張 彪

(民航江蘇空管分局技術(shù)部，江蘇南京 211113)

淺談架空線路遭雷擊原因及防雷措施

張 彪

(民航江蘇空管分局技術(shù)部，江蘇南京 211113)

空管系統(tǒng)導(dǎo)航臺架空輸電線路遭雷擊引起的跳閘事故很多，因此架空輸電線路采用什么措施防雷也成為空管各地動力設(shè)備人員的一個題難。本文通過對民航某空管分局東北、西南導(dǎo)航臺架空輸電線路遭雷擊的原因進(jìn)行分析，在重視輸電線路的雷電檢測和預(yù)防，加大對輸電線路防雷的投入，加強(qiáng)輸電線路的運(yùn)行維護(hù)工作，以及提高輸電線路防雷科技含量的基礎(chǔ)上，提出提高輸電線路防雷、避雷、耐雷水平，降低雷擊跳閘率的對策。

導(dǎo)航臺;架空輸電線路;雷擊跳閘;防雷措施

一、概述

導(dǎo)航臺供電線路傳輸安全是保證通信導(dǎo)航設(shè)備暢通的基礎(chǔ)，是整個空管系統(tǒng)的能量保證，它的作用是整體性和全局性的。雖然它不是通信導(dǎo)航監(jiān)視主流設(shè)備，但它卻是空管系統(tǒng)中最重要、最關(guān)鍵的設(shè)備之一。雖然在整個空管系統(tǒng)中占的比例比較小，但它是整個空管系統(tǒng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施。如果某個通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)的供電系統(tǒng)發(fā)生故障而中斷供電，就會使整個系統(tǒng)癱瘓，威及航行安全。所以說電源是整個空管系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)與根本保障，在空管系統(tǒng)中的位置極其重要。喻電源為空管系統(tǒng)的“心臟”并不過分。然而對于導(dǎo)航臺供電架空輸電線路來講，雷擊跳閘一直是影響高壓輸電線路供電可靠性的重要因素。由于大氣雷電活動的隨機(jī)性和復(fù)雜性，目前世界上對輸電線路雷害的認(rèn)識研究還有諸多未知的成分。架空輸電線路和雷擊跳閘一直是困擾安全供電的一個難題，雷害事故幾乎占線路全部跳閘事故1/3或更多。因此，尋求更有效的線路防雷保護(hù)措施，一直是動力設(shè)備工作者關(guān)注的課題。

二、民航某空管分局東北、西南導(dǎo)航臺架空輸電線路現(xiàn)狀

民航某空管分局技術(shù)保障部動力設(shè)備室所轄的QL導(dǎo)航臺、ZG導(dǎo)航臺、HX導(dǎo)航臺、XDY導(dǎo)航臺等分布在東北、西南兩個方向，共有10KV高壓架空輸電線路3條、線路總長26．6公里、架空桿塔322座、高壓線路避雷器8組、高壓進(jìn)出開關(guān)柜8臺、高壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)柜1臺、變壓器4臺、柴油發(fā)電機(jī)組4套;設(shè)備是1996年施工安裝，1997年上半年投入使用。高壓架空輸電線路沿途地形情況為丘林地帶的小山區(qū)和水網(wǎng)平坦地帶，樹木生長旺盛。根據(jù)省氣象局雷電監(jiān)測相關(guān)統(tǒng)計(jì)報告:南京地區(qū)每年江寧、六合地區(qū)的雷電最多，年平均雷暴日為30－43天，最高年份達(dá)73天。因?yàn)楦邏杭芸蛰旊娋€路沿途為丘林地帶的小山區(qū)和水網(wǎng)平坦地帶造成雷云產(chǎn)生后不易散開或飄遠(yuǎn)，容易發(fā)生雷電。下圖是我們統(tǒng)計(jì)輸電線路數(shù)據(jù)

三、高壓架空輸電線路雷擊的原理

1、雷電放電的發(fā)展過程

通常雷擊引起的電力系統(tǒng)過電壓，稱為大氣過電壓。雷云放電在設(shè)備上產(chǎn)生的過電壓，是由于雷云的影響而產(chǎn)生的，所以也稱作雷電過電壓。大氣過電壓可分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓。雷直接擊于輸電線路時，巨大的雷電流在被擊物上流過造成的過電壓，成為直擊雷過電壓;雷擊輸電線路附近的地面或其他物體時，由于電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)在電氣設(shè)備或輸電線路上產(chǎn)生的過電壓，成為感應(yīng)雷過電壓。

作用于輸電線路的大氣過電壓是由雷云對地放電所引起的。雷云就是積聚了大量電荷的云層。關(guān)于雷云帶點(diǎn)的機(jī)理，迄今為止沒有同意的定論。通常認(rèn)為，在含有飽和水蒸氣的大氣中，當(dāng)遇到強(qiáng)烈的上升氣流時，會使空氣中水滴帶電，這些帶點(diǎn)的水滴被氣流所驅(qū)動，逐漸在云層的某部位集中起來，就形成帶電雷云。雷云中的電荷一般不是在云中均勻分布的，而是集中在幾個帶電中心。測量數(shù)據(jù)表明，雷云的上部分帶正電荷，下部帶負(fù)電荷。正電荷云層分布在大約4－10km的高度，負(fù)電荷云層分布在大約1．5－5km的高度。直接擊向地面的放電通常從負(fù)電荷中心的邊緣開始。

雷云對大地的放電通常包括若干次重復(fù)的放電過程，而每次放電又可分為先導(dǎo)放電、主放電和余輝放電三個主要階段。雷云下部大部分帶負(fù)電荷，故絕大多數(shù)的雷擊是負(fù)極性的。雷云中的負(fù)電荷會在附近地面感應(yīng)出大量正電荷，當(dāng)云中某一電荷中心的電荷較多，雷云與大地之間局部的電場強(qiáng)度達(dá)到大氣游離所需的電場強(qiáng)度(25－30kv/cm)時，就會使空氣游離。當(dāng)某一段空氣游離后，這段空氣就由原來的絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電性的通道，稱為先導(dǎo)放電。先導(dǎo)通道是分級向下發(fā)展的，每級先導(dǎo)發(fā)展的速度相當(dāng)高，但每發(fā)展到一定的長度(約25m～50m)就有一個(30～90)μs的間歇。所以它的平勻發(fā)展速度較慢(相對于主放電而言)，約為(1～8)×105m/s，出現(xiàn)的電流不大。先導(dǎo)放電的不連續(xù)性，稱為分級先導(dǎo)，歷時約0．005～0．01s。在先導(dǎo)通道發(fā)展的初始階段，其發(fā)展方向受到一些偶然因素的影響并不固定。但當(dāng)它發(fā)展到距地面一定高度時(這個高度稱為定向高度)，先導(dǎo)通道會向地面上某個電場強(qiáng)度較強(qiáng)的方向發(fā)展，這說明先導(dǎo)通道的發(fā)展具有“定向性”，或者說雷擊有“選擇性”。當(dāng)先導(dǎo)接近地面時，地面上一些高聳的突出物體周圍電場強(qiáng)度達(dá)到空氣游離所需的場強(qiáng)，會出現(xiàn)向上的迎面先導(dǎo)，當(dāng)先導(dǎo)通道的頭部與迎面先導(dǎo)上的異號感應(yīng)電荷或與地面之間的距離很小時，剩余空氣間隙中的電場強(qiáng)度達(dá)到極高的數(shù)值，造成空氣間隙強(qiáng)烈地游離，最后形成高導(dǎo)電通道，將先導(dǎo)頭部與大地短接，這就是主放電階段的開始。主放電完成后，云中的剩余電荷沿著主放電通道繼續(xù)流向大地，形成余輝放電，電流不大，約為103～101A，持續(xù)時間較長(0．03～0．05s)。由于云中同時可能存在幾個帶電中心，所以雷電放電往往是重復(fù)的。

2、10KV高壓輸電線路遭受雷擊的主要因素

10KV高壓輸電線路遭受雷擊的事故主要與三個因素有關(guān):線路絕緣子的50%放電電壓;雷電流強(qiáng)度;桿塔的接地電阻。高壓送電線路各種防雷措施都有其針對性，因此，在進(jìn)行高壓輸電線路防雷方式選擇時，首先要明確高壓送電線路遭雷擊跳閘原因?，F(xiàn)35KV以下高壓輸電線路都采用的是無避雷線輸電線路，這樣雷擊線路的部位只有兩個，一是雷擊導(dǎo)線，二是雷擊塔頂。當(dāng)雷擊導(dǎo)線后，雷電流便沿著導(dǎo)線向兩側(cè)流動，假定Z為雷電通道的波阻抗，Z/2為雷擊點(diǎn)兩邊導(dǎo)線的并聯(lián)波阻抗(若計(jì)及沖擊點(diǎn)暈的影響，可取Z=400Ω)。則雷擊點(diǎn)過電壓

雷擊導(dǎo)線的過電壓與雷電流的大小成正比。如果此電壓超過線路的劇院耐受電壓，則將發(fā)生沖擊閃絡(luò)。由此可得線路的耐雷水平為

當(dāng)雷擊線路塔頂時，雷電流I將流經(jīng)桿塔及其接地電阻流入大地。架設(shè)桿塔電感為Lgt，桿塔的沖擊電阻為Rch，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高度為Hd，雷電流為斜角平頂波，切工程計(jì)算取波頭為2．6us，則作用在絕緣子串上的電壓為由此可知，加在線路絕緣子串上的雷電過電壓與雷電流的大小，陡度，導(dǎo)線與桿塔高度及桿塔接地電阻有關(guān)。如果此值等于或大于絕緣子串的50%雷電沖擊放電電壓時，塔頂將對導(dǎo)線產(chǎn)生反擊。在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，有可能使線路跳閘，此時線路的耐雷水平為

而我國60kV及以下電網(wǎng)采用中性點(diǎn)非直接接地的方式，雷擊塔頂時若雷電流超過耐雷水平，會發(fā)生塔頂對一相導(dǎo)線放電。由于工頻電流很小，不能形成穩(wěn)定的工頻電弧，故不會引起線路跳閘，只有當(dāng)?shù)谝豁?xiàng)閃絡(luò)后，再向第二相反擊，導(dǎo)致兩相導(dǎo)線絕緣子串閃絡(luò)，形成相間短路時，才會出現(xiàn)大的短路電流，引起線路跳閘，這種閃絡(luò)就是反擊閃絡(luò)。

四、高壓輸電線路防雷措施

清楚了高壓輸電線路雷擊跳閘的發(fā)生原因，我們就針對性采取了以下幾種措施:

1．加強(qiáng)高壓輸電線路的絕緣水平。每年組織人員對高壓輸電線路進(jìn)行上桿檢查，杜絕零值絕緣子產(chǎn)生。因?yàn)楦邏狠旊娋€路的絕緣水平與耐雷水平成正比，所以加強(qiáng)零值絕緣子的檢測，是保證高壓輸電線路有足夠的絕緣強(qiáng)度是提高線路耐雷水平的重要因素。

2．降低基桿塔的接地電阻。每年組織人員對高壓輸電線路的基桿塔的接地電阻進(jìn)行檢測，對查出的接地電阻不合格的桿塔接地線進(jìn)行開挖檢查。對檢查中發(fā)現(xiàn)已爛斷或無接地引下線的桿塔進(jìn)行整改。對重新處理后接地電阻仍然不理想的桿塔在接地極周圍敷設(shè)了降阻劑，這樣可以起到增大接地極外形尺寸、降低與周圍大地介質(zhì)之間的接觸電阻的作用。從而起到降低接地極的接地電阻。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)降阻劑用于小面積的集中接地、小型接地網(wǎng)時，其效果較為顯著。降阻劑是由集中物質(zhì)配制而成的化學(xué)降阻劑，其具有導(dǎo)電性能良好的強(qiáng)電介質(zhì)和水分，這些強(qiáng)電介質(zhì)和水分被網(wǎng)狀膠體所包圍，網(wǎng)狀膠體的空格又被部分水解的膠體所填充，使它不至于隨地下水和雨水而流失，因而能長期保持良好的導(dǎo)電作用。

總之，接地電阻與耐雷水平成反比，所以盡可能地降低桿塔的接地電阻，也是提高高壓輸電線路耐雷水平的最經(jīng)濟(jì)、有效的手段。

3．在降低桿塔接地電阻有困難時，在導(dǎo)線下方架設(shè)一條增設(shè)耦合地線。由于耦合地線可以使避雷線和導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)增大，并使流經(jīng)桿塔的雷電流向兩側(cè)分流，從而提高高壓送電線路的耐雷水平。

4．對線路交叉跨越檔的保護(hù)。即在交叉檔兩端的鋼筋混凝土桿或鐵塔(上、下方線路共4基)，加裝接地。

5．對大跨越檔的桿線增加線路避雷器保護(hù)。其由于安裝線路避雷器使得桿塔和導(dǎo)線電位差超過避雷器的動作電壓時，避雷器就加入分流，保證絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。根據(jù)了解到情況:在雷擊跳閘較頻繁的高壓送電線路上選擇性安裝避雷器可達(dá)到很好的避雷效果。目前在全國范圍已使用一定數(shù)量的高壓送電線路避雷器，運(yùn)行反映較好。但是采用線路避雷器保護(hù)的局限是每組避雷器的保護(hù)范圍只是安裝避雷器的本基桿塔;要想全線防護(hù)，安裝線路避雷器的數(shù)量就非常大，不但采購成本高，維護(hù)運(yùn)行成本也大大增加，況且線路避雷器的產(chǎn)品質(zhì)量層次不齊，這樣也會給線路增加了故障隱患。所以線路避雷器選擇用在大跨越檔的桿線地段。另外在線路避雷器一般有兩種:一種是無間隙型，即避雷器與導(dǎo)線直接連接，它是電站型避雷器的延續(xù)，具有吸收沖擊能量可靠，無放電時延、串聯(lián)間隙在正常運(yùn)行電壓和操作電壓下不動作，避雷器本體完全處于不帶電狀態(tài)，排除電氣老化問題;串聯(lián)間隙的下電極與上電極(線路導(dǎo)線)呈垂直布置，放電特性穩(wěn)定且分散性小等優(yōu)點(diǎn)。另一種是帶串聯(lián)間隙型，避雷器與導(dǎo)線通過空氣間隙來連接，只有在雷電流作用時才承受工頻電壓的作用，具有可靠性高、運(yùn)行壽命長等優(yōu)點(diǎn)。一般常用的是帶串聯(lián)間隙型，由于其間隙的隔離作用，避雷器本體部分(裝有電阻片的部分)基本上不承擔(dān)系統(tǒng)運(yùn)行電壓，不必考慮長期運(yùn)行電壓下的老化問題，且本體部分的故障不會對線路的正常運(yùn)行造成隱患。在對比后選用了帶串聯(lián)間隙型線路避雷器

6．加強(qiáng)高壓輸電線路巡視。每季組織人員對高壓輸電線路進(jìn)行巡視，巡視的主要內(nèi)容:

第一，桿塔部分:(1)桿塔是否傾斜:鐵塔構(gòu)件有無彎曲、變形、銹蝕:螺栓有無松動:混凝土桿有無裂紋、酥松、鋼筋外露，焊接處有無開裂、銹蝕。

(2)基礎(chǔ)有無損壞、下沉或上拔，周圍土壤有無挖掘或沉陷。

(3)桿塔標(biāo)志(桿號、相位警告牌等)是否齊全、明顯。

(4)對地距離及交叉跨越距離檢查，發(fā)現(xiàn)超過規(guī)定界限的樹木及時處理。

(5)有無危及安全的鳥巢、風(fēng)箏及雜物。

第二，橫擔(dān)及金具部分:(1)鐵橫擔(dān)有無銹蝕、歪斜、變形。

(2)金具有無銹蝕、變形;螺栓是否緊固，有無缺帽;開口肖有無銹蝕、斷裂、脫落。

第三，絕緣子部分:(1)瓷件有無臟污、損傷、裂紋和閃絡(luò)痕跡。

(2)鐵腳、鐵帽有無銹蝕、松動、彎曲。

第四，導(dǎo)線(包括耦合地線)部分:(1)有無斷股、損傷、燒傷腐蝕現(xiàn)象。

(2)三相馳度是否平衡，有無過緊、過松現(xiàn)象。

(3)接頭是否良好，有無過熱現(xiàn)象(如:接頭變色，雪先熔化等)，連接線夾彈簧墊是否齊全，累帽是否緊固。

(4)過(跳)引線有無損傷、斷股、歪扭，與桿塔、構(gòu)件及其他引線間距離是否符合規(guī)定。

(5)導(dǎo)線上有無拋扔物。

(6)固定導(dǎo)線用絕緣子上的綁線有無松弛或開斷現(xiàn)象。

第五，防雷設(shè)施部分:(1)避雷器瓷套有無裂紋、損傷、閃絡(luò)痕跡，表面是否臟污。

(2)避雷器的固定是否牢固。

(3)引線連接是否良好，與鄰相和桿塔構(gòu)件的距離是否符合規(guī)定。

(4)各部附件是否銹蝕，接地端焊接處有無開裂、脫落。

(5)引雷裝置是否脫落

第六，接地裝置部分:(1)接地引下線有無丟失、斷股、損傷。

(2)接頭接觸是否良好，線夾螺栓有無松動、銹蝕。

(3)接地引下線的保護(hù)管有無破損、丟失，固定是否牢靠。

(4)接地體有無外露、嚴(yán)重腐蝕，在埋設(shè)范圍內(nèi)有無土方工程。

第七，拉線、頂(撐)桿、拉線柱部分:(1)拉線有無銹蝕、松弛、斷股和張力分配不均等現(xiàn)象。

(2)拉線棒(下把)、抱箍等金具有無變形、銹蝕。

(3)拉線固定是否牢固，拉線基礎(chǔ)周圍土壤有無突起、沉陷、缺土等現(xiàn)象。

(4)頂(撐)桿、拉線柱、保護(hù)樁等有無損壞、開裂、腐朽等現(xiàn)象。

第八，線路沿線部分:(1)沿線有無易燃、易爆物品和腐蝕性液、氣體。

(2)導(dǎo)線對地、對道路、公路、鐵路、管道、索道、河流、建筑物等距離是否符合規(guī)定，有無可能觸及導(dǎo)線的鐵煙筒、天線等。

(3)周圍有無被風(fēng)刮起危及線路安全的金屬薄膜、雜物等。

(4)有無威脅線路安全的工程設(shè)施(機(jī)械、腳手架等)。

(5)防護(hù)區(qū)內(nèi)的植樹、種竹情況及導(dǎo)線與樹、竹間距離是否符合規(guī)定。

(6)線路附近有放風(fēng)箏、拋扔外物、飄灑金屬和在桿塔，拉線上栓牲畜等。

表1 配電線路預(yù)防性檢查、維護(hù)周期表

五、結(jié)束語

通過對輸電線路防雷的研究，筆者體會到雷電現(xiàn)象的復(fù)雜性和雷電活動的分散性，雷擊幾率受制約因數(shù)的多樣性，它的危害不可能完全消除和避免。只要我們重視輸電線路的雷電檢測和預(yù)防，不斷努力探索和嘗試，加大對輸電線路防雷的投入，加強(qiáng)輸電線路的運(yùn)行維護(hù)工作，提高輸電線路防雷的科技含量，同時在工作中注意以下幾點(diǎn):

第一，雷電危害與氣候、環(huán)境、地質(zhì)、設(shè)備等多種因素有關(guān)。因此，防雷工作應(yīng)深入一線，掌握現(xiàn)場第一手資料，要有針對性地采取綜合防雷措施;

第二，防雷技術(shù)措施的實(shí)施，要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，合理選擇。已運(yùn)行線路還可能受桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、高度等條件的影響，因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā);

第三，任何防雷措施、設(shè)施都不能一勞永逸，要不斷完善，勤于運(yùn)行維護(hù)和檢修，才能充分發(fā)揮其作用;

第四，應(yīng)該對線路歷年雷擊資料和各種防雷措施投運(yùn)后的實(shí)際效果，建立完整詳實(shí)的原始資料，以便積累真實(shí)客觀的第一手資料，為今后線路防雷措施的進(jìn)一步完善和今后運(yùn)行線路附近新建工程的防雷設(shè)計(jì)提供依據(jù);

第五，接地裝置施工要規(guī)范嚴(yán)格，接地電阻測試要客觀真實(shí)可信;

第六，維修輸電線路時，維修單位要嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)程、規(guī)范進(jìn)行施工，講究施工工藝，確保施工質(zhì)量，并使用優(yōu)質(zhì)合格的原材料。維修過程中，運(yùn)行單位要嚴(yán)格把關(guān)，全過程參與，及時監(jiān)督和檢查以確保工程質(zhì)量;

總之，只要我們在平時的工作中，重視輸電線路的雷電檢測和預(yù)防，加大對輸電線路防雷的投入，加強(qiáng)輸電線路的運(yùn)行維護(hù)，提高輸電線路防雷的科技含量，輸電線路的防雷是可以得到控制的，降低其雷擊跳閘率也是可以實(shí)現(xiàn)的。

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1003－4145［2012］專輯－0332－04

2012－04－19

張 彪，男，民航江蘇空管分局技術(shù)部助理工程師。

(責(zé)任編輯:欒曉平)