110kV 高壓輸電線路防雷設計的有關問題

李正錢

（東莞電力設計院有限公司，廣東 東莞 523000）

21 世紀下，國內經濟化建設日趨加快發展，社會用電需求量也越來越大。在“十四五”經濟轉型的環境下，工業自動化用電高速發展，這對輸電線路的輸送要求和安全可靠性也越來越高。其中110kV 輸電線路故障中主要以雷擊跳閘居多，其次是金具和絕緣子老化及極少數的外力破壞。本次對輸電線路防雷問題開展論述，從設計的源頭解決問題的所在，降低雷擊引起線路安全的概率，根據最新要求和新技術及時改進設計上的不足，以大幅改善輸電線路整體質量。

1 110kV 輸電線路上的雷電故障形式、 作用力及危害

1.1 故障形式

面對110kV 這種常見的輸電線路，雷電災害往往會對其穩定運行產生巨大的安全威脅。在當前的電力體系內，主要涉及以下十分常見的幾種雷電故障形式：首先，直接雷擊。線路上出現該類故障的概率很小，然而一旦出現的話，就明顯破壞到輸電線路沿途的設備、電塔、導線、電桿等部位。其次，在雷電電擊中，會有一定的電量會流經地面，其中會發生輸電線路超負荷反應情況，而致使輸電線路上的一些電氣設施在這種雷電感應下出現各種故障。最后，如果雷電擊中110kV 輸電體系線路上的防雷避雷針以后，便會發生短時間內的短路情況，也即出現反應破壞狀況。

1.2 作用力破壞機理

根據雷電作用高壓輸電線路的過程可知，其中主要涉及以下4 個階段：①雷電施加給輸電線路過電壓作用，而提升線路電壓。②線路彼此碰撞，并誘發出閃絡現象。③在輸電線路上，實際的電壓經由正常電壓一下子瞬間變成工頻電壓，致使線路瞬間溫度升高，在過高溫度下甚至還會發生保護層脫落、直接掉線等。④出現線路跳閘，供電體系陷于癱瘓狀態，并中斷供電過程。

在發生雷擊后，110kV 的整個輸電線路上可能會出現運行故障。主要的作用過程破壞機理為：倘若存在具有很多電荷成分類型的雷云，在110kV 輸電線路正上方形成，這些雷云便定會在地面電荷的作用下出現龐大的電場。當雷云持續不斷移動時，并且途徑110kV 輸電線路上的桿塔，則很高的桿塔便會破壞掉以上電場中存在的空氣絕緣體，再以此來迫使雷云通過輸電線路桿塔進行放電并且形成一個放電通道。在以上過程中，包含在雷云中的電流則會從空中直接向線路上的桿塔輸注。然后，以桿塔頂端充當載體，以電流行波進行放電。其中更核心的是，在整個過程中，所積累下來的過電壓會統一施加到桿塔裝置體系的絕緣子部件上。在以上過程的作用影響下，位于桿塔絕緣子結構一端部位的電壓參數值如果在電流放電參數值以下，則110kV 架空輸電線路導線就非常有可能會迫于雷電的作用力而呈現明顯的絕緣閃絡現象。在整個閃絡過程中，出現的工頻電弧則非常有可能會致使110kV 輸電線路上分布的二次保護體系收到來自電流互感器、電壓裝置內的有關信號源，并做出一定的保護動作，而導致110kV 輸電線路表現出瞬時性跳閘情形故障。

1.3 危害

作為自然界的常見災害之一，雷電災害會伴隨環境的變遷及污染的惡化而變得更加激烈，甚至引起各種事故，從而嚴重影響到110kV 線路運行的安全性。從輸電線路上看，雷電不僅具有很大的運營危害，而且引起的事故也十分普遍。尤其是在國內山地丘陵等交通不便之處，一旦線路出現事，就難以及時查驗或處理。同時，在雷電過程中，還常常伴有一定的大風，一旦大風將線路吹起，嚴重情況還會令線路陷入癱瘓狀態。所以做好防雷保護，采取有效的防雷措施，需要電力工作人員的不懈努力。

2 項目概況

在本工程110kV 線路設計中，新建雙回110kV 線路路徑長度約2×12.0km，導線采用JL/LB20A-400/35 型鋁包鋼芯鋁絞線，地線采用JLB40-80 型鋁包鋼絞線。，全線架空線路所經山地占40%、丘陵占30%、平地占30%，地面高程為4～450m，途徑自然生態保護區、二級水庫、荔枝園、水田等，地質條件較好，均未發現有滑坡、泥石流、崩塌、斷層等不良地質現象及明顯的不良構造行跡。山地、丘陵地質為可塑狀黏土、硬塑狀黏土、泥質粉砂巖、花崗巖等，平地地質為回填土、淤泥、粉質黏土及巖石層。通過對該區域現運行的110kV 線路數據分析，出現高頻雷擊跳閘現象較多，所以針對本工程新建線路，采用加強防雷設計，并從根源上做好線路防雷工作。

3 設計方案有關問題分析

3.1 優化敷設接地網的模式

3.1.1 方案

針對雷擊多發區域段，本工程新建的25#～N34#鐵塔位置主要為硬塑狀黏土、泥質粉砂巖，測出土壤電阻率范圍為715～1431Ω·m。結合工程實際塔基征地情況，本次采用放射性布置，在桿塔四周設計8 根φ12 的鍍鋅圓鋼，統一焊接為放射狀并延伸向周圍，接地線埋深約0.8m，接地體縱長不小于480m。

3.1.2 優化分析

在該方案中采用放射性布置，且整體效果較為理想，測得工頻接地電阻都小于20Ω。若輸電線路被雷擊，先通過接地引下線及裝置的雷電流，接著會基于半球形向四周土壤分散流入。因金屬電阻不大，故此可忽略引下線及接地設施電阻。一般由沖擊電阻來定接地電阻，且散流形狀半徑還與沖擊電阻有關聯。隨半徑的增大，便會加快散流速度，向土壤流入更大的電流，而沖擊電阻則會更小。在設計中利用接地網結構變化，控制接地延伸體長，旨在增大散流半徑，扭轉電流流向以降阻。

3.2 減小桿塔接地阻值

3.2.1 方案

本工程新建的43#～N52#鐵塔位于山頂，經現場勘察知，地質主要為泥質粉砂巖、花崗巖。在設計中通過爆破降阻劑填充法來降阻。在爆破中地下出現裂縫，再通過壓力機向深孔、裂縫壓進降阻劑，以連通降阻劑和地下大區域土壤來降阻。

3.2.2 改進分析

目前也有采用石墨接地的方式，來降低接地電阻，但因石墨接地的后續維修難度大，且造價高，還未廣泛普及。本工程采用降阻劑材料的方式優化接地土壤來降阻，隨土壤電阻率的變小，雷擊接地阻值也就會更小。線路的耐雷水平都會伴隨工頻接地阻值的變大而減小，降低桿塔接地電阻便顯得尤為重要。所以線路接地阻值越小，體系耐雷能力就會越強。

3.3 導線以上的避雷線架設

3.3.1 方案

從110kV 全線出發，均架設好避雷線和OPGW 光纜。按路徑走向，選用具體的桿塔形式，并設置好地線保護角。例如，在設計大坡度山脊上立的桿45-48#時，均選高低腿，且用雙避雷線。而在跨越二級水庫段的38-41#處，考慮到檔距達563m，則選用特殊設計，適當加長地線橫擔。

3.3.2 優化分析

架空地線一般會屏蔽保護導線，若線路遭雷擊，先會擊中桿塔以上的架空地線。若塔頂遵守雷擊，則地線會分流，降低桿塔流入雷電流，而弱化塔頂電位。此外，還會引起導線耦合電壓，而減小絕緣子串電壓。所以，隨著屏蔽水平的提升，就越少遭受雷擊。而保護角與屏蔽程度相關，所以在本方案中，便按工程實際、規程需要來有效控制保護角。

3.4 改善絕緣性能

3.4.1 方案

當線路途徑平地時，考慮到周邊工業較多，污染嚴重，屬C級污穢區，所以在設計中，按C 級污穢區等級統一爬電比距的上限來配置絕緣子，所以該段線路的懸垂和耐張絕緣子采用8～10片（一般為7 片）。

3.4.2 改善分析在絕緣強度中，主要涉及絕緣子擁有的機械、電氣、內外過電壓等的強度。在規劃輸電線路時，會按電氣強度來定絕緣子形式和量，再校驗耐雷性能。針對C 級污穢區，可以結合實踐經驗，選用玻璃絕緣子，并配置好爬電距離對應的有效系數。在具體設計時，選用型號為U100BLP-2（結構高度146mm，爬距450mm）的玻璃絕緣子，控制8 片/串，在設備最高工作相電壓時其爬電比距為56.68mm/kV，遠大于C 級污穢區爬電比距上限要求，增強了線路耐雷性能。而伴隨絕緣子片數的增多，爬電比距也會增大，而降低絕緣子串的整體工頻電場強度，避免雷擊閃絡向穩定電弧轉變，且絕緣子的一半閃絡全波沖擊電壓幅值和耐雷能力具有正比關系，所以這樣能增強抗雷效果。

4 注意事項

但是，以上的防雷設計也僅僅能盡量降低高壓輸電線路的雷害率，與其余自然災害相同的是，線路雷擊往往無法預料，需要在強化雷電防御設計的同時，積極著手事故出現后的補救措施。這樣方才可以盡可能地避免雷電帶給110kV 輸電線路的不良破壞，并保障電網線路運作的安全與通暢。

考慮到當雷電擊中高壓線路時，雷擊跳閘往往避免不了。所以，為了充分降低跳閘后帶來的危害損失，則可以考慮以下補救措施：針對雙回路線實施不平衡絕緣法、安裝自動重合閘等。針對雙回線路而且雷擊跳閘中的同時跳閘占比很大，所以需要盡可能降低雷電引起雙回線路相同桿塔上面的同步跳閘率，不然便會帶來很不好的后果。一般就會順著一條通向桿塔路線的導線上，平添絕緣子兩個，以提升桿塔一側的狀態絕緣性能，而維持另一邊不變，從而形成同塔雙回線路體系桿塔上面的一種不平衡絕緣性，減小雙回路線路一起同時跳閘率，并增強雙回路體系供電可靠性。而在防雷線路上，重合閘裝置極為重要，但是需要限制在某個范圍以內。當雷擊跳閘后，可以通過重合閘裝置的自動動作來確保供電可靠性。

5 結語

綜上所述，在設計110kV 高壓輸電線路時，應著重考慮有關防雷問題。但是，防雷設計相對復雜，要求明確各項設計要求，合理設計方案，以維護線路的整體穩定性。同時，還應各專業部門一起通力配合，以充分利用防雷技術的優勢，大幅改善設計的可行性、適應性、有效性，以控制線路質量，達到防雷需要的水平。