架空輸電線路防雷與接地的設(shè)計(jì)分析

福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 倪仁鑫

架空輸電線路以其特有的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)電力輸送方面發(fā)揮了重要價(jià)值，通過架空輸電線路成功實(shí)現(xiàn)了電能的傳輸與轉(zhuǎn)換，保護(hù)輸電線路的安全性就是保證整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性[1]。

由于架空輸電線路架設(shè)在外部，長(zhǎng)年累月經(jīng)受外界惡劣氣候的干擾，極易受到如暴雨、雷電、冰雹等惡劣氣候因素的影響，其中雷電是一種高發(fā)且常見的自然現(xiàn)象，特別是在我國(guó)南方地區(qū)，降雨量大，更易于發(fā)生暴雨、雷電現(xiàn)象，一旦線路遭受雷擊引發(fā)跳閘，會(huì)影響到電力的正常輸送。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高壓線路的跳閘總數(shù)中，雷擊造成的跳閘故障高達(dá)二分之一以上。為保證電力系統(tǒng)的持續(xù)性和高效性，做好架空輸電線路的防雷與接地設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

1 架空輸電線路防雷與接地設(shè)計(jì)必要性及發(fā)生雷擊故障主要原因

我國(guó)架空輸電線路分布具有“點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣”的特點(diǎn)，一旦輸電線路發(fā)生故障引發(fā)跳閘，將會(huì)引起大面積停電，影響社會(huì)的正常供電。

雷電是一種十分常見的自然現(xiàn)象，在世界各地幾乎每天都會(huì)有雷電發(fā)生。輸電線路雷擊故障事件屢見不鮮，因輸電線路遭受雷擊引發(fā)的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失越發(fā)嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，包頭電網(wǎng)北部山區(qū)由于雷擊造成的跳閘事故占本地區(qū)跳閘的67%以上；福建寧德大煙35kV 輸電線路投產(chǎn)運(yùn)行十余年間，因線路遭受雷擊引發(fā)多起設(shè)備故障及絕緣子損壞事件，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行產(chǎn)生了不利影響；2012～2014年間唐縣山區(qū)的10kV 輸電線路故障故障高達(dá)62次；2015年長(zhǎng)沙縣供電公司所轄范圍內(nèi)因雷擊原因造成7起跳閘事件。為確保供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，對(duì)架空輸電線路進(jìn)行科學(xué)化防雷設(shè)計(jì)迫在眉睫。

絕緣水平不足。輸電線路絕緣水平是影響防雷擊的重要因素，剛開始投入使用時(shí)，由于絕緣材料性能符合標(biāo)準(zhǔn)、整體耐雷擊水平較高，但通常投入運(yùn)行幾年后材料本身的性能會(huì)下降，再加上受外界環(huán)境因素影響，一些絕緣材料主要是高分子材料，材料自身在紫外線、高溫條件下會(huì)加速發(fā)生老化，導(dǎo)致整體性能降低，如不進(jìn)行技術(shù)改造將會(huì)顯著降低輸電線路的耐雷擊性能。據(jù)調(diào)查研究結(jié)果顯示，一些污穢嚴(yán)重的絕緣子耐雷水平下降約10%，嚴(yán)重時(shí)甚至高達(dá)30%以上。

外界地形條件因素。結(jié)合多年運(yùn)行實(shí)踐表明，架設(shè)在山區(qū)的輸電線路遭受雷擊跳閘概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平原地區(qū)的線路。山區(qū)地帶塔桿通常架設(shè)在山區(qū)的山坡或山頂位置處，一般山區(qū)土壤的電阻率比平原地區(qū)要高，大多在1000～2000Ω ?m，有的甚至高達(dá)5000Ω ?m，當(dāng)接地裝置遭到損壞時(shí)造成接地電阻增大，輸電線路耐雷擊水平顯著降低；接地電阻問題。當(dāng)雷電擊中架空輸電線路桿塔頂部時(shí)，雷電反擊電壓值會(huì)高于沖擊放電電壓，會(huì)使得導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)。當(dāng)接地電阻阻值較高時(shí)塔頂電位升高的越大，會(huì)加大導(dǎo)線發(fā)生閃絡(luò)的概率。

2 影響架空輸電線路安全穩(wěn)定的主要因素分析

桿塔接地電阻。其大小直接影響桿塔雷擊后沖擊電位的高低，通過降低接地電阻會(huì)顯著提升輸電線路的耐雷擊水平，但該措施只局限于輸電線路遭受反雷擊的情況，對(duì)輸電線路遭受繞擊雷造成的跳閘不適用。輸電線路桿塔遭受到雷擊時(shí)，由于輸電線路桿塔的接地電阻比架空地線的阻值要小，大部分的雷擊電流直接進(jìn)入大地，可見降低桿塔接地電阻可使雷擊電流被更多的引入大地。

線路檔距。當(dāng)架空輸電線路遭受雷擊后，一部分電流會(huì)流入接地網(wǎng)、另一部分電流會(huì)沿著線路傳輸，在電流傳輸過程中需經(jīng)歷一段時(shí)間差才能影響到下一基桿塔，實(shí)際情況下，由于輸電線路檔距存在一些差異，因此傳輸時(shí)間也不盡相同，耐雷水平也有所差異，因此可適當(dāng)增加輸電線路的水平檔距。

桿塔高度。桿塔遭受雷擊的概率與桿塔高度呈正相關(guān)，增大塔桿的高度輸電線路遭受雷擊概率加大，當(dāng)雷擊中塔桿頂部后，雷電流會(huì)沿著桿塔和接地通道泄放進(jìn)入接地網(wǎng)從而流入大地[2]。但事實(shí)上，通常雷電流是難以全部通過接地通道進(jìn)行泄放的，沒有泄放掉的雷電流會(huì)繼續(xù)沿著塔身返回桿塔橫擔(dān)或桿塔頂部。當(dāng)桿塔高度較高時(shí)這一過程所需時(shí)間增長(zhǎng)，因此雷電流在桿塔高度較高的情況下更易于引發(fā)閃絡(luò)，導(dǎo)致線路耐雷水平降低。通常在桿塔所處區(qū)域環(huán)境及其他外部條件允許的情況下，建議將桿塔的高度設(shè)計(jì)盡可能低一些，進(jìn)而提升輸電線路的耐雷水平。

3 架空輸電線路的防雷與接地設(shè)計(jì)技術(shù)策略

3.1 架設(shè)避雷線

架空輸電線路防雷方面避雷線起到重要作用，通過架設(shè)避雷線可減小雷電對(duì)導(dǎo)線的耦合屏蔽作用，顯著降低雷電直擊中導(dǎo)線的概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)架空輸電線路的線、面防雷保護(hù)，目前工程上應(yīng)用較多的避雷線材質(zhì)為鍍鋅絞線或鋁包鋼絞線。通常要結(jié)合工程實(shí)際及電壓等級(jí)來合理架設(shè)避雷線，一般對(duì)電壓等級(jí)高于110kV 的輸電線路原則上都要架設(shè)避雷線，避雷線在施工方面較為簡(jiǎn)單、技術(shù)難度不高、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異，是目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種防雷技術(shù)，通過架設(shè)避雷線使得線路耐雷水平提升了30%左右。

架空地線的設(shè)計(jì)保護(hù)角對(duì)防雷效果影響顯著，保護(hù)角的大小影響了雷電繞擊率。通常電壓不同的線路架空避雷線的保護(hù)角也存在差異。對(duì)于單回路，330kV 及以下線路的保護(hù)角不宜大于15°，500kV～750kV 線路的保護(hù)角不宜大于10°；對(duì)于同塔雙回或多回路，110kV 線路的保護(hù)角不宜大于10°，220kV 及以上線路保護(hù)角不宜大于0°；單地線線路不宜大于25°。

對(duì)于10kV 的輸電線路，由于線路本身絕緣性差，易造成反擊閃絡(luò)，因此前些年對(duì)10kV 架空輸電線路不推薦安裝避雷線，但近年隨著對(duì)輸電線路可靠性的日益重視，大量研究者展開了對(duì)10kV 線路安裝避雷線的研究，有研究得出，對(duì)于10kV 架空配電線路，通過架設(shè)合適高度的避雷線（約1.8m），其耐雷水平提高20～30%以上，但需要特別注意的是，在避雷線架設(shè)高度選擇過程中，首先要保證導(dǎo)線與避雷線滿足足夠的電氣安全距離[3]。

3.2 降低接地電阻

降低桿塔接地電阻是提升輸電線路防雷水平的重要技術(shù)措施之一。通常情況下不同的桿塔模型在耐雷水平方面也不盡相同。現(xiàn)階段降低桿塔接地電阻的方式主要有利用自然接地體、深井接地、引外接地、人工改善土壤、采用降阻劑、使用非金屬模塊接地等，但采用非金屬模塊接地成本高；人工改善土壤方式工作量較大；采用降阻劑方式時(shí)效短；外引接地是通過利用引線將桿塔接地裝置引至土壤電阻率低的區(qū)域，主要適用于附近100米區(qū)域內(nèi)存在低電阻的區(qū)域，且規(guī)程中對(duì)外引接地的最大長(zhǎng)度限制不能大于150m，對(duì)于一些地域條件復(fù)雜、山區(qū)地帶不適用。因此在實(shí)際情況下，還充分考慮到輸電線路周邊的具體情況來選擇適宜的降阻方式。

銅、鋼、鍍鋅鋼等作為電力接地網(wǎng)的傳統(tǒng)接地材料，在土壤環(huán)境中長(zhǎng)期使用后暴露出諸多問題，主要是因?yàn)椴牧媳旧頌榻饘俨馁|(zhì)，在潮濕環(huán)境下易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致材料的電性能降低，影響了實(shí)際應(yīng)用效果。石墨烯作為一種新型的無機(jī)非金屬材料，具有比金屬更優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)加速了電子的移動(dòng)，另外石墨烯材料還具有熱膨脹系數(shù)低、耐腐蝕性強(qiáng)，以及優(yōu)異的力學(xué)性能和抗熱震性能，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到130GPa，導(dǎo)熱系數(shù)能夠到達(dá)5200W/（m·K），近年在電力系統(tǒng)的防雷接地工程應(yīng)用中體現(xiàn)出了良好的應(yīng)用價(jià)值[4]。

石墨烯復(fù)合接地系統(tǒng)是由石墨烯與其他材料，如銅、鋁、鈦等金屬材料高溫?zé)Y(jié)復(fù)合而成，張力強(qiáng)度大、深鉆時(shí)不會(huì)發(fā)生脫落或皴裂，其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能是傳統(tǒng)防雷接地材料的十幾倍，泄放雷電流速度更快，在保護(hù)輸電線路及設(shè)備安全方面效果顯著。采用石墨烯復(fù)合接地線進(jìn)行敷設(shè)時(shí)，通常深度設(shè)置在0.8m 左右，兩個(gè)接地極間距在5m，并輔以連接石墨烯接地極組成的接地網(wǎng)[5]。

3.3 安裝避雷器

安裝避雷器是一種提升架空輸電線路防雷性能的重要手段，線路避雷器的外套材料是一種合成材料，通過安裝避雷器，可利用避雷器電阻的非線性特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子串的保護(hù)作用，進(jìn)而降低雷擊跳闡率，在選擇避雷器時(shí)，要基于以下考慮：安裝避雷器的主要目的是減少操作過電壓，還是為了減少雷電過電壓；電線桿塔接地質(zhì)量；落雷密度；能量吸收能力。此外，避雷器的安裝數(shù)量、相別的原則為：盡量將避雷器要安裝在易繞擊相，盡量選擇安裝一相，接地電阻較大時(shí)可依據(jù)實(shí)際情況選擇安裝二相或三相，線路避雷器的安裝方式、線路避雷器自身的重量、覆冰重量也要慎重考慮。

在我國(guó)山區(qū)地區(qū)線路避雷器安裝較多，避雷器主要有間隙避雷器和無間隙避雷器兩種類型，實(shí)際應(yīng)用過程中還要結(jié)合線路電壓等級(jí)來合理選擇避雷器的類型，通常對(duì)500kV 電壓等級(jí)的輸電線路主要以無間隙線路避雷器應(yīng)用較多，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)限制雷電過電壓和限制操作過電壓。此外，避雷器的安裝數(shù)量也是響應(yīng)防雷效果的重要因素，通常安裝避雷器的數(shù)量越多耐雷擊效果越好，但如將全線安裝避雷器又會(huì)導(dǎo)致成本過高，不具有經(jīng)濟(jì)可行性，從目前架輸電線路防雷設(shè)計(jì)來看，安裝避雷器仍是一種重要措施，且對(duì)小型化、高壓化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的避雷器需求迫切。

應(yīng)結(jié)合施工實(shí)際情況做好架空輸電線路的桿塔接地設(shè)計(jì)，選擇合適的降低接地電阻措施，加強(qiáng)工程施工管理與日常運(yùn)行維護(hù)，定期監(jiān)測(cè)塔架接地裝置的接地電阻，保證接地裝置穩(wěn)定運(yùn)行，提升輸電線路防雷性能，保證電力系統(tǒng)的持續(xù)安全運(yùn)行。