220 kV 輸電線路綜合防雷技術(shù)分析

程一豪

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司達(dá)州供電公司，四川 達(dá)州 635000）

0 引 言

220 kV 高壓輸電線路遭受的雷擊危害包括感應(yīng)雷和直擊雷2 種類(lèi)型。由于其配備有絕緣水平較高的絕緣線路，很少受到感應(yīng)雷的擊打，主要以直擊雷故障為主。不管是遭到何種雷擊，輸電線路都會(huì)產(chǎn)生高熱反應(yīng)，且高壓效應(yīng)極強(qiáng)，可能會(huì)進(jìn)一步損害相關(guān)設(shè)備與輸電線路。若發(fā)生線路斷裂的情況，則會(huì)對(duì)用戶(hù)用電造成不利影響，因此有必要研究與探討綜合防雷技術(shù)，以增強(qiáng)線路雷電防護(hù)的有效性與實(shí)用性。

1 雷擊故障類(lèi)型

目前，220 kV 輸電線路分布廣泛。220 kV 輸電線路及桿塔由小電阻金屬材料組成，具有較好的導(dǎo)電性。遭受雷擊后，雷電往往朝著電阻較小的線路方向移動(dòng)。由于線路和雷電本身自帶電流，在兩者的共同作用下，輸電線路會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而增加雷電損壞線路的可能性，因此必須采取有效措施減少雷擊的頻率。雷電危害如圖1 所示。根據(jù)雷擊傷害的不同，可以將雷擊分為感應(yīng)雷和直擊雷（雷擊電磁脈沖）[1]。感應(yīng)雷主要是雷擊中線路桿塔附近地面，從而迅速生成一股很強(qiáng)的感應(yīng)電壓，可以擊穿線路的絕緣層。直擊雷是雷電直接擊打線路桿塔，對(duì)線路桿塔造成嚴(yán)重危害。直擊雷根據(jù)故障類(lèi)型劃分，可包括繞擊故障和反擊故障，其中：繞擊故障是雷電避開(kāi)避雷線直接擊打?qū)Ь€，使得避雷線無(wú)法發(fā)揮屏蔽作用；反擊故障則是直擊雷擊打線路桿塔，生成極強(qiáng)的電效應(yīng)，擊穿線路絕緣層，從而引起線路跳閘現(xiàn)象。

圖1 雷電危害

2 區(qū)域高壓輸電線路防雷現(xiàn)狀

以南方某區(qū)域的220 kV 輸電線路為例，其線路全長(zhǎng)為6 230 m，轉(zhuǎn)角4 次，線路曲折系數(shù)為1.17。該線路與220 kV 輸電線路、110 kV 輸電線路、小鐵路以及公路各交叉1 次，并且經(jīng)過(guò)菜地與樹(shù)林。研究發(fā)現(xiàn)，該線路所采取的防雷措施是全線鋪設(shè)分流線與鍍鋅鋼絞線，并搭配負(fù)荷架空地線，如光纖復(fù)合架空地線（Optical fiber composite overhead Ground Wire，OPGW），以預(yù)防直擊雷，并設(shè)置了統(tǒng)一的保護(hù)角，而未按照線路其他部位的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，因此很難預(yù)防多種形式的雷擊與頻繁的雷電活動(dòng)。同時(shí)，在埋深0.8 m 的位置放入1 個(gè)采用鍍鋅圓鋼焊接的放射形復(fù)合接地裝置，接地引下線采用同樣的材質(zhì)，具有連接桿塔和接地裝置的效用。但是，過(guò)多設(shè)置接地引下線，并且通過(guò)防盜螺栓將其緊固，會(huì)導(dǎo)致遇到緊急情況時(shí)無(wú)法將其快速解開(kāi)，不利于測(cè)量桿塔的接地電阻[2]。

220 kV 輸電線路雷擊故障位置多發(fā)于山區(qū)，尤其是山腰、河谷谷口、山頂處、河岸、緊鄰農(nóng)作物以及金屬礦床等處。2019—2022 年，220 kV 單回架空輸電線路單相受雷擊比例已經(jīng)達(dá)到83%，220 kV 同塔雙回架空輸電線路單相受雷擊比例接近90%。

3 220 kV 輸電線路綜合防雷技術(shù)分析

3.1 架設(shè)避雷裝置

避雷裝置也稱(chēng)為接閃裝置。對(duì)220 kV 的輸電線路而言，有必要采取基礎(chǔ)性的防雷技術(shù)措施，包括布置接地、避雷針、避雷線以及引下線等。避雷線的布置如圖2 所示。避雷線的安裝多為沿線布置，通常使用保護(hù)范圍廣的雙避雷線。在特殊或關(guān)鍵的桿塔上安裝避雷器，當(dāng)桿塔受到雷擊時(shí)，雷電流超出避雷器動(dòng)作值后，雷電流的分布情況就會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致更多的雷電流通過(guò)避雷器進(jìn)入導(dǎo)線，并流入下一基桿塔，提升了導(dǎo)線電位，同時(shí)塔頂電位與導(dǎo)線電位的差值將小于絕緣子串放電電壓的50%，避免雷擊閃絡(luò)的情況發(fā)生。避雷針通常架設(shè)于桿塔的側(cè)面，220 kV 單回線路須在邊相導(dǎo)線橫擔(dān)上裝設(shè)側(cè)向避雷針，220 kV同塔雙回線路則在中相導(dǎo)線橫擔(dān)上裝設(shè)側(cè)向避雷針，側(cè)向避雷針長(zhǎng)度應(yīng)伸出橫擔(dān)2 m。雷電擊打現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，避雷針主動(dòng)接受雷擊，避雷針等避雷設(shè)施的最高位置電場(chǎng)出現(xiàn)畸變，電場(chǎng)強(qiáng)度提高，給引雷提供有利條件，進(jìn)而將雷電生成的強(qiáng)大電流引至地面，構(gòu)成一個(gè)放電回路。該技術(shù)必須結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境與具體位置因素使用，并且需要保證接地深度足夠，方可實(shí)現(xiàn)有效引雷。

圖2 避雷線的布置

3.2 對(duì)接地電阻的處理

輸電線路的接地電阻越高，雷擊生成的反擊率就越高，從而提高線路跳閘率。該背景下，需要處理接地電阻。通常情況下，220 kV 的輸電線路的接地電阻不小于4 Ω。接地電阻的處理方式如下：一是使用降阻劑，對(duì)土壤做化學(xué)處理；二是更換局部土壤，加大接地體的埋深，盡可能地延長(zhǎng)接地體，以達(dá)到減小接地電阻的目的；三是自制降阻籠，用18 mm直徑的圓鋼當(dāng)作降阻籠立方體主架構(gòu)，其他側(cè)面用10 mm 直徑的圓鋼織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，澆筑完基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以后將磨具拆開(kāi)，焊接鋼筋籠。焊接鋼筋籠時(shí)，要想避免鋼筋籠直接接觸基礎(chǔ)底盤(pán)，應(yīng)當(dāng)先回填土壤，再鋪設(shè)油氈絕緣紙進(jìn)行隔離[3]。同時(shí)，用油氈絕緣紙包裹基礎(chǔ)立柱，包裹高度要超過(guò)鋼筋籠10 cm，避免接地鋼筋籠和基礎(chǔ)中的金屬體發(fā)生回路效應(yīng)而對(duì)接地電阻的檢測(cè)造成不利影響。鋼筋籠焊接好后套在基礎(chǔ)立柱上，要求兩者同心相接合，并將基坑的鋼筋籠用熱鍍鋅圓鋼連接，焊接接地引下線，最后回填土，使其和地面處在同一高度[4]。

3.3 增強(qiáng)絕緣子串的材料性能

以往常采用每段絕緣地線只架設(shè)1 個(gè)接地點(diǎn)的方式，限制地線的感應(yīng)電壓幅值，減少了環(huán)流損耗。研究發(fā)現(xiàn)，地線使用該類(lèi)接地技術(shù)，與桿塔接地相比，對(duì)其保護(hù)性能的影響并不大。該背景下，可增強(qiáng)絕緣子串的材料性能，以提升線路絕緣水平，充分發(fā)揮絕緣子串的保護(hù)效用[5]。同時(shí)，可以采用復(fù)合絕緣子、增加絕緣子干弧距離與絕緣子片數(shù)的方法來(lái)提升線路的絕緣水平。例如：重大污染區(qū)和雷電多發(fā)區(qū)的220 kV 輸電線路適合采用復(fù)合絕緣子或者加長(zhǎng)干弧距離的方法，其中干弧距離應(yīng)加長(zhǎng)10%～15%，無(wú)污染區(qū)和少雷區(qū)可采用瓷質(zhì)絕緣子。按照電壓等級(jí)計(jì)算波紋形的角度與數(shù)量，按照絕緣子的高度、位置與垂直度，將絕緣子設(shè)計(jì)成粗細(xì)不一的形狀，從而增加干弧距離。不同絕緣子串的性能設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 不同絕緣子串的性能設(shè)計(jì)

3.4 控制避雷線的保護(hù)角

避雷線保護(hù)角是由導(dǎo)線、避雷線以及垂直線之間構(gòu)成的夾角。避雷線可以起到引雷與保護(hù)導(dǎo)線的作用。正常情況下，保護(hù)角在20°左右。對(duì)220 kV 的輸電線路而言，可以增設(shè)1 條雙避雷線，從而擴(kuò)大保護(hù)覆蓋范圍，并將保護(hù)角調(diào)節(jié)到12°～16°。此外，針對(duì)雷擊嚴(yán)重的區(qū)域，需要適當(dāng)?shù)販p小避雷線的保護(hù)角。避雷線保護(hù)角的布置如圖4 所示。其中：h1為避雷線高度；h2為導(dǎo)線高度；A為導(dǎo)地線；B為導(dǎo)地線與地面弧度；C為導(dǎo)地線與地面接觸點(diǎn)；α為避雷線保護(hù)角；θ為地面傾角；γ為地面最大擊距。

圖4 避雷線保護(hù)角的布置

4 對(duì)綜合防雷技術(shù)的優(yōu)化

4.1 方案設(shè)計(jì)

在220 kV 輸電線路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行改進(jìn)，科學(xué)采用綜合防雷技術(shù)，改造老舊的輸電線路，并時(shí)刻檢驗(yàn)線路，包括設(shè)置接地電阻和檢測(cè)接地設(shè)備等。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備不合格或出現(xiàn)故障，那么第一時(shí)間更換設(shè)備，并調(diào)整設(shè)計(jì)方案。例如，針對(duì)雷直擊導(dǎo)線的區(qū)域，若具備增設(shè)架空避雷線的條件，可采用新架設(shè)架空避雷線與石墨柔性接地裝置組合的方案，尤其是對(duì)雷直擊導(dǎo)線頻繁的單線單攻220 kV 線路的區(qū)域，更需要優(yōu)先選用該方案。在無(wú)架空避雷線且無(wú)接地裝置的多發(fā)雷擊跳閘線路中，220 kV 某區(qū)段線路為水電站發(fā)電上網(wǎng)線路，由于防雷收益方不是本地直屬機(jī)構(gòu)，暫不改造。220 kV 河谷谷口電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成后，需要退出220 kV 運(yùn)行，改為110 kV 運(yùn)行，因此暫不改造。分析2019—2022 年多條220 kV 線路的雷擊桿塔位置情況可知，絕大多數(shù)雷擊發(fā)生在桿塔頂端，因此對(duì)該類(lèi)線路采用電感性濾波式避雷針接閃器和普通圓規(guī)鋼接地裝置組合的方案。針對(duì)土壤電阻率過(guò)高的地帶，一般采用垂直電極解決土壤表面接地效果差的問(wèn)題。例如，可以在桿塔周?chē)O(shè)置一定數(shù)量的垂直接地極并將其埋深，將深度控制在0.5 m 左右。若桿塔為水泥桿塔，則需要在間隔桿塔5 m 處布置垂直地極；若桿塔為鐵塔，則需要在間隔桿塔7 m 處布置垂直地極。此外，需要注意利用圓鋼材料對(duì)垂直地極進(jìn)行處理，保證地極間距合適，長(zhǎng)度為1.6 m[6]。

4.2 防雷效果

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用與統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，與一般線路相比，改造與優(yōu)化過(guò)的220 kV 輸電線路年均跳閘次數(shù)下降了約80%。在河谷谷口和山間處采用避雷線與石墨柔性接地裝置組合的方法，年均跳閘次數(shù)從以往的30次降到14 次。在農(nóng)田、公路、鐵路等處采用電感性濾波式避雷針接閃器和普通接地裝置組合的方法，年均跳閘次數(shù)從以往的25 次降到8 次。

5 結(jié) 論

雖然現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)220 kV 輸電線路在防雷接地技術(shù)方面獲得了較大進(jìn)展，但是依舊需要繼續(xù)探索關(guān)鍵技術(shù)。由于雷擊會(huì)嚴(yán)重危害高壓輸電線路，不可避免地導(dǎo)致繞擊故障與感應(yīng)雷故障。該背景下，文章深入分析了220 kV 輸電線路綜合防雷技術(shù)，采用安裝避雷裝置、對(duì)接地電阻的處理、增強(qiáng)絕緣子串的材料性能、控制避雷線的保護(hù)角等技術(shù)方法，避免雷擊事故的發(fā)生，減小雷擊對(duì)輸電線路的影響，從而提高輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行水平，有助于促進(jìn)電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。