電力系統220kV輸電線路綜合防雷技術研究

廣東省恩平市氣象局 翟玉泰 江門市氣象局 于東海 遠華電氣技術（深圳）有限公司 羅佳俊

1 引言

220kV 輸電線路可能會發生直擊雷和感應雷的危害，因為是高壓線路的原因，線路絕緣配置高，感應雷的故障發生概率變小，多為直擊雷故障。但是無論是哪種類型雷擊，發生雷擊情況就會產生非常嚴重的高熱效應，以及產生非常強的高壓效應，還會產生靜電感應以及電磁感應現象，都會嚴重危害輸電線路以及相關設備，如果發生線路斷裂、跳閘的問題，會影響居民用電需求，給社會帶來不必要的影響，因此必須要做好防雷工作，多措并舉，切實提升線路雷電防護的有效性，減少雷擊的概率，意義重大。

2 雷電對輸電線路傷害類型以及嚴重危害

2.1 雷擊傷害類型

雷電是一種常見的自然現象，而220kV 輸電線路在我國分布非常廣泛，因為輸電線路，線路桿塔由電阻小的金屬材料構成，雷電往往是朝著電阻小的線路走，并且雷電和輸電線路可能會有電磁感應，這導致雷電擊打輸電線路的可能性提升，也就需要動用相應的措施，來降低雷擊的概率。對于雷擊傷害來說，主要有兩種，一種是直擊雷，另一種是感應雷[1]。直擊雷，顧名思義就是雷電直接擊打在線路桿塔上，對線路桿塔造成破壞，直擊雷按傷害類型也可分為反擊故障和繞擊故障。反擊故障指的是，直擊雷擊打在線路桿塔上，產生強大的電效應，擊穿線路絕緣，發生線路跳閘，而繞擊故障則指的是，雷電避開避雷線直接擊打在導線上，這也就意味著避雷線的屏蔽作用失效了。而感應雷則指的是沒有直接集中線路桿塔，而是擊中了線路桿塔周圍的地面，瞬間會產生強大的感應電壓，感應電壓對線路桿塔造成了嚴重的傷害，擊穿了線路絕緣層。

2.2 雷擊線路桿塔嚴重危害

雷電擊打在線路桿塔上，會造成嚴重的危害，主要危害有高熱效應、高壓效應以及電磁感應等三個方面[2]。首先，雷電擊打在線路桿塔上，會產生非常嚴重的高熱效應，因為雷電電壓極高，電流極大，高電流值會產生非常強的高熱效應，因此可能發生爆燃、爆炸等情況，線路可能被熔斷，甚至桿塔也可能因此倒塌。

其次，雷電如果擊中輸電線路就會產生電涌和強大的電應力，產生高壓效應，電壓幾十千伏到幾百千伏不等，電流十幾千安到幾十千安，如果雷電防護不當，那么線路會瞬間被擊穿，相關設備如變壓器也會被高電壓損壞，泄放電荷也會對線路桿塔以及周圍設施造成嚴重傷害。

最后，雷電擊中輸電線路，會產生較強的靜電感應和電磁效應，產生強大的交變電磁場，會沿著輸電線路傳輸很廣，同樣會對線路桿塔造成嚴重傷害，集成電路或各類型電子元件受到電磁效應（EMP）危害的原理很簡單，它的持續時間只有數十微秒，但波長范圍很廣、峰值電壓很高，接收到它的線路或者設備會產生短時間的強大電流，超過元件的承受能力就會導致損壞。因此，做好雷電線路桿塔的防雷保護，意義重大。

輸電線路防雷是全球輸電行業都在關注的問題，每年投入的研究試驗費用在輸電成本中占比較大，但仍有未攻克的難關，雷擊故障是輸電線路故障的主要類型。目前，主要的防雷手段是降低線路高度、減少接地電阻、增加避雷線保護角、采取主動安全引流設備、增設耦合線等方式。

3 防雷技術分析

3.1 安裝接閃裝置

接閃裝置也就是避雷裝置，對于220kV 輸電線路來說，避雷針以及避雷線是一種基礎性的但很有用的防雷技術措施，主要由避雷針（線）、引下線、接地裝置組成[3]。一是沿線架設避雷線，常常采用保護范圍更廣的雙避雷線。

二是在個別重要的桿塔上裝設避雷器，裝設避雷器能夠有效地將雷電力量引導宣泄出去，但是避雷器的造價較高，因此通常選擇在比較危險、雷擊頻發的線路桿塔上設置。

三是在桿塔的側面安裝避雷針，測針的造價相對便宜。接閃裝置主要原理并非避雷，而是引雷，在雷電天氣來臨時，主動去接受雷擊，避雷設備的頂端處電場發生畸變，電場強度增高，為引雷創造條件，從而把雷電產生高電流引導到大地，形成放電回路。但雷電發生時空氣絕緣被擊穿造成的雷擊到避雷線上，大地是導體還可以消耗電能，一般意義上是說將電能導入到大地，但實際中，要根據位置以及環境的各種指標來定，需要具有足夠的深度才能保證引雷有效，或者在地下安裝接收設施，接地裝置埋深也要注意。

3.2 降低接地電阻

實際情況表明，輸電線路的接地電阻越高，雷電擊打產生的反擊跳閘率就會越高，因此對于輸電線路的接地電阻來說，應盡可能減小[4]。對此輸電線路接地電阻設計有著標準化的規定，一般來說220kV 輸電線路要不小于4Ω，越小越好，可采用對土壤進行化學處理（利用降阻劑）、局部換土、增加接地體埋深和數量、延長接地體等方式來降低接地電阻，對重要的電子元件，可采用高密度銅網和高密度鋼網構成的方式，鋼網節地，內部銅網懸空，隔離增加電容容積，進而起到濾波效應。同時，在輸電線路運行中，也要時常進行檢查，確保輸電線路接地電阻符合國家及行業規范要求。

3.3 架設耦合地線

架設耦合地線是一種有效降低線路反擊跳閘率的防雷措施，其本質也是降低接地電阻的一種措施。接地電阻大小與接地極的規格、大小、埋深有關，和土壤濕度、質地、坡度等地理環境有關。如果220kV 輸電線路桿塔降低電阻存在困難，則可以通過假設耦合地線的方式來達成降低接地電阻的目的。具體來說是在導線的下方架設地線（也就是耦合地線），強化兩線的耦合作用，在發生雷電擊打狀況的時候，能減少絕緣子串上的過電壓。

3.4 并聯間隙

并聯間隙是允許有一定的過電壓存在，并設法消減過電壓所造成的影響，要求避雷線與大地絕緣且安裝間隙，并聯加裝在輸電線路絕緣子上一對金屬電極。正常情況下是絕緣的，發生雷擊時，因為并聯間隙的放電電壓是小于絕緣子串的放電電壓的，所以會優先放電，避免絕緣子串遭到過電壓損害的情況，進而保護線路。其保護效果也有一定的限制，當雷擊所造成的過電壓太高，就算并聯間隙會優先放電，但是絕緣子串也不可避免地會放電，還是有可能讓絕緣子串遭到過電壓影響燒毀。因此，并聯間隙僅能應用于超高壓輸電線路，這一技術對于220kV 輸電線路的作用較小，相信未來會有更好的發展。

3.5 減小避雷線保護角

避雷線起到引雷、保護導線的作用，避雷線的保護角就是避雷線和導線間與垂直線的夾角，如圖1所示，圖1中的25°角，即為圖片所示模型中的保護角。在避雷線防雷技術中，為避免繞擊，避雷線的保護角越小，其對導線的屏蔽作用越強，雷電就會越不容易擊打到導線上，那么在實際設計和規劃上，就需要盡可能地減少避雷線的保護角，對于220kV輸電線路來說，多設置雙避雷線，覆蓋范圍更廣，同時保護角設置在20°～30°，而對于一些特殊的、雷擊危險的地方，要因地適宜減少避雷線保護角，采用0保護角甚至負保護角[5]。

圖1 避雷線保護角簡圖

3.6 提高線路絕緣水平

常采用“分段絕緣，一點接地”的方式，每段絕緣地線僅存在一個接地點，限制了地線上的感應電壓幅值，地線感應環流及環流損耗都很小，電力系統的實際運行經驗表明，地線采用此種接地方式與桿塔接地情況相比，并不降低其保護性能。或者從絕緣子串的材料性能入手，提高主要是提高線路絕緣子耐壓水平，研發新科技，從而提升絕緣子串的保護功效[6]。除此之外，就是要注意減少“污閃”問題，在絕緣子設計安裝的時候可能出現問題，會受到雨水、污穢、鹽分等影響，可能造成保護性能減低的問題，甚至造成閃絡，絕緣子表面被做成波紋形的，如圖2所示，雨水、污穢、鹽分等附著在上面的可能性減少，波紋行的層數、角度都是根據電壓等級經過精確計算的，就能保證其性能，減少污閃問題。另外，絕緣子的位置、垂直度、高度、形態等都有影響，可以將絕緣子設計成粗細不均的形狀，在長度差不多的情況下，粗細不均的形態可增加爬距。

圖2 波紋形絕緣子

4 對線路綜合防雷的建議

4.1 優化設計安裝

目前，防雷的主要手段無外乎架設接閃裝置、降低線路高度、減少接地電阻、增加避雷線保護角、架設并聯間隙、增設耦合線、保證線路絕緣水平等方式。在220kV 輸電線路設計安裝方面，要注意根據當地區域的實際情況來進行優化，科學合理的設計綜合防雷措施，對于一些老舊的輸電線路，加大改造力度，進行檢驗并改進，如對檢測出不符合標準的接地設備或接地電阻設定，要及時更換設備，或者及時制定措施來調整，比如絕緣子的選擇，要考慮到安全裕度選擇適合的絕緣子設備，保證防雷技術能夠落實到位。

4.2 做好維護管理

除了設計安裝之外，也需要做好日常維護管理，輸電線路的防雷設備在日常使用中難免會產生耗損，導致防雷性能下降的問題。要做好維護管理，定期進行檢查、檢測，保證防雷設備性能達標。要構建完善的檢查維護機制才行，建立健全各項規章制度，劃分責任并落實到班組或人，以此來保證維護管理的質量。

4.3 利用信息化技術與維護

隨著信息化技術的發展，利用信息技術來智能化監測精密的電子元件，分析其性能，并根據分析結果作出科學判斷，充分利用大數據、工業AI 算法等先進技術，通過深度數據挖掘和機器學習，能夠讓防雷設備的維護管理更加高效，讓防雷設備發揮出它應有的作用。例如接地裝置，因為接地裝置深埋地下，可能因土壤腐蝕產生銹跡，造成接地電阻增加，電流泄放能力減弱，影響其接閃效能，而對于接地設備的監測是不容易的，那么可以架設接地電阻在線監測儀，實時測量接地電阻值。

5 結語

綜上所述，雷擊會對輸電線路造成非常嚴重的危害，必須要高度重視線路的防雷措施，通過架設接閃裝置、降低線路高度、減少接地電阻、增加避雷線保護角、架設并聯間隙、增設耦合線、保證線路絕緣水平等方式，盡可能減少雷擊事件或降低雷擊危害，意義重大。