塔接地电阻

输电线路受到雷击如果不能及时泄流就会造成线路跳闸停电事故，而输电线路杆塔接地装置是雷电流泄流的主要方式。所以输电线路杆塔接地对电力系统的安全稳定运行至关重要，降低杆塔接地电阻是提高线路耐雷水平减少线路雷击跳闸率的主要措施。

杆塔接地电阻是影响塔顶电位的重要参数,对于一般高度的杆塔,当杆塔型号、尺寸与绝缘子型号和数量确定后，降低杆塔接地电阻对提高架空送电线路耐雷水平、减少反击概率是非常有效的。当杆塔型式、尺寸和绝缘子型式、数量确

定后，影响线路反击耐雷水平的主要因素则是杆塔接地电阻的阻值。

3.3避雷线有效跳通，提高泄流能力

以前沂蒙山区输电线路一般不考虑地线载波以及电线上电能损耗，采用全线接地。因地线挂线金具与铁塔挂线耳之间是线接触，结果发现地线与铁塔难以做到可靠接地，根据运行经验，发生过雷击的铁塔，地线挂线孔的螺栓丝扣常有烧熔现象。分析后认为，该点对雷电流泄流来说是一个间隙。因此我们认为耐张塔两侧地线应予以跳通，且跳通后与塔体需可靠连接。这样，在每个耐张段内提供泄流通道，可以提高输电线路耐雷水平。目前，沂蒙山区新设计的架空送电线路已采取这一方案。

3.4加强绝缘

由于输电线路个别地段需采用大跨度高杆塔(如：跨河杆塔等)，这就增加了杆塔落雷的机会。高塔落雷时塔顶电位高，感应过电压大，而且受绕击的概率也较大。为降低线路跳闸率，可在高杆塔上增加绝缘子串片数，加大大跨越档导线与地线之间的距离，以加强线路绝缘。

加强绝缘是提高杆塔耐雷水平的措施之一，工作中具体措施是在杆塔尺寸允许条件下每串增加1～2 片绝缘子，可以提高线路耐雷水平，但在杆塔接地电阻比较大时，效果不如改进接地电阻更为显著。在杆塔接地电阻为正常值5～30 欧时，加强绝缘雷电反击跳闸率可降低为原来的53.6%～70.7%，接地电阻越低，加强绝缘降低跳闸率效果越好。

3.5架设耦合地线

耦合地线是架设于输电线路相导线下的接地导线，耦合地线的作用主要有两个：一是增大避雷线与导线之间的耦合系数，从而养活绝缘子串两端电压的反击和感应电压的分量;二是增大雷击塔顶时向相邻杆塔分流的雷电流。计算表明，110kV 双避雷线路，增设耦合地线后，耦合系数增大约50%。耦合地线可使杆塔雷电流分流12%～22%。

经过对沂蒙山一带雷害频繁的双回路、多回路架设的输电线路进行架设耦合地线的工作试验，防雷效果令人满意。在加挂耦合地线时，还应充分考虑其弧垂对地距离及防止发生大风时导线与耦合地线碰线的短路事故。

3.6采用不平衡绝缘方式

所谓不平衡绝缘，是指同一基杆塔上三相绝缘有差异，下面两相较之最上面一相各增加一片绝缘子，当雷击杆塔或上导线时，由于上导线绝缘相对较“弱”而先击穿，雷电流经杆塔人地，避免了两相闪络。

同塔双回线路架设的输电线路电网普遍存在，但因导线垂直排列，杆塔较高，线路反击耐雷水平一般比同电压等级、导线水平排列的线路要低。国内外此种线路的运行经验表明，会产生同塔双回线路的绝缘子相继反击的现象，从而造成双回路同时跳闸。

根据实测的线路绝缘雷电冲击放电电压，对ZGU1-15 型塔采用不平衡绝缘后线路的雷击反击闪络概率进行了统计计算，给出了具体结果表明：不平衡绝缘方式下双回线路同时闪络的概率较目前平衡绝缘方式下有所降低。杆塔接地电阻越小，效果越大。在同杆双回线路的其中一回线路上增加绝缘子，确实可使双回线路同时跳闸的概率大大降低，但无法完全消除同时跳闸事故。

3.7加装放电间隙

为了保护变电站设备少受到雷电流的侵袭，采用在线路终端塔导线绝缘子处安装放电间隙。经过计算按0.75 倍绝缘子串，绝缘高度选取招弧角间隙长度，即可获得96%以上的保护效果。则110kV绝缘子长度为1.2 米左右，放电间隙距离约为0.7米，220kV 绝缘子长度为2.3 米左右，放电间隙的距离应取1.6 米较为合适。放电间隙的安装还可改善绝缘子串上的电压分布，起到一定的均压作用，提高绝缘子串的冲击放电电压。

3.8安装线路避雷器

线路避雷器防雷的基本原理：当雷击到杆塔时，塔顶电位迅速提高，其电位值为： Ut=iRd+L.di/dt

如果塔顶电位Ut与导线上的感应电位U1的差值超过绝缘子串50%的放电电压U0，将发生由塔顶至导线的闪络。即Ut-U1>U0，如果考虑线路工频电压幅值Us的影响，则为Ut-U1+Us>U0。

因此，线路的耐雷水平与三个重要因素有关：即线路绝缘子的50%放电电压、雷电流强度和塔体的冲击接地电阻。一般来说，线路的50%放电电压是一定的，雷电流强度与地理位置和大气条件相关。不加装避雷器时，提高输电线路耐雷水平往往是采用降低塔体的接地电阻。但在山区，降低接地电阻非常困难，这也是为什么输电线路屡遭雷击的原因。加装避雷器以后，输电线路遭受雷击时，雷电流的分流将发生变化，一部分雷电流通过避雷线传入相邻杆塔，经塔体入大地，当雷电流超过一定值后，避雷器动作加入分流，大部分的雷电流从避雷器通过导线传播到相邻杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时，由于导线间的电磁感应作用，将分别在导线和避雷线上产生耦合分量。因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络，因此，线路避雷器具有很好的钳电位作用，这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。

线路避雷器与线路绝缘子并联。当雷击时避雷器动作，避雷器的残压低于绝缘子串的50%放电电压，即使雷击电流增大，避雷器的残压仅稍有增加，绝缘子仍不致发生闪络。雷电流过后，流过避雷器的工频续流仅为毫安级，流过避雷器的工频续流在第一次过零时熄灭，线路断路器不会跳闸，系统恢复到正常状态。

通过对于沂蒙山区杆塔对比试验，在4个塔脚部位采用较长的辐射地线或打深井加降阻剂，以增加地线与土壤的接触面积降低电阻率，在工频状态下接地电阻会有所下降。但遭受雷击时，因接地线过长会有较大的附加电感值，雷电过电压的暂态分量L.di/dt会加在塔体电位上，使塔顶电位大大提高，更容易造成塔体与绝缘子串的闪络，反而使线路的耐雷水平下降。但线路避雷器具有钳电位作用，对接地电阻要求不太严格，对沂蒙山区线路防雷比较容易实现，经过多年研究对比知加装避雷器对防雷效果是十分明显的。

通过线路避雷器的选点和大量运行经验表明，线路遭受雷击往往集中于线路的某些地段，称之为选择性雷区，或称易击区。而在易击区及土壤电阻率高的沂蒙山区，使用带外串联间隙氧化锌避雷器，是技术性、经济性等理想的选择。

结语：

总之，影响架空输电线路雷击跳闸率的因素很多，也比较复杂。解决线路的雷害问题，要从实际出发，因地制宜，综合治理。在采取防雷改进措施之前，要做好认真地调查分析，充分了解地理、气象及线路运行等各方面的情况，核算线路的耐雷水平，研究采用措施的可行性、工作量、难度、经济效益及效果等，最后来决定准备采用某一种或几种防雷改进方案。

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