十堰供電公司輸電線路部 路洪岐

一、前言

輸電線路綿延數十至數百公里，地處曠野，穿越平原、丘陵、大山區(qū)或跨越河流，桿塔大多處于高出地面十幾米乃至幾十米的制高點，暴露在曠野或高山中，所以易遭受雷擊。雷擊線路造成的跳閘事故在電網事故中占有很大比例，雷擊成為電力系統(tǒng)安全運行的重要隱患。隨著輸電線路增多，雷擊跳閘對安全運行的影響日益突出。因此，必須首先分析研究雷害的成因及對線路造成危害的過程，才能針對其成因采取有效的防雷保護措施，從而減少輸電線路的雷害事故，提高電力系統(tǒng)運行的可靠性。

二、雷電形成及對輸電線路的危害

1.雷電形成

地面的水在地表溫度下蒸發(fā)為蒸汽，向上空升起，遇到高空冷氣流時凝成水滴，一旦受到強烈氣流吹襲便形成帶有大量電荷的雷云，帶電荷的雷云對大地感應出異號電荷，于是雷云和大地之間相當于形成了一個巨大的充電電容器，而電荷在雷云中的分布并不均勻，密集電荷中心附近的空氣在高電場強度作用下先被電離，成為先導放電首段通道，電荷沿通道不斷延伸，當最后一段空氣也被電離時，先導放電通道便成了主放電通道，地面電荷隨即沿放電通道進入云層，并和雷云中的電荷迅速中和，出現雷鳴和閃光。

2.雷擊線路成因、分類及危害

(1)成因

由于輸電線路桿塔處在高出地面的尖端，據雷電形成的過程，我們知道輸電桿塔先于雷云形成主放電通道，大量的異號電荷在極短時間內中和，產生數百千安的電流(等效阻抗如圖示)，雷電流流過桿塔入地，引起塔頂電位Utp升高，而Utp＝雷電流對桿塔電感產生的電位升高值＋雷電流對桿塔沖擊接地電阻產生的電位升高值，如果塔頂電位與導線上的感應電位的差值，再考慮線路工頻電壓幅值的影響后，其值超過絕緣子的50%沖擊閃絡電壓時，就會造成絕緣子串閃絡放電，從而造成雷擊跳閘事故。

(2)分類

雷擊輸電線路分反擊和繞擊兩種。

反擊：當避雷線遭受雷擊時，若桿塔接地電阻過大將會在避雷線上引起很高電位，從而導致導線絕緣閃絡，包括雷擊塔頂和雷擊避雷線兩種情況。

繞擊：雷云放電繞過避雷線而直接擊中導線引起直擊雷，此現象稱之為繞擊。

(3)危害

雷擊線路多表現為整個絕緣子串閃絡，輕者在絕緣子上留下閃絡痕跡，降低絕緣子的運行電阻及電氣性能，形成設備缺陷，重者造成絕緣子破碎，導致線路送電中斷，嚴重者甚至引起吊串斷線事故，大大影響線路安全運行。

三、防雷保護中的幾個術語和概念

1.雷暴日

雷暴日是指一年中有雷電的天數。它能反映雷電活動的頻率，是線路防雷設計主要依據，與地域差異有很大關系。如長江以北地區(qū)約20-40個雷暴日，而西北地區(qū)則多在20個雷暴日以下。

2.雷電流波形、幅值

雷電流波長大致在40us左右，波頭長度大致在1-4us之間，平均在2.6us左右。因此，我國規(guī)程DL/T620-1997(以下簡稱規(guī)程)建議計算用波頭取為2.6us，即認為雷電流的平均上升陡度為：=(KA/us)式中：IL-雷電流幅值，單位KA。

規(guī)程建議雷電流波頭形狀為：一般線路防雷設計中可取為斜角波，而在高塔設計時可取為余弦波，在波頭范圍內雷電流可表示為：iL=(1-coswt)。

雷電流幅值與氣象及自然條件有關，是一個隨機變量，只有通過大量實測才能正確估算其概率分布規(guī)律。規(guī)程建議采用：logP=式中：P-雷電流幅值超過IL的概率，IL-雷電流幅值。

3.地面落雷密度和輸電線路落雷次數

地面落雷密度γ：表示每一雷暴日，每平方公里地面落雷次數，單位為次/Km.雷暴日，規(guī)程建議γ取0.07。

輸電線路落雷次數：對于線路來說，高出地面有引雷作用，一般高度線路的等值受雷面寬度為（4h+b），也即等值于受雷面積為線路兩側的地帶，線路愈高，則等值受雷面積愈大。若地面落雷密度γ取0.07，雷暴日T取40時，輸電線路落雷次數：

N＝0.28(4h+b)式中：N-輸電線路落雷次數，h-線路平均高度，b-兩避雷線間距離。

4.擊桿率（g）

擊桿率是指雷擊線路桿塔的次數與線路雷擊總次數之比值，其大小與避雷線根數和地形有關。規(guī)程推薦擊桿率如下表：

避雷線根數

地質 1 2平原 1/4 1/6山丘 1/3 1/4

5.繞擊率（Pθ）

繞擊率指雷電繞過避雷線擊于導線的概率，與避雷線對導線的保護角、桿塔高度以及線路經過地區(qū)的地形、地貌、地質條件有關。規(guī)程給出經驗公式：

平原線路 lg Pθ=-3.9

山區(qū)線路 lg Pθ′=-3.35

式中：Pθ、Pθ′-繞擊率θ-避雷線對外側導線的保護角

h-避雷線平均高度

由上二式可以看出，山區(qū)線路的繞擊率約為平原線路的3倍。

6.耐雷水平

雷擊線路時線路絕緣不發(fā)生閃絡的最大雷電流幅值，叫做耐雷水平。它是判斷輸電線路耐雷性能的一個重要依據。耐雷水平愈高，意味著線路防雷措施愈完善，絕緣子串遭受雷電過電壓發(fā)生閃絡的概率愈小。規(guī)程規(guī)定，對于500kV線路一般段應取125-175kA，而大跨越檔及發(fā)電廠、變電站進出線段應不低于175kA。

7.建弧率(η)

絕緣子串和空氣間隙在雷電沖擊閃絡之后，轉變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧的概率，與沿絕緣子串和空氣間隙的平均運行電壓梯度有關，也和游離條件有關。規(guī)程建議按下式計算：

η＝(4.5E0.75－14)×10-2

式中：η-建弧率

E-絕緣子串的平均運行電壓梯度有效值(kV/m)

在雷電過電壓沖擊下，絕緣子串發(fā)生沖擊閃絡，但持續(xù)時間很短(100us左右)，繼電保護來不及動作，所以不會引起跳閘，只有當沖擊閃絡火花轉變?yōu)榉€(wěn)定工頻電弧，才會引起線路開關跳閘，因此，輸電線路的雷擊跳閘次數不僅與耐雷水平有關，還與建弧率有關。

8.雷擊跳閘率

前面提到只有當雷電流幅值超過線路耐雷水平引起絕緣沖擊閃絡且建立起穩(wěn)定工頻電弧時，線路才會跳閘停電。雷擊線路分反擊和繞擊。

反擊跳閘率計算公式：

n1＝0.28(4h＋b)gηP1

式中：n1-反擊跳閘率，h-避雷線平均高度，b-兩避雷線間距離，g-擊桿率，η-建弧率，P1-雷電流大于反擊耐雷水平I1的概率

繞擊雷擊跳閘率計算公式：

n2=0.28(4h+b)PθηP2

式中：n2-繞擊跳閘率，Pθ-繞擊率

P2-雷電流大于繞擊電流I2的概率

h、b、η意義同上。

線路雷擊跳閘率計算公式：

n＝n1+n2＝0.28η(4h+b)(g P1+PθP2)

四、線路防雷的主要工作

線路防雷的主要工作是采用技術經濟性能優(yōu)化措施，將雷害事故減小到可以接受的程度，以保證供電的可靠性與經濟性。根據前面的分析，我們已經知道雷電活動規(guī)律及線路最終發(fā)生雷擊跳閘的幾個條件，因此，我們可以著手從以下四個方面做好輸電線路的防雷工作。

第一，保護導線不受或少受雷直擊，一般根據輸電線路電壓等級的不同沿全線架設避雷線。

第二，雷擊塔頂或避雷線時不使或少使絕緣發(fā)生閃絡，為此，需改善桿塔的接地電阻以及適當提高絕緣水平等。

第三，當絕緣子發(fā)生沖擊閃絡時，盡量降低建弧率，從而減少雷擊跳閘次數，為此，應減少絕緣上的工頻電場強度或電網中性點采用不直接接地的方式以及加裝消弧器等。

第四，即使跳閘也不中斷電力供應，可采用雙回路供電或采用自動重合閘裝置。

五、防雷措施

在確定輸電線路的防雷方式時，必須全面考慮線路的重要程度、系統(tǒng)運行方式、線路經過地區(qū)雷電活動的強弱、地形地貌特征、土壤電阻率的高低等條件，并應結合已有線路的運行經驗，進行全面的技術經濟比較，從而確定出合理的保護措施。

輸電線路的防雷工作是一個系統(tǒng)工程，首先勘測設計單位在線路走向選取時盡量避開雷暴走廊、土壤電阻率突變區(qū)等雷電易擊區(qū)，經分析計算結合現場實際采取有效防雷設計是一項根本措施。施工單位嚴格操作工藝，則是貫徹設計意圖的重要一環(huán)。線路投運后，維護單位應根據現場實際，通過分析比較雷電活動規(guī)律、線路雷擊跳閘特性等，尋找有效可行的防雷改進措施。下面從運行維護角度著重闡述輸電線路綜合防雷措施。

1.降低桿塔接地電阻值

桿塔的接地電阻值是影響線路反擊耐雷水平的一個重要參數。從前面的分析我們知道，降低桿塔接地電阻是提高線路耐雷水平防止反擊的有效措施。不同的接地電阻值對線路桿塔的耐雷水平影響是較大的。按照規(guī)程標準，不同的接地電阻對耐雷水平的影響詳見下表。

DL/T620規(guī)程標準塔的耐雷水平（kKA)

相對DL/T620規(guī)程標準沖擊接地電阻7Ω耐雷水平下降的百分數

由上表可見，降低接地電阻對提高線路耐雷水平的重要性，是降低反擊跳閘率的一項基礎工作。運行維護單位通常采用以下幾個方面的措施來降低桿塔接地電阻。

(1)更換銹蝕嚴重的接地網

根據前面對輸電線路的危害一節(jié)我們易知：對于一般高度的桿塔，桿塔沖擊接地電阻往往對塔頂電位升高起很大作用，而在山區(qū)或不良土壤地區(qū)，沖擊接地電阻可達20～30Ω，此時起決定性作用。只有在高塔尤其過江特高塔時，桿塔電感才對塔頂電位升高起決定性作用。所以要減少線路反擊跳閘率。必須定期挖開地網進行銹蝕情況檢查，土壤腐蝕變化情況檢查。對以下幾種情況需考慮改造更換：

a)接地電阻測量值大于設計規(guī)定值；

b)接地網銹蝕嚴重，被腐蝕后其導體截面低于原值的80%；

c)接地網周圍地形地貌等發(fā)生不良變化，原設計接地型式無法滿足接地電阻值運行要求；

這里必須強調，更換接地網或新線路設計時應適當提高接地網截面尺寸，預留一定余度，未雨綢繆，達到提高耐雷水平，降低雷擊跳閘率的目的。如500kV鳳磁I、II回π進π出磁湖變段，接地引線采用φ10的圓鋼，其截面尺寸低于φ12的規(guī)定要求，且接地引線未鍍鋅，不符合相關要求，采取了將φ10未鍍鋅的圓鋼更換為φ12鍍鋅圓鋼的措施后，滿足了運行要求。

(2)使用降阻劑，有效降低高土壤電阻率地段桿塔接地電阻

線路經過山區(qū)地段時，地質多以巖石為主，土壤電阻率很高，大都在2000Ω.m以上，甚至高達8000Ω.m～10000Ω.m，接地網埋設后無法滿足設計運行要求，為改善土壤電阻率高的桿塔接地電阻，需要敷設降阻劑，有效降低桿塔電阻。降阻劑應選擇電阻率低、性能穩(wěn)定、無腐蝕性、降阻性能好、防腐能力強的降阻劑。500kV鳳夢線沿線山地及高山大齡較多，土壤電阻率很高，設計對土壤電阻率超過2000Ω.m的塔基接地電阻敷設了CFJ－1長效防腐接地降阻劑，施工單位按設計要求施工完畢后經檢測接地電阻均滿足了運行要求，達到了降低接地電阻提高耐雷水平的目的。

注：降阻劑的敷設要求

a)降阻劑必須包裹住降阻劑，使接地線被包裹在中間，按100×300的截面要求灌注并搗實，初凝后取下模具，回填細土或細沙土后夯實；

b)包裹用量一般每米不少于10～25公斤；

c)施工順序一般由射線末尾向桿塔方向埋設；

2.確保接地裝置的接地效果

防雷接地的主要目的，是為了讓強大的雷電流安全導入地中（地線）以減少雷電流流過時引起的電位升高。而雷擊桿塔時，一部分雷電流通過架空避雷線流到相鄰桿塔，另一部分雷電流經桿塔流入大地。所以確保接地裝置的接地效果，是一項防護線路設備安全，提高線路雷擊跳閘重合成功率，提高線路安全供電可靠性的防雷工作。

(1)接地裝置必須連接牢靠，保障雷電流的正常暢通。

接地裝置的連接包括架空避雷線與桿塔(地線間隙件)的連接、桿塔(引下線)與地網的連接、接地引線與接地網的連接（焊接）、接地射線與接地網架的連接。

對于500kV線路，架空避雷線通過地線間隙件(間隙一般為25±2mm)與桿塔連接，正常運行狀態(tài)下間隙件保持絕緣，降低電能損失，當雷電流作用其上達到一定程度時，間隙被擊穿，起到泄漏電流的作用。接地引線一頭用φ16的可拆卸式螺栓與桿塔主材相連（兩根或四根），另一頭與接地網焊接（焊接長度不少于65mm且兩面焊平），接地網其余連接部分均采用焊接。

為了保證接地裝置的連接可靠，必須按《運規(guī)》規(guī)定定期測量接地電阻值并開挖檢查地網連接情況，抽查地線間隙件是否有松動、間隙不符合要求等情況。我公司規(guī)定每年雷雨季節(jié)前，用測量每基桿塔接地，凡有疑問的挖開接地網檢查。另外，我公司每兩年針對線路具體情況開挖抽查部分接地網連接、銹蝕等情況。對于檢查中發(fā)現的問題，及時采取措施處理。如500kV磁南線38＃接地引線被當地人鋸斷，我公司發(fā)現此缺陷后及時進行了處理，消除了隱患。

(2)接地裝置力求好的接地效果

地網的接地效果，主要要達到接地體的沖擊系數小于1的程度。接地體的沖擊系數，即系接地體的工頻接地電阻與接地體的沖擊接地電阻之比值。在高頻雷電流的作用下，桿塔的接地電阻實際上是呈現為沖擊接地電阻值。而高頻的雷電流使到接地體本身的電感呈現較大的阻礙雷電流流通的作用，這一效應將使伸長接地體（其電感較大）在雷電流作用下呈現較大的沖擊電阻值。而另一方面，雷電流的幅值很大（數十千安），接地體的電位很高，其周圍土壤中的電場強度將大大超過土壤（不均勻介質）的耐壓強度（一般在8.5×103V/cm左右），所以會產生強烈的火花放電。這一效應將使接地體的沖擊接地電阻比工頻接地電阻大大減少。由于雷電流對接地體有上述作用，要使接地裝置得到較好的接地效果，就必須保障接地體的沖擊系數小于1。不管對新建的桿塔的地網敷設，還是運行中更換的桿塔地網的敷設，其敷設深度一定要達到規(guī)程的規(guī)定值。對放射形接地極每根的最大長度，不得超過規(guī)程標準的規(guī)定。詳見下表。放射形接地極每根的最大長度

土壤電阻率(Ω.m) ≤500 ≤1000 ≤2000 ≤5000最大長度(m) 40 60 80 100

3.根據線路實際適當增加接地點

在線路設計階段，設計單位根據線路經過地區(qū)的地質、地形、雷電活動規(guī)律等情況，沿線選擇了接地點。但線路投運后，正常狀態(tài)運行時會出現地線保護間隙火花放電現象及易出現雷擊跳閘等現象，這很有可能是因為接地點設計欠缺合理性造成的。因此需要考慮現場實際后適當增加接地點（接地點增加不可過多，以免造成多的電能損失），一般以實現電流正常泄漏、達到保護線路正常運行的目的。如500kV龍斗I回線路53?！?4＃耐張段，在線路投運后頻繁出現火花間隙放電現象，后于2003年12月進行了更換并重新調整了間隙距離（原間隙20±2mm調整為25±2mm），在58＃增加了接地點，改造后消除了火花間隙放電缺陷，確保了線路正常運行。再如500kV斗孝II回線路大跨越段，設計增加接地點后收到了預期效果。

4.加裝氧化鋅避雷器

雷擊桿塔易在雷電活動強烈、土壤電阻率高且地形復雜的地區(qū)及大跨越高桿塔上重復發(fā)生，在這些地段使用氧化鋅避雷器是很有效的防雷措施。但由于其保護范圍有限，要想達到好的防雷效果，必須配置相應數量的避雷器，從而加大了投資。實際當中往往根據需要適量配置，達到最優(yōu)化的目的。

5.適當提高絕緣水平

從前面分析知道，提高絕緣子串50%沖擊閃絡電壓，即提高絕緣水平也是防止雷害的措施之一。一般采取增加絕緣子片數或更換為更高電氣耐受性能的絕緣子的方法，來到達提高絕緣閃絡水平的目的。

六、結束語

輸電線路的防雷保護工作，是一個系統(tǒng)工程，必須從設計、施工、運行的各個環(huán)節(jié)上審慎考慮，分析雷害事故的成因，針對不同線路特點，摸索出符合經濟技術性能良好的防雷措施，把雷害事故降到可以承受的限度，從而有效保證線路的安全穩(wěn)定良好運行。

[1]武漢高壓所編.線路通訊,2002(1).

[2]丁玉華.高壓電力架空線路設計、施工、驗收與運行檢測實務全書[M].廣西文化音像出版社.

[3]《架空送電線路運行規(guī)程》(DL/T741-2001).

[4]《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合》(DL/T620-1997).