帶間隙避雷器在輸電線路防雷中若干問題的探討

李 侶，鄒建章

（江西省電力科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

江西地區屬亞熱帶季風氣候，且山川河流眾多、氣候濕潤，在全國范圍內也屬于多雷區，線路雷擊引起的跳閘一直以來都是線路跳閘的一個重要因素。隨著全省經濟社會的快速發展，電網規模也急劇擴大，輸電線路遭受雷擊及跳閘的可能性也顯著增加，而越來越高的供電可靠性指標也給我們的防雷工作提出了更高的要求。為此，江西省電力公司統計分析了輸電線路歷年遭受雷害情況，研究了歷年線路遭受雷擊情況和雷擊故障桿塔所處的環境特點，并有針對性地開展了輸電線路差異化防雷工作，由串聯間隙加避雷器本體所構成的線路避雷器作為的一種重要的防雷手段，在提高線路耐雷水平、降低雷擊跳閘率方面起到了非常重要的作用。

1 帶串聯間隙金屬氧化物避雷器

自上世紀八十年代開始，國內外即已開展了帶串聯間隙金屬氧化物避雷器的研究，并已成功地將線路避雷器應用在了輸電線路防雷上。理論和實踐經驗都證明采用線路避雷器能大幅度提高輸電線路的耐雷水平[1]，特別是在雷電活動強烈、土壤電阻率高且難以降低的地段和易受雷電繞擊的線段，效果更加顯著。

帶串聯間隙金屬氧化物避雷器與線路絕緣子串并聯使用，在線路正常運行電壓下避雷器基本無泄漏電流流過，相當于絕緣體；當遭受過電壓時，其阻值急劇減小，先于絕緣子串放電，泄放雷電能量，防止絕緣子串閃絡，避免線路跳閘。

由于串聯間隙的存在，線路避雷器具有以下優點：（1）運行時避雷器本體基本不承受系統運行電壓作用，泄漏電流極小，減緩了閥片的老化，延長了避雷器的壽命，由此可大幅度減少避雷器巡檢和例行試驗的工作量；（2）避雷器本體發生故障，帶串聯間隙結構可將避雷器本體與系統隔離開，不致造成短路而引起線路跳閘；（3）通過選擇合適的間隙距離，可使線路避雷器只在高幅值雷電過電壓下動作，而在工頻和操作過電壓下不動作，從而減少避雷器不必要的動作次數。

2 線路避雷器的保護機理

雷擊輸電線路存在三種情況，雷擊桿塔頂部、雷擊避雷線和雷繞擊輸電導線，加裝線路避雷器對于這三種情況都具有保護作用。對于雷繞擊輸電導線，當導線電位升高使得絕緣子兩端電壓達到線路避雷器的動作電壓時，避雷器動作加入分流，雷電流一部分將從避雷器流到桿塔以及避雷線，使塔頂的電位抬高，減小絕緣子串兩端的電壓差，從而避免了絕緣子閃絡。當雷直擊塔頂或避雷線時，線路避雷器的動作情況和繞擊的情況類似，當絕緣子兩端的電壓達到線路避雷器的動作電壓時，避雷器動作加入分流，雷電流大部分將從避雷器流到導線，這種分流的耦合作用將使導線電位提高，使導線和塔頂之間的電位差小于絕緣子串的閃絡電壓，絕緣子串不會發生閃絡。

帶間隙線路避雷器的動作也會在輸電線路和桿塔之間形成瞬時短路的情況，而避雷器設計能夠確保線路避雷器在通過雷電過電壓后，串聯間隙在系統的第一個工頻半周期內熄弧，小于繼電保護裝置的動作時間，之后線路絕緣恢復，不至形成穩定的工頻電弧，從而避免了線路跳閘。綜合來說，線路避雷器的保護作用體現在2個方面，一是鉗位，二是泄流。

3 線路避雷器的絕緣配合

為保證線路絕緣子串在雷擊過電壓下不閃絡，按照絕緣配合原則，需滿足以下兩點：

1）線路避雷器的雷電沖擊50%放電電壓應低于絕緣子串的雷電沖擊50%放電電壓，推薦使用以下判據來考慮線路避雷器的保護性能[2]：

式中，

S——雷電沖擊標準偏差，設定為3%；

X——建議值為2.5。

2）不同過電壓波頭下線路避雷器都必須與絕緣子串配合，即全時段工況下線路絕緣子串及線路避雷器的伏秒特性曲線包絡線都不能有交點，要求避雷器雷電沖擊（波頭時間在1μs～10μs）伏秒特性曲線應比被保護的線路絕緣子串的雷電沖擊伏秒特性曲線至少低10%[2]。

4 線路避雷器的保護范圍

在過電壓與防雷保護領域，保護范圍是一個備受關注的話題，就避雷器而言，對于電站型避雷器，由于需要限制的主要是以行波形式出現的各種過電壓波形，而且避雷器的安裝位置具有一定的調節空間，因此保護距離有一個明確的長度單位；而對于線路避雷器，安裝位置只能在桿塔上，而且雷擊閃絡點也只會出現在桿塔上，所以將保護范圍定義為本基桿塔安裝的線路避雷器能否保護臨近第1基桿塔、臨近第2基桿塔、或是臨近第N基桿塔是比較合理的，能夠保護的桿塔越多，相應的保護范圍就越大。

在討論線路避雷器的保護范圍之前，必須明確保護范圍的涵義，由于雷電流大小和雷擊點都是可以變化的，所以如果要充分證明安裝于本基桿塔的線路避雷器可以保護臨近第N基桿塔必須同時從兩個方面考慮，一是雷擊點位于本基桿塔，雷電流較小時本基桿塔和臨近桿塔都不會發生閃絡，隨著雷電流的增大，本基桿塔仍然不會發生閃絡，臨近第N基桿塔也不發生閃絡，而臨近第N+1基桿塔可能發生閃絡；二是本基桿塔安裝線路避雷器能否提高臨近第N基桿塔的耐雷水平。只有同時滿足這兩個條件，才可以說線路避雷器的保護范圍達到了N基桿塔。

4.1 反擊保護范圍

以220 kV單回ZMD型桿塔為例，桿塔呼高36 m，接地電阻10Ω，檔距L=300 m，絕緣子干弧距離為2.04 m，鄰塔計算條件相同。未裝設避雷器時桿塔耐雷水平為91 kA，現在桿塔兩邊相加裝線路避雷器，雷擊本桿塔頂部，隨著雷電流增加計算結果如下：

1）I=145 kA時，全線都不發生閃絡；

2）I=160 kA時，本基桿塔和相鄰第一基塔不閃絡，而第二基塔閃絡，即“保護范圍”可視為1基塔；

3）I=170 kA時，本基桿塔不閃絡，而相鄰塔全部閃絡，此時僅僅能夠保護裝避雷器桿塔。

當雷擊于裝設避雷器的桿塔和相鄰桿塔之間的避雷線上時，下表1列出了引起鄰塔發生閃絡的反擊閃絡電流值。可以看出：隨著落雷點靠近臨近桿塔，臨塔反擊耐雷水平下降，到雷擊于臨塔時，其反擊耐雷水平下降至其原始值，即本塔裝設的線路避雷器無法保護相鄰塔。

表1 鄰塔反擊閃絡電流隨落雷點變化情況（以本基安裝線路避雷器桿塔為原點）

4.2 繞擊保護范圍

以220 kV萬虎Ⅱ線ZMD型桿塔為例。取檔距L=400 m，由于為單回桿塔，繞擊只可能發生在兩邊相。對于ZMD型桿塔，由仿真結果可知兩邊相加裝線路避雷器后繞擊耐雷水平達到24 kA，而根據電氣幾何模型，對ZMD型桿塔最易發生繞擊的邊相地面傾角為10°的情況進行計算，其最大繞擊電流為21.2 kA，繞擊耐雷水平Isc約為5.6 kA，當繞擊雷電流I大于Isc時就會造成線路絕緣子閃絡。當繞擊點位于安裝線路避雷器桿塔絕緣子與線路連接點時，隨著雷電流增大，計算結果如下：

1）I=20 kA時，全線都不閃絡；

2）I=22 kA時，本基桿塔和相鄰第1基塔不閃絡，而第2基塔閃絡，即“保護范圍”為1基塔。

3）I=24 kA時，本基桿塔不閃絡，相鄰桿塔全部閃絡，即線路避雷器僅能保護本基桿塔。

當繞擊點向臨塔移動時，臨塔繞擊閃絡電流下降，如下表2所示。可見，就繞擊而言，線路避雷器也僅能保護本基桿塔。

表2 繞擊閃絡電流隨落雷點變化情況（以本基安裝線路避雷器桿塔為原點）

由此可以看出，不管從反擊還是繞擊的角度看，線路避雷器都不能有效保護臨近桿塔，而僅能保護本基桿塔，即線路避雷器不存在“保護外延”，希望通過安裝線路避雷器來保護整條線路或是一段線路的想法都是不現實的。由于目前單只線路避雷器的價格還比較昂貴，若大規模安裝不僅不經濟，而且也是沒有必要的，從技術經濟性的角度考慮，應選擇在易擊段、易擊桿、且接地電阻難以降低的區段或桿塔選擇性安裝方可取得比較好的效果。

5 線路避雷器使用

線路避雷器在輸電線路防雷中應用效果顯著，未來隨著設計、制造技術的進步和成本的降低必然獲得更加廣泛的應用，與此同時有幾點需要加以注意。

5.1 安裝地點選擇

1）一般原則：避雷器安裝位置一般應選在線路的易擊段、易擊桿和易擊相。在分析和確定避雷器安裝位置和數量時，已有雷害記錄的桿塔、耐雷水平低的桿塔及山區、高電阻率地區應優先考慮加裝避雷器，并應對線路反擊和繞擊的情況區別對待。

2）防反擊：為降低反擊跳閘率，單回線路三相均安裝避雷器；同塔雙回線路，宜在其中一回安裝避雷器。

3）防繞擊：單回路線路，安裝在兩邊相；對于經過山坡的線路，避雷器應安裝在下山坡側桿塔邊相。同塔雙回線路，鼓型排列的，宜安裝在中相。對于經過山坡的線路，避雷器宜安裝在下山坡側桿塔中、下相。跨山谷的線路宜安裝在兩側桿塔的中、下相。

5.2 線路避雷器安裝

目前的很多桿塔在設計的時候并未考慮加裝線路避雷器的需求，避雷器的加裝會對桿塔產生額外的負重和相應扭轉應力，特別是對于邊相，安裝不當有可能會對桿塔和安裝支架造成損壞，所以在避雷器安裝之前需咨詢廠家和桿塔設計部門。

避雷器安裝應充分考慮安全距離的因素，避雷器本體必須垂直安裝，注意本體避雷器鉛垂線與塔身的距離，確保安裝人員的人身安全；注意避雷器各部分與線路絕緣子的距離，防止線路運行過程中的異常放電。

5.3 運行維護

根據帶間隙線路避雷器的生產工藝和結構特點，《交流輸電線路用復合外套金屬氧化物避雷器》（DL/T 815-2012）規定帶間隙避雷器投運后的維護工作可以采用以下方式：只需定期巡視（每年至少一次，雷雨季節之前），目測避雷器的外觀是否有損壞情況，并記錄計數器的動作次數。

6 結束語

作為一種重要的高壓輸電線路防雷措施，線路避雷器的防雷效果取決于其與線路絕緣子串的絕緣配合、以及選點、安裝、運行維護等因素，本文重點對這些問題進行了分析，并對線路避雷器的保護范圍進行了探討。線路避雷器作為一種成本較高的防雷措施，應與降低桿塔接地電阻、安裝負角保護針、安裝雷電接閃器等其他措施相結合，實施差異化防雷，才能最大限度地體現其技術經濟效益。

[1]陳廣生.外串間隙線路型避雷器在架空輸電線路中的防雷作用[J].廣東電力,2006，19（10）：61-65.

[2]Q/GDW-11-263-2010，浙江電網交流輸電線路用有串聯間隙復合外套金屬氧化物使用導則[S].

[3]DL/T620-1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[4]GB311.1，高壓輸變電設備的絕緣配合[S].