許仁來 林宇舟

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輸電線路防雷措施的改進與完善

許仁來 林宇舟

廈門電業(yè)局

通過對福建110～220kV電網雷電傷害故障情況進行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)輸電線路防雷方式難以起到有效保護作用。分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)輸電線路防雷方式仍停留在： “雷電對電力系統(tǒng)的危害絕大多數(shù)是由‘云——地’之間的線狀雷所造成”及“在一定半徑范圍內雷電打擊基本上是打擊在較高點” 的雷電傷害輸電線路方式觀念，存在較大的不足，忽略了 “雷電先導放電臨界擊距和暴露弧”這一原理對輸電線路雷電打擊的重要影響，闡明了其機理，并針對傳統(tǒng)措施的不足探索性地提出了改進與完善對策意見。

臨界擊距 暴露弧 輸電防雷 對策

1 引言

“雷電”影響在輸電線路故障跳閘次數(shù)中占70%～90%，給電力系統(tǒng)帶來了大量的麻煩并且造成了巨大損失。雖然發(fā)達國家在上世紀初已提出并研究“雷電先導放電臨界擊距和暴露弧”這一理念與機理，我國在解放后也開始了研究，然而，這一知識大多只在科研單位和超高壓、特高壓輸電相關單位部分專業(yè)人員中掌握和應用。更甚者是由于教學單位及教科書的相對傳統(tǒng)與滯后性，目前相關大學教材中仍相當部分未編入這個課題，知道這一理念的人不多。目前在實際應用中仍然沒有引起廣泛、高度的重視，在一般高壓輸電和配電線路中幾乎沒有應用，致使輸電和配電線路雷電傷害問題仍然沒有較根本性地得到改進和完善。隨著溫室效應的發(fā)展，全球氣候不斷升高，年雷暴日、雷暴次數(shù)和雷電強度也不斷提升，同時隨著經濟社會的快速發(fā)展，輸電線路長度也在快速增加，準確把握雷電對輸電線路的傷害原因，“對癥下藥”，有針對性地采取相應防護措施，最大限度地避免和減少雷電對輸電線路傷害造成的損失，在工業(yè)化、自動化、現(xiàn)代化進程日益加快，對供電安全可靠穩(wěn)定要求日益提高的今天及將來，具有十分重要現(xiàn)實意義。

2 傳統(tǒng)觀念和防范方式的不足

《福建省近年110～220kV線路雷擊跳閘情況統(tǒng)計與地形參數(shù)分析報告》（以下簡稱《報告》）對福建省2000年～2005年六年間的110kV線路106次、220kV線路154次雷擊跳閘事件中塔型、故障的相位、桿塔的地理位置等資料進行統(tǒng)計分析?！秷蟾妗钒凑找酝囊话憬涷灒_定“反擊性閃絡故障判斷原則”：將三相、兩相同時閃絡的雷擊故障歸結為反擊性閃絡故障，同時在反擊性的單相閃絡中，大致認為左、中、右三相均等，而單純性中相閃絡也歸結為反擊性閃絡，且左、右兩相的單純性閃絡中分別有與中相閃絡一樣次數(shù)歸結為反擊性閃絡。

《報告》主要相關結論如下。

在110kV雷擊故障中。單回水平或三角排列的，約有三分之二是反擊性故障，而約三分之一是繞擊性故障。雙回垂直、鼓形排列的，繞擊率在50％～60％。說明同桿雙回線路的繞擊性雷擊故障占到一半以上。

在220kV雷擊跳閘事件中。單回水平或三角分布的，約有五分之四是反擊性故障，而五分之一是繞擊性故障。雙回垂直分布的繞擊率在60％～70％。說明同桿雙回線路的繞擊性雷擊故障占到三分之二甚至更高比例。

無論是110kV還是220kV桿塔在平地位置的發(fā)生反擊的概率較高；在山頭、山脊、半山腰、山坡等位置的發(fā)生繞擊的概率比較高。

以往，我們通常認為雷電對電力系統(tǒng)的危害絕大多數(shù)是由“云——地”之間的線狀雷所造成，且“在一定半徑范圍內雷電打擊基本上是打擊在較高點”，并由此來研究設置防范雷電對電力線路的危害，其主要措施是線路桿塔上端避雷針和導線上方的線路避雷線。

以上實踐證明，傳統(tǒng)的線路防雷措施，在一定程度上發(fā)揮了作用，但無法有效地保護線路導線及絕緣子免受雷電傷害，對于有效受風側面面積（暴露面）大的導線垂直和鼓形排列方式就更加明顯，尤其是桿塔在山頭、山脊、半山腰、山坡、山谷間以及其間河道傍等受風頻繁且風速較大、風速變化大的位置時特別顯著。由此不能不使我們對關于雷電對輸線路所造成傷害的傳統(tǒng)觀念重新思考，并探討其它原因以及研究采取相應防范對策。

3 雷電先導放電臨界擊距及暴露弧與擊中物的關系

雷云中電荷密集處的電強度達到2500～3000kV/km時，將首先出現(xiàn)向下放電，這種放電稱為先導放電。先導中心的線電荷密度約為（0.1～1）*10-3C/m,先導的電暈半徑約為0.6～6m。它猶如一個向下伸展的電荷囊，相應先導發(fā)展時的電流約為100A。當先導接近地面時，地面較突出的部分會開始迎著它發(fā)出向上的放電，這種放電稱為迎面先導。迎面先導可以是一個，也可以有幾個。當迎面先導的一個與下行的一支相遇時，就會產生強烈的中和效應，出現(xiàn)極大的電流（數(shù)十到數(shù)百千安培），并伴隨著雷鳴和閃光，這就是雷云放電的主放電階段。先導放電首先由地面發(fā)生并向上發(fā)展到雷云的上行雷，一般是在當?shù)孛嬗休^高聳的空出物時，不論雷云極性的正負都可能發(fā)生。

由雷云向地面發(fā)展的先導放電通道頭部到達距被擊物體臨界擊穿距離（簡稱擊距）的位置以前，擊中點是不確定的。而對某個物體先達到其相應的擊距時，即對該物體放電。擊距同雷電流的幅值有關，且與雷電的極性、被擊點的電位有關。并非我們以往所認為的“在一定半徑范圍內雷電打擊基本上是打擊在較高點”。由于土地的綜合利用要求，必須保證線路下方適度的林木種植、生長，建筑需要，以及大跨度跨越需要，目前，輸電線路桿塔高度都很高（30m以上，甚至100m以上），導線上工作電壓幅值很大，比較容易由導線上產生向上先導。

中國電力科學研究院開發(fā)的基于電氣幾何原理的避雷線屏蔽性能研究程序中采用了IEEEstd1234-1997，推薦了擊距公式：

以上式中I－雷電流，kA；rs－雷電對避雷線的擊距，m；rg－雷電對大地的擊距，m；yc－導線平均高度，m；rc－雷電對其上有工作電壓的導線的擊距，m；Uph－導線上工作電壓瞬時值，MV。

我們把桿塔的塔身、頭部、橫擔等與架空地線連接的地電位部分視同地線電位。經計算，得出如下表：

先導雷電流值rsrg (20m)rs-rg (20m)rg (30m)rs-rg (30m)rg (>=40m)rs-rg (>=40m) 100A2.23 m2.00 m0.23 m1.78 m0.45 m1.23 m1.00 m

接上表右

110kVrc(+)rs-110kVrc（+）110kVrc(-)rs -110kV rc（-）220kV rc（+）rs -220kV rc（+）220kV rc（-）rs -220kV rc（-） 2.05 m0.18 m2.43 m-0.20m1.87 m0.36 m2.62 m-0.39 m

離地面20～40m時，rg只有1.23～2.0m， rs只有2.23m,這就說明了為什么雷電先向較高聳突出物放電。而一般rs與 rc兩者相差不大，在0.5m以內。如圖4.1左側，改進前的一般線路避雷線rs所形成包絡弧無法覆蓋、包絡導線及絕緣子的rc所形成暴露弧，只在導線橫擔上部；桿塔金屬部件特別是橫擔端部的rs所形成包絡弧與rc所形成暴露弧相互交叉較多。

雷電弧及其通道不是純金屬線性的，而是具有一定半徑的電荷通道囊，即使不使輸電線路因過電壓而發(fā)生故障，也可能因電荷通道囊跨接輸電線路的導、地線間，再疊加上導、地線間本來已有的工頻電場，而造成線路單相（導地線間）、多相（兩相或三相導線間、且可能同時加上地線）空氣擊穿而短路。特別是在桿塔處絕緣子串、導線與塔身間空間距離較小部分，尤其在此處的兩端又是工頻電場極不均勻且強度最大處，最易在此處激發(fā)放電，形成擊穿建立電弧，并導致短路，引發(fā)線路跳閘，最嚴重者使導線及金具、絕緣子嚴重損壞，同樣將在這些環(huán)節(jié)引發(fā)短路并造成破壞。

如此，也就說明了為什么傳統(tǒng)的輸電線路導線上方的桿塔避雷針、避雷線無法有效地保護線路導線及絕緣子免受雷電傷害，對于有效側面受風面積大的導線垂直和鼓形排列方式更加明顯，尤其是桿塔在山頭、山脊、半山腰、山坡、山谷間以及其間河道傍等受風頻繁且風速較大、風速變化大的位置時特別顯著。相對于繞過上方避雷針、線而打擊下方導線及相關部分的“繞擊”而言，將由側面而來的雷電打擊稱為“側擊”更為貼切。

4 輸電線路防雷措施的改進與完善對策探尋

4.1 減小保護角直至采用負保護角

傳統(tǒng)的“保護角”系指避雷線和邊相導線的連線與經過避雷線的鉛垂線之間的夾角，其保護目的主要是保護導線不被“云—地”雷打擊，不但沒有把絕緣子串納入保護范圍，對導線也仍有一定的“繞擊”率，更何況無法對由側面擊來的“側擊”雷起到保護作用。減小保護角直至采用適當?shù)呢摫Ｗo角，如圖1右側延長上端地線橫擔，使地線比導線更為“突出”，將其rs的中心往外移，擴大了上部包絡、覆蓋面積，不但可減少“繞擊”，提高對“云—地”雷的保護，還將絕緣子串納入保護范圍，且可起到對“側擊”雷打擊的保護作用。

圖 1

4.2 改變塔頭結構,增大導線間及其對構架部件間的空氣間距

在不改變桿身、基礎的情況下盡可能適度改變塔頭結構，擴大導線間、導地線間、導線對桿塔構件間的凈空距離，盡可能減少建弧率，且邊際成本不大，增加投資不多。

4.3 桿塔橫擔末端裝設防“側擊”避雷針

人的腦部和心臟是最重要的部位和器官，一旦受到打擊最容易被傷害且難以或無法康復，甚至是致命，故而古代將士們都將其做為重點保護對象，戴上厚實堅固的頭盔和護心鏡。同樣絕緣子是輸電線路防雷的重點環(huán)節(jié)和部位，一旦受到打擊最容易受到傷害且難以或無法恢復，也應重點保護。可與桿塔上端的避雷針和導線上方的避雷線防范來自上方的“云—地”雷直接打擊同理，如圖1右側所示，在橫擔端部的外側向裝設“防側擊避雷針”，將桿塔金屬構件特別是橫擔端部產生的rs的中心往外移，使rs所形成的包絡弧最大限度地包絡、覆蓋rc所形成暴露弧，擴大了其包絡、覆蓋面積，將導線、絕緣子串、相關金具及桿塔空氣間隙納入保護范圍，可起到對“側擊”雷打擊的保護作用。

4.4 裝設線路避雷器

設置雷電快速釋放通道。在易受雷擊且較為重要的區(qū)段及修復較為困難的桿塔，如大跨越或高塔桿塔等安裝線路避雷器，目前的氧化鋅線路避雷器性能穩(wěn)定可靠，能較好地發(fā)揮釋放雷電過電壓的作用，有效地保護線路絕緣子和導線不被雷電電弧損壞。

4.5 加強線路絕緣

增加絕緣子串中的片數(shù)、改用大爬距懸式絕緣子、增大塔頭空氣間距，可提高線路的耐雷水平、降低建弧率。此舉可同時提高線路的防污閃水平，起到一石二鳥、一箭雙雕之效。過去，曾一度認為提高線路的絕緣水平，可能導致對電站設備的嚴重不良影響。過去電站設備造價相對線路設備來說可以說是“昂貴”且耐過電壓能力較差，電網對供電可靠性要求又不是很高，線路設備相對造價較低且易于修復，所以，采取降低線路絕緣水平犧牲線路而保電站的做法。然而，除了靠近電站段導入的外，在線路上導入的雷電過電壓波經過線路上較長距離的衰減，到電站處已變得較弱，且隨著避雷器技術的提高，電站母線及線路側避雷器已能穩(wěn)定、安全、可靠地削減電網內部過電壓和攔截雷電過電壓波，電站設備因電網內部過電壓及雷電波侵入造成損壞的情況已幾乎不再發(fā)生；同時，隨著對供電可靠性要求的提高，線路的安全可靠運行日益重要，提高線路的絕緣和耐雷水平已成為可能和必要。

4.6 在導線下方裝設架空耦合地線或架設復合地線光纜

因耦合地線具有一定的分流作用和增大導地線之間的耦合系數(shù)的作用，在架空輸電線路導線下方加設耦合地線，能提高線路的耐雷水平和降低雷擊跳閘率。因架空耦合地線處在低處并可較松馳架設，對桿塔的機械荷載增加不多，并不須增加造價。況且，為確保自動化及遠方監(jiān)控等的需要，每個變電站都需要有通訊傳輸，光纖通訊已成為我供電企業(yè)主要通訊方式和通道，利用架空輸電線路通道桿塔加掛通訊光纜，光纜懸掛在鋼絞線上，或使用OPGW復合地線光纜，將鋼絞線或復合地線與桿塔有效電氣聯(lián)接，就可起到耦合地線的作用，可謂一舉兩得。

4.7 絕緣子串的首末端使用大直徑絕緣子

絕緣子串就尤如處在兩側“棒—棒”的極不均勻電場中，如在絕緣子串的首末端使用大直徑絕緣子，尤如在絕緣子串兩側設置兩個“屏障”阻礙工頻及雷電壓在兩側電極疊加產生的電暈放電電荷形成的帶電粒子的運動，減緩前行速度，并調整空間電荷分布，使絕緣子串所處電場較為均勻，不易擊穿，減少建弧率。此舉與裝設均壓環(huán)具有殊途同歸之妙。如圖2在合成絕緣子串導線端安裝均壓環(huán)，而在橫擔地端安裝大外徑絕緣子。實踐證明，在眾多的因雷擊損壞的絕緣子串中，大多數(shù)是靠近兩端的一至三片被燒損，第一片燒損最為嚴重、最多，且是靠近橫擔側的比例為多。所以此方法非但能減少建弧率，對于雷電壓較強確實無法避免擊穿時，也可起到“丟卒保車”或是“李代桃僵”的功效，兩端絕緣子損壞而中間串不致?lián)p壞，特別是對外徑較小且一體性的合成絕緣子串來說，效果將會更好——若強電場引發(fā)建弧，電弧燒、灼損端部大外徑絕緣子（李或卒），而價值較高的一體性的合成絕緣子（桃或車）免受損害。且若端部大外徑絕緣子使用自爆式玻璃絕緣子，在受強電弧燒、灼損傷時自爆，非常容易發(fā)現(xiàn)，便于故障點的查找；或者在端部使用“可拆換大外徑硅橡膠合成絕緣片”，既可起到“屏障”作用，又可在強電場引發(fā)建弧，電弧燒、灼損后只更換“可拆換大外徑硅橡膠合成絕緣片”，而不需整根合成絕緣子更換。

圖2

5 結束語

本文并不是對傳統(tǒng)的觀念以及相關防雷措施的否定，只是提出了其不足，并重點引入 “擊距理論”，探索性地提出相應的補充和完善措施。

[1] 福建省近年110-220kV線路雷擊跳閘情況統(tǒng)計與地形參數(shù)分析報告.

[2] 趙智大.高電壓術[M].北京:中國電力出版社,1999.

[3] 劉振亞.特高壓電網[M].北京:中國經濟出版社,2005.