山地多雷區配電線路防雷改善方案研究

李 龍

（國網寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

電力已經成為推動科學技術進步和帶動經濟發展的重要能源，各地將其作為重要的發展能源，不斷修建電網配電線路。電網配電線路建設規模持續增長，高壓輸配電線路也在不斷增加，但因受到城市征地困難等因素的影響，高壓架空輸電線路大多架設在高山上。農村地大物博，山地地形居多，山區面積大，地形復雜多樣，配電線路跨越多個山地，具有距離長、跨度大以及遭受雷擊概率較高的風險。據統計，在山區，每年因雷擊造成的線路跳閘故障約占輸配電線路總故障的40%～70%，部分地形地貌復雜的山區，如唐古拉山脈等，發生雷擊事故的概率更高，對當地經濟發展極為不利。因此，改造配電線路，消滅雷擊故障，為配電線路的平安運行保駕護航，已成為了當前各大供電所需要迫切解決的問題。

1 雷擊對配電線路的危害

配電線路遭受雷電過電壓的概率較大，主要有直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩種方式。直擊雷過電壓是指雷擊過電壓直接作用于導線、桿塔以及避雷針等配電網設備，造成配電網線路瞬間過電壓。感應雷過電壓是指雷擊大地時沒有避雷針的配電網導線將會存在感應過電壓，即使有避雷針的配電網導線也會存在感應過電壓，從而造成配電網線路瞬間過電壓。

對于山地多雷區配電線路來說，雷電對配電線路的安全危害較大，常常會出現絕緣子閃絡的現象，引發較大的配電網事故。再加上山地交通不便，氣候惡劣，巡視和排障的難度較大，在海拔較高的地區，由于山地地形特殊，雷電之后會出現大風和急雨等極端惡劣天氣，風速過快可能會造成高大的樹木壓在導線上，導致輸電線路發生振動后發生碰撞，線桿倒下甚至會導致線路中斷。如果不能及時處理配電線路故障，那么可能會造成較大的電力事故，甚至給人們的生命財產安全帶來巨大的隱患。在所有的電網事故中，配電網線路問題占比較大，而配電網事故中最常見的是雷擊跳閘事故。山區因為地勢和天氣等原因，雷擊后跳閘的事故較多，如果能夠有效控制雷擊跳閘事故，就可以極大程度降低配電線路的故障發生概率，降低電網故障的發生頻率。

2 DX輸電線路雷擊跳閘情況

根據浙江省電力公司頒布的《浙江電網地閃密度分布圖》得知，寧波地區的雷擊發生頻率較高，達到了D1級別（最高級別），配電網線路遭受雷擊的概率較大。特別是220 kV以上電壓等級的線路發生直擊雷電過壓和感應雷過電壓的可能性較大，遭受到雷擊跳閘的風險始終處于高位。

220 kV架空輸電線路DX線由寧波局管轄，該架空輸電線路全長25.351 km，采用同桿雙回路架設，共有桿塔67基，其中1#～38#桿塔所處地形為山地，39#～67#桿塔所處地行為平地。自2017年投入運營以來共發生10次雷擊跳閘事故，其中4次跳閘事故為同跳。該線路9次雷擊跳閘桿塔處在9#～14#之間，這一段主要地形為山區，地面傾角大，接地電阻大，雷擊活動頻繁，因而遭受雷擊的次數較多。此外，由于該線路為變電站的電源線，因此跳閘將會造成極大的安全事故，嚴重影響供電安全。

3 DX輸電線路遭受雷擊的原因

通過現場調研和測量看出，由于地質、地形、線路走經以及雷電分布等諸多因素的影響，導致輸電線路的接地電阻超標且線路耐雷水平不高，在山區和丘陵等地形區域遭受雷擊的可能性較大。

3.1 接地電阻超標

《架空絕緣配電線路設計技術規程》明確提出，開關金屬外殼接地電阻應當小于10 Ω，100 kV以下變電器外殼的接地點接地電阻應當小于4 Ω。但是，實際測量發現，該線路環城線路段基本滿足接地電阻要求，山區路段高于接地電阻要求。由于雷擊時產生大量的電流，在瞬間無法快速將電流流入大地就會形成閃絡，出現線路跳閘的情況。因此，通過減少配電網線路的接地電阻，使電流能夠快速流入大地，避免電流堆積，減少過電壓的發生概率和雷擊發生次數，提高配電網的配電效率和質量[1]。

3.2 線路耐雷水平不高

現如今，大量智能化設施設備的使用，極大降低了感應雷所造成的雷擊事故，提高了配電網的運行效率。但由于山區地理條件的限制，使得輸電線路可以選擇的走經有限，部分電桿不得不設置在山頂位置，增加了線路遭受感應雷的比例。DX輸電線路的9#～14#桿塔大部分在山頂位置，線路耐雷水平不高，因此這一線路段發生雷擊的概率較高，另外該線路沒有裝設避雷線，選用的絕緣子為1～2片，計算得知線路耐雷水平為1.1 kA，雷電流超過線路耐雷水平的概率為90%，每10次雷擊事故就有9次出現閃絡現象，造成線路跳閘[2]。

3.3 自動合閘并未完全投入運行

一般來說，90%的輸電線路故障為臨時故障，如大風引起的線碰線、鳥類引起的線路短路以及雷擊造成的閃絡或者過流等。這些故障大多為瞬態的，配電線路出現瞬態高壓和大電流時，繼電保護快速啟動，電弧熄滅，電流泄流，自動合閘，故障恢復。隨著智能電網建設的不斷推進，本線路安裝了自動重合閘裝置，供電可靠性得到了保障，但是雷擊后重合閘重合成功的概率僅為80%，大的雷電流會使重合閘因為游離不足出現故障，大雷電流還會造成兩相和三相故障。此外，重合閘未動作或重復性雷擊致使重合閘不動作等，將會造成故障停運。

4 DX輸電線路防雷改進措施

4.1 接地極改造措施

改造接地極的方式較多，結合DX線路的實際情況擬定更換鍍銅鋼接地材料和增加接地模塊等措施來改造接地極，降低接地電阻，提高線路泄流能力。

4.1.1 更換鍍銅鋼接地材料

DX輸電線路接地電網主要存在兩個方面的問題，一是接地網開焊造成焊接處腐蝕后斷開，特別是焊接處高溫造成鍍鋅層的破壞影響了接地效果，二是土壤和水分等因素的影響造成接地網的腐蝕嚴重，因此改造接地極對于降低電阻是十分有必要的。經討論，決定將9#、10#以及11#的接地極更換為耐腐蝕且電氣性能良好的鍍銅接地材料，采用新型的焊藥放熱連接工藝焊接。該焊接工藝主要是利用鋁還原氧化銅，無需外界電源，野外作業方便，而且能夠融化導線并形成永久性分子，提高防雷質量。

2019年，公司將9#、10#以及11#的接地極更換為鍍銅接地材料以后，在導電性、熱穩定性、耐腐蝕性以及防雷等方面取得了較好的效果。導電性方面，本次改造使用的接地極含有30%的銅，能夠將導電率提高到50%以上，與傳統的接地極導電率相比可以提高3倍導電率。熱穩定性方面，銅的熔點和短路時允許溫度分別為1 083 ℃和450 ℃，鋼的熔點和短路時允許溫度分別為1 510 ℃和400 ℃，截面相同的情況下銅比鋼好。耐腐蝕性方面，銅的氧化物表面可以阻止材料被腐蝕，而鋼的表面沒有保護因而容易被腐蝕，其腐蝕速度是銅腐蝕速度的30～50倍。接地極改造完成后，DX線路發生雷擊故障1次，重合成功1次，2020年尚未發生雷擊故障。

4.1.2 接地模塊改造

DX線路走經穿越高電阻率和密集落雷地區，遇到雷擊事故時，由于接地電阻較大，因此聚集在配電網導線上的大電流并不能瞬態轉移到大地，配電網導線的電位急速升高，電路過電流跳閘。但如果能夠通過改造接地模塊，減少接地電阻，將大電流快速排泄到大地，就可以減少雷擊事故的發生概率，避免發生接地故障。另外，根據先吸收、后泄放的原理，可以通過改良接地極來減少雷擊發生概率。本文設計基于電容器和非線性開關元件的雷電波吸收式接地裝置，該裝置由1支JD6000地電位限制器和4塊JDM3000接地模塊組成，當有大量的雷電電流瞬間注入時，可以通過吸收、消耗以及泄放3種方法將地電位抑制在安全范圍內，以保證輸配電線路各設備的安全運行。

根據該線路圖紙，最終決定在12#和13#安裝一套JD6000A接地網，將接地極與JD6000A接地網相連，接網入地。經過一段時間的運行觀察，線路改造后的雷擊故障明顯減少，改進效果明顯，且改進完成后，發生雷擊故障的地點距離安裝接地模塊的位置較遠。

4.2 避雷裝置改造措施

由于避雷線的造價較高，因此廣泛使用避雷線防雷將會造成項目建設成本增加。而避雷裝置成本不高，通過避雷器可以有效改善線路防雷狀況，因而在實踐中得到較為廣泛的應用。在線路上加裝避雷裝置時應當考慮兩個因素，一是要全盤梳理配電網線路上容易遭受雷擊的區域，重點關注跨越塔和易造雷擊桿塔等區域。跨越塔和桿塔不僅容易遭受雷擊，而且當發生雷擊時，還會因為電流無法快速通過鄰近桿塔分流，使得大量的電流聚集造成線路閃絡，從而引發雷擊事故。二是要合理測算需要的避雷器數量。配電網線路的耐雷能力，是由安裝避雷針的桿塔和桿塔的抗雷能力共同決定，如果桿塔遭受雷擊，瞬間大電流無法快速泄入大地，則不得不將大量的電流轉移到臨近桿塔[3]。但是，由于桿塔沒有足夠的抗雷能力，因此無法承擔大電流的桿塔必然會出現閃絡現象。

DX線路的走經受限，過半線路的桿塔處于高電阻率和高山頂部位置，在充分考慮接地狀態和易擊段鄰近桿塔狀況，最終確定加裝3組YH5CX1-17/50避雷器防雷效果最佳。YH5CX1-17/50避雷器充分利用了氧化鋅閥的非線性伏安特性，當電網沒有遭受雷擊時，避雷器停止工作，減少工作時間，增加雷擊時的使用壽命，當出現極端惡劣天氣時，為了避免配電網線路遭受雷擊，避雷針與電網接通將大電流引入大地，快速泄流，減少發生絕緣子閃絡或者擊穿的風險。

4.3 線路絕緣化改進措施

DX線路建成后，并沒有進行大規模的檢修工作，特別是對絕緣子個數和污染狀況的檢查不力。在綜合權衡投資收益后，公司對線路的絕緣化水平進行有針對性的改造，更換一些性能較差的絕緣子，并且增加了一部分懸式絕緣子。改造后的運行數據顯示，DX線路的耐雷水平得到了極大的提升，惡劣天氣等原因造成的雷擊跳閘事故發生率顯著降低，減少了雷擊事故的發生[4]。

4.4 自動重合閘改進措施

雷電過電壓造成擊穿大是瞬態事故，一般情況下絕緣子充分放電后都可以自動合閘，因此自動重合閘的改進可以極大地減少雷電事故，保證供電可靠性。本線路屬于單側電源線路，該配電線路具有分支多和串接線路多等特點。當線路上k2點短路時，可能會造成保護1泄流困難，過電流過電壓的時間長，造成該點發生雷擊過電壓事故的可能性較大。因此，在保護1上加裝合閘裝置，當保護1瞬態過流時，重合于故障線路后它的動作時限才按階梯特性配合的時限，線路上k1和k2發生故障均會快速切斷電流，消除故障點。如果故障為瞬態故障，通過智能設備自檢和自恢復能夠快速消除故障，恢復正常供電，如果故障點為永久性故障，智能設備自檢發現故障原因自動報警，不會快速合閘，應當配合整定時間動作。

4.5 加強電網的運行維護

除了上述防雷改善方案以外，還應當加強電網的運行維護，加強防雷設施設備的運維檢修工作，通過試驗等方式發現防雷設施的安全隱患，及時處理減少事故發生概率。積極引入一些先進的防雷設備，如新型的避雷針和避雷器等，通過新技術的引用來提高防雷能力。此外，不斷加強技術管理工作，總結防雷經驗和措施，通過實踐工作和培訓等方式引導員工學習防雷知識，提高防雷意識和防雷技術管理能力。

5 結 論

近年來，山區多雷區域多條輸配電線路遭受雷擊，預防輸電線路雷擊跳閘故障是迫切需要供電公司解決的問題。本文研究得出，山區多雷區的配電線路雷擊跳閘情況較多，雷擊后跳閘的事故較多，如果能夠有效控制雷擊跳閘的事故就可以極大程度降低配電線路的故障發生概率，降低電網故障的發生頻率。通過改造接地極、改造避雷裝置、改造自動重合閘以及線路絕緣化等措施能夠有效提高線路的防雷能力，對山區電網輸電線路的防雷設計、管理以及運行具有一定的實踐價值。