輸電線路雷電防護策略研究

山東電工電氣集團有限公司電力工程分公司 劉克軍

1 引言

由于雷電是一種自然現象，在保證電網穩定的過程中，有必要對電網進行防電保護。從分析中發現，雷電流線路較多，往往影響所在位置和周圍環境，防雷功能不到位。在雷電天氣，輸電線路會發生雷擊，導致輸電線路無法正常工作。電流會引起電力短路和跳閘，嚴重影響人們的生活，也對電力安全構成威脅。

2 輸電線路雷擊主要類型

一是雷直擊導線。沒有電流的線路最為常見，但即使有電流，火電也可以通過各種電子設備的保護，擊中導體。

二是雷擊鐵塔或防雷線。強電流通過鐵塔的接地保護，使鐵塔的容量和防止電線迅速上升，當鐵塔之間存在電位差 和指揮。超出電源線的電壓閃絡，發生絕緣體閃絡，導體上出現高電壓，此塔電位升高，進而使導線放電，這叫作反擊[1]。輸電線路雷擊部位如圖1所示。

圖1 輸電線路雷擊部位

三是直擊雷防過電壓。直接雷擊電源線、電氣設備或用電設備引起的過電壓。直流電過電壓和感應雷電過電壓造成的危害：引起線路跳閘，影響正常供電；雷電侵入變電站，雷擊鐵塔線路時，由于雷電通道產生的電流急劇變化，會在導體上感應出與雷電流極性相反的過電壓，無有效數據。

目前規定，對于一般高度的無電流線路，感應過電壓的最大值計算式為：

式中，α為感應過電壓系數。

式中，k為耦合系數。

四是雷擊輸電線路附近大地。當雷擊大地超過水平線65m 時，由于電磁場的變化在導體上感應出的過電壓稱為感應雷過電壓。感應雷過電壓形成如圖2所示。

圖2 感應雷過電壓形成

感應雷過電壓形成2基本原理（a）主放電前（b）主放電后hd-導線高度；S-雷擊點與導線間的距離。

主放電前，在雷云釋放的第一階段，有一個先導放電過程建立到大地，線路處于雷云與先導通道之間的電場中，由于靜電感應，帶電。 Ex 區域沿線強度 末端的正電荷和雷電空氣被吸引到靠近導引通道的一段導線上成為電荷束縛，由于Ex 的電阻，導線的負電荷向兩端移動，從線路的漏電導和系統的中心點流入大地。由于驅動通道的發展速度不大，金屬的電荷強度也很慢，由此引起的導線中的電流很小。電線對地的電導，電線的容量將不同于遠離雷云的電線的容量。

主放電后，當雷云離開線路附近的地面時，導頻通道中的負電荷迅速被中和，導頻通道產生的電流迅速減小到低電平，使導線的正電荷被釋放，正電荷隨著導線的釋放，兩側的運動成為干擾雷電過電壓，稱為感應過電壓的靜電分量。同時，雷電通道中的雷電電流在通道周圍的空間中產生了強大的磁場，這種磁場的變化也會在金屬上感應出高電壓，這種電壓稱為感應電磁分量。

2.1 線路上感應過電壓的最大值

根據理論分析與實測結果，規程建議，當雷擊點離開線路的距離S ＞65m 時，導線上感應雷過電壓的最大值為：

式中，hd 為導線懸掛的平均高度（m）；S 為雷擊點離線路的距離（m），感應過電壓Ug 的極性與雷電流極性相反。

由式（3）可知，感應過電壓與雷電流的幅值和金屬懸空的平均高度成正比，平均高度越高，導線對地電容越小，對地電容越高高度。感應電荷產生的電壓；感應過電壓與雷擊點與線路的距離S 成反比。S 越大，感應過電壓越小。雷電擊地時也很大，電流幅值通常不超過100kA。經實測證明，感應過電壓一般不超過500kV，對35kV 及以下的水泥電桿線路會造成某種事故；對于110kV 及以上的線路，由于絕緣性高，往往會產生熱應力，不會引起閃絡問題。

2.2 雷擊塔頂時的過電壓和抗雷等級

當閃電擊中鐵塔頂部時，鐵塔和導體上的負電荷和正電荷很快被中和，從而產生火電。正雷電流值等于三個負電流波之和，絕緣線路的過電壓就是這4個電流波引起的。當塔頂電位為Utd時，塔頂連接的燈泡也有相同電壓。由于避雷導體與導體之間的耦合作用，會在導體上產生耦合電壓kUtd，與雷電流極性相同。此外，由于雷電通道電磁場的作用，導體上還存在感應過電壓αhd（1-k），與雷電流極性相反，所以導體的電位幅值Ud為：

絕緣子線路的電壓幅值Uj 隨雷電流的增大而變化。當Uj 大于串絕緣子的相關閃絡電壓時，串絕緣子就會發生閃絡，由于此時桿塔的容量高于導體的容量，這種閃絡稱為“反擊”。

提高雷擊塔桿的耐雷水平，最常見的措施是降低塔的接地電阻Rch。降低接地電阻可以降低頂部塔的容量，提高防雷水平，避雷導體與導體之間的耦合系數k，自愿降低絕緣子串的電壓，減少感應過電壓，可以提高避雷等級。

3 輸電線路防雷指標

一是傳輸線的電阻是通過耐壓等級和輸出電壓來衡量的。二是防雷，雷擊出線路使絕緣線路不閃絡的最大雷電流幅值，單位kA。電壓保護等級越高，線路閃絡的發生越小，線路的防雷性能越好。三是雷擊跳閘，每年每100km 線路被雷擊跳閘的次數，是衡量線路防雷能力的一般指標。

4 輸電線路的防雷策略

4.1 架設避雷線

防止雷電直接進入電線；對光電流有分流作用，降低塔頂容量；在電線之間有連接并降低絕緣電壓。閃電擊中塔時繩索，對電線有保護作用，可降低電線上的感應電壓。為了減少電子設備在正常工作和使用中進行通訊時電路中電流的附加損耗，電路中的電可以通過小間隙與地絕緣。向下，避雷針接地。

4.2 降低鐵塔的土壤電阻

在土壤電阻較低的地區，應充分利用鐵塔的土壤基礎，并采用與線路等長的地下延長線來降低。接電壓，有效減少子塔頂電荷，提高對雷擊的反應水平。在接地電阻較高的地區，當一般方式難以降低電阻時，可采用許多輻射狀接地體，或采用接地體自愿續接，或采取一些良好的保護措施，以降低土壤電阻。輸電線路桿塔避雷線工頻接地電阻詳見表1。

表1 輸電線路桿塔避雷線工頻接地電阻

4.3 改進接地

經驗表明，接地對減少雷電放電是有效的。當難以降低接地電阻時，用于改進導體：

一是增加避雷導體與導體之間的耦合作用，以降低絕緣子串的電壓。二是增加雷電的分流效果。三是絕緣不相等。同極的兩個回路，順序原則：兩個回路的導線數量不同，這樣絕緣子串少的回路會在第一時間閃絡防雷擊，閃絡后的導線與地線形成耦合作用，與另一回路的導線產生耦合作用，提高另一回路的防雷能力，防止閃絡的發生，保證另一回路的連續性。一般認為，兩個電路的絕緣水平之差應為電壓水平（平均值）的兩倍。四是安裝自動重合閘。雷電引起的閃絡，大部分在跳閘后能自行恢復絕緣，因此恢復成功率也較高；據統計，我國110kV 及以上電力線路恢復率為75%～95%，35kV及以下線路恢復率約為50%～80%五是采用消弧線圈接地方式。其適用條件為雷電活動強烈，土壤電阻難以降低的地區，作用原理：當相地閃絡發生時，消弧線圈阻止其發展成持續電流。當發生兩相或三相對地閃絡時，第一相閃絡不會引起跳閘，最先閃絡的導線相當于電阻絲，引起分流耦合作用參數。閃絡級，使非閃絡級絕緣級的電壓下降，從而提高線路的抗雷擊等級。六是安裝管式檢測器。管式避雷器只用于過電壓特別大或絕緣薄弱的線路上作防雷用?？杀苊饨^緣線路的閃絡效應，使建弧值降至0。管狀探測器只安裝在電力線路相交處和高壓線與連接線的交叉處，隔河隔塔，在變電站的防御側。七是加強絕緣。對于大中高多段輸電線路，雷電路徑增加，塔高等效電感大，電位高，塔頂高，感應過電壓也高；屏蔽時最大雷電流幅值大，屏蔽值高。這增加了線路的雷擊跳閘率。為了降低出行成本，可在桿塔上增加絕緣子串的數量。法律規定，總高度超過40m 且設有防雷線的鐵塔，每增加10m 高度必須加裝絕緣子；對于總高度大于100m 的鐵塔，絕緣子的數量宜。根據工作計算確定。八是采用線路金屬氧化物檢測儀。在特別容易發生雷電活動和土壤電阻率較高的地區，可以使用線型金屬氧化物探測器來防雷。避雷器采用復合絕緣護套，重量輕，安裝方便。并聯在絕緣子串的兩端，當絕緣子串的電壓達到一定值時動作，從而避免了絕緣子串的閃絡，降低了線路的電壓線路跳閘值。該方法的缺點是檢測器的檢測和維護難度大，成本高[2]，線路避雷器應用如圖3所示。

圖3 線路避雷器應用

5 結語

為保證輸電線路的安全穩定運行，必須不斷完善電網的防雷設備，防雷設備運行復雜，涉及因素多，需要采用各種技術，但為提高輸電線路的防雷性能，應根據土壤和地質過程采取相應的措施，減少供電運行中短路的發生，保證連接線路的運行。