付學文，魏智娟，張志芳

(1.邢臺供電公司，河北 邢臺 054001;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 電力學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

0 引言

為提高線路耐雷水平和降低雷擊跳閘率為目的，國內(nèi)外的電力專家開展了大量的輸電線路防雷研究和措施改造工作。架空輸電線路遭到雷擊的事故發(fā)生通常要經(jīng)過四個階段:線路遭到雷擊;線路發(fā)生閃絡;線路由于發(fā)生沖擊閃絡建立起穩(wěn)定的工頻電弧;電力系統(tǒng)供電中斷。針對雷害事故發(fā)生的這四個階段，目前的防雷技術可以大致分成四類，即防雷電直擊導線技術;防閃絡技術;防建弧技術;防停電技術。

1 輸電線路防雷的常用措施

1.1 降低桿塔電阻

根據(jù)桿塔所在地區(qū)土壤電阻率的情況，盡可能地降低桿塔的接地電阻是提高線路耐雷水平非常經(jīng)濟且有效的手段。降低桿塔接地電阻主要方法有以下幾種。

(1)充分利用架空線路的自然接地 在實際接地工程中，充分利用混凝土結構物中的鋼筋骨架、金屬結構物以及上、下水金屬管道等自然接地體，是減小接地電阻、節(jié)約鋼材以及達到降低接地電位的有效措施。

(2)外引接地裝置 如桿塔所在的地方和有水平敷設的地方，要設置水平接地體[1]。因為水平敷設施工費用低，不但可以降低工頻接地電阻，還可以有效地降低沖擊接地電阻，起到有效的防雷作用[2]。對輸電線路桿塔的接地裝置，其外延長度(射線長度的最大限度)如下表1所示。

(3)深埋式接地極 如地下較深處的土壤電阻率較低，可用豎井式或深埋式接地極。在選擇埋設地點時應注意以下幾點:選在地下水位較豐富及地下水位較高的地方;桿塔附近如有金屬礦體，可將接地體插入礦體上，利用礦體來延長或擴大接地體的幾何尺寸;利用山巖的裂縫，插入接地極并灌入降阻劑;填充電阻率較低的物質。

表1 土壤電阻率與外引接地裝置的長度關系

(4)改善土壤電阻率 接地體的接地電阻與土壤電阻率密切相關，鑒于以上原因，可以采用改善接地體周圍土壤電阻率的方法，以降低接地電阻。主要方法有:

換土法 使用電阻率ρ較低的土壤來置換掉電阻率較高的土壤。這種方法雖然有效，但工程量太大，造價較高。置換材料的特性應保證電阻率低、不易流失、性能穩(wěn)定、易于吸收和保持水份、無強烈腐蝕作用，并且施工方便和經(jīng)濟合理。

使用降阻劑 實踐證明，在水平接地體周圍施加高效膨潤土降阻防腐劑，對降低桿塔的接地電阻效果很明顯，但需要定期更換以便保持其降阻作用;

鋪設水下接地裝置。若桿塔附近有水源，利用這些水源布置接地極，可以收到很好的效果。若受地形和地勢等因素的限制把工頻接地電阻降到合格(10 Ω)以內(nèi)較困難時，可以考慮采用6～8根長為80 m的水平射線的方法來降低沖擊接地電阻。

1.2 輸電線路全線架設避雷線

對于處于山區(qū)、草原、高原等土壤電阻率高的地區(qū)，架空輸電線路的雷擊繞擊率非常高。為此建議35kV以上電壓等級的架空輸電線路全線架設雙避雷線。35kV線路全線架設避雷線之后，其造價必然會有所增加，但增加有限，而引雷效果的作用非常明顯。若按全線架設避雷線設計，除增加作為避雷線的鋼絞線外，原不架設避雷線部分線路的桿塔需增加避雷線吊架，30% ～50%的桿塔需加高3 m，相應的拉線、拉線基礎及接地工程也將增加部分費用，這樣線路的單位造價將在原有的基礎上增加5%～10%左右，可見全線架設避雷線之后，增加的投資有限。

1.3 加強輸電線路的運行維護消除絕緣弱點

定期檢測零值劣質絕緣子，檢測可用目測法和紅外測溫法，檢測出劣質絕緣子并及時更換，也可參照輸電線路定期檢修的辦法對輸電線路實行輪換，對輸電線路加強運行管理，及時消除絕緣弱點，提高輸電線路的絕緣水平。實踐證明:加強輸電線路的運行維護消除絕緣弱點對提高輸電線路的耐雷水平作用非常明顯;及時清理輸電線路下的樹木和違章建筑，防止在雷雨天氣線路下的雜物引起輸電線路短路接地故障;要有防止車輛撞線路桿塔的措施，防止外力破壞，特別是要對同塔多回重點加強保護。

1.4 采用不平衡絕緣方式

為了節(jié)省走廊用地，在現(xiàn)代超高壓和特高壓輸電線路中，采用同桿塔架設多回線路的情況日益增多。為了避免線路落雷時多回路同時閃絡跳閘而造成完全停電的嚴重情況，在采用通常的防雷措施仍無法滿足要求時，可采用不平衡絕緣的方案。即使某一回路的三相絕緣子片數(shù)少于另一回路的三相絕緣子片數(shù)，這樣在雷擊線路時，絕緣水平較低的那一回路將先發(fā)生沖擊閃絡。閃絡后的導線相當于地線，增加了對另一回路導線的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平。采用不平衡絕緣的方案由于使其中一回路導線將先發(fā)生沖擊閃絡，影響了電網(wǎng)的供電可靠性因而在輸電線路中很少采用。

1.5 裝設自動重合閘方式

我國110kV及以上線路的重合閘成功率高達75%～95%，可見提高自動重合閘的投運率，是提高輸電線路耐雷水平，減少雷擊跳閘率，提高供電可靠性，保證電網(wǎng)安全的有效措施。

在實際設計中，在山區(qū)、草原、高原等多雷地區(qū)，為提高輸電線路耐雷水平，減少雷擊跳閘率還可以在常用措施的基礎上架設耦合地線，采用負角保護針配合降低桿塔接地電阻，安裝噴射氣流滅弧防雷保護間隙裝置中裝線路避雷器、加側向避雷針以及可控避雷針等措施。這些措施在我國電網(wǎng)的實際工程中都得到了應用。但是在具體應用時，應綜合考慮，多次試驗。

2 輸電線路防雷的綜合措施

2.1 架設耦合地線

在架空輸電線路下方架設一條耦合地線是在雷害事故多發(fā)區(qū)提高線路反擊耐雷水平降低反擊跳閘率的一種新型的防雷技術。對老舊和運行效果不好的線路，可以根據(jù)地形和地貌狀況加裝耦合地線，提高耦合系數(shù)[3－4]，原理如式1所示:

耦合地線是具有分流作用和增大導線與地線之間的耦合系數(shù)，減小等值波阻抗，降低絕緣子串電位的作用;耦合地線增大了雷擊桿塔雷電流的分流作用，使塔頂電位降低;耦合地線可以提高桿線處的“地”電位面，導線所處大氣場等電位面相應降低，使桿塔有效高度相應減小，從而在雷擊塔頂時導線上感應電壓分量減小，相當于桿塔本身電感量減少，提高耐雷水平降低跳閘率。運行經(jīng)驗表明，安裝耦合地線是降低線路雷擊跳閘率的重要措施。

以110ZSG桿塔為例，桿塔接地電阻15 Ω，絕緣子串50%擊穿電壓設為700kV。計算得到的不同桿沖擊塔接地電阻Rch對應的線路耐雷水平I如圖3所示，圖中H為耦合地線在桿塔上的懸掛點高度。耦合地線高度變化時，相應的提高線路耐雷水平的效果也不一樣，懸掛高度為18 m和15 m時對應的提高線路耐雷水平的效果最佳，即使桿塔沖擊接地電阻達40 Ω，線路的耐雷水平仍達40 kA。可見，采用耦合地線對提高線路的耐雷水平效果明顯，且免維護。因此在局部高土壤電阻率地區(qū)，可以采用加裝耦合地線的方法來提高線路的耐雷水平。

圖1 桿塔計算參數(shù)

2.2 采用負角保護針配合降低桿塔接地電阻

在山區(qū)、草原、高原等多雷區(qū)，雷電活動十分頻繁，土壤電阻率一般較高，經(jīng)常發(fā)生雷電繞擊和反擊，采用負角保護針配合降低桿塔接地電阻，是架空輸電線路防雷保護的有效措施。負角保護針的安裝在一定程度上能夠降低線路的雷擊跳閘率。然而，負角保護針不同的安裝方式對應的防繞擊效果不同。利用裝針后線路繞擊和反擊跳閘率的計算方法，結合圖1的計算參數(shù)，分析了總跳閘率與不同雷電流下負角保護針的安裝位置、安裝角度和安裝長度的關系，結果如圖 2、圖 3、圖 4 所示[5]。

(1)安裝位置的影響

圖2表明，負角保護針長為 3 m，安裝角度為0°時，安裝在導線橫擔支架處比安裝在避雷線橫擔支架處的防雷效果相對好一些。當?shù)孛鎯A角小于 20°時，防雷效果間的差異并不明顯。

(2)安裝角度的影響

由圖3表明，負角保護針長為 3 m，安裝在導線橫擔支架處時，安裝角度為 0° 和30°的防雷效果很相近，但效果仍然是安裝角度為0°時的圖3桿塔參數(shù)防雷效果最好。

由此可知，對于單回線路桿塔，負角保護針宜安裝在導線橫擔處，安裝角度為0°(即水平放置)，長度取2 m～3 m之間;按此種安裝方式，當接地電阻為20 Ω時，負角保護針將總跳閘率降低5%左右。

圖4 不同地面傾角下針長與跳閘率的關系

2.3 安裝噴射氣流滅弧防雷保護間隙裝置

2002年，日本的M.Tsukima，McBride等人通過實驗證明了氣流能夠直接驅動電弧運動，并且氣吹滅弧對提高微型斷路器MCB的開斷性能具有積極作用[6－7]。在架空輸電線路上安裝噴射氣流滅弧防雷保護間隙裝置，能夠在線路發(fā)生雷擊閃絡時有效地保護絕緣子串免受工頻電弧的灼燒，在疏導雷電能量后能夠迅速切斷工頻續(xù)流電弧，實現(xiàn)既可以限制絕緣子的外部過電壓又可以避免斷路器頻繁跳閘的功能。

噴射氣流滅弧防雷間隙裝置硬件結構如圖5所示。噴射氣流滅弧防雷間隙裝置包括高壓側連接體、接地連接體、噴射氣流滅弧器、信號采集裝置、高壓電極、接地電極等部件，高壓側連接體與接地連接體分別連接到對應的電極上，對應的電極之間形成的電極間隙距離可以調整以適應不同的電壓等級。整個裝置通過高壓側連接體、接地連接體與絕緣子串并列地懸掛在一起。

實際應用中，當線路正常運行時，兩電極之間電位差等于單相對地電壓，未達到氣隙的臨界擊穿電壓，兩電極之間沒有電弧，無法啟動氣體發(fā)生器。當雷電擊中桿塔或導線時，強大的雷電過電壓以波的形式通過導線傳到線路絕緣子串處，由于該防雷間隙裝置的絕緣強度低于被保護線路的絕緣水平，防雷保護間隙首先被擊穿，將大量雷電流泄入大地，使過電壓大幅度下降，從而起到保護線路和電氣設備的作用。雷電流持續(xù)時間非常短(國際標準給出的雷電波最長時間僅為2 ms)，幅值非常高，可以啟動氣體發(fā)生器，在很短的時間內(nèi)(40 ms)產(chǎn)生大量噴射氣體并形成強氣流，迅速熄滅工頻續(xù)流電弧并抑制電弧重燃，避免了斷路器的頻繁跳閘。

廣西大學電氣工程學院的王巨豐、黃維、曲振旭等人利用實驗的方法模擬了35kV線路絕緣子串發(fā)生雷擊閃絡后，強氣流滅弧防雷保護間隙迅速啟動滅弧裝置，并在4 ms內(nèi)熄滅工頻續(xù)流電弧的過程。實驗認為:在氣體發(fā)生裝置啟動后，高速氣流對間隙間的工頻電弧產(chǎn)生強烈的沖擊，電弧被迅速拉長脫離間隙下電極至熄滅;從高速氣流產(chǎn)生至電弧熄滅的整個過程持續(xù)40幀，歷時約為4 ms;在強氣流的多重滅弧效應共同作用下，間隙間的電弧能夠在很短的時間內(nèi)被熄滅[8]。

2.4 安裝線路避雷器

(1)線路避雷器提高線路耐雷水平的技術原理:將線路避雷器與絕緣子串并聯(lián)安裝，當雷電繞擊線路或雷擊桿塔將在絕緣子串兩端產(chǎn)生的過電壓超過避雷器動作電壓時，避雷器可靠動作，利用閥片的非線性伏安特性，限制避雷器殘壓低于線路絕緣子串的閃絡電壓;雷電流經(jīng)避雷器泄放后，流經(jīng)避雷器的工頻電流僅為毫安級，工頻電弧在第一次過零時熄滅，線路兩端斷路器不會跳閘，系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)。

(2)合成絕緣子絕緣線路氧化鋅避雷器的主要特點:因其殘壓低使其作為限壓裝置的性能很優(yōu)越;視線路的具體實際工程應用可以做成帶間隙或無間隙型避雷器;通流能量大，可以很大程度上吸收過電壓帶來的能量。

(3)線路安裝避雷器的防雷分析:雷擊桿塔時雷擊電流i一部分經(jīng)避雷線流到相鄰桿塔，一部分經(jīng)桿塔入地，桿塔接地電阻(用沖擊電阻Rch來表征)呈暫態(tài)特性，桿塔接地線附加電感值為L。則塔頂電位迅速升高(其中為沖擊暫態(tài)分量)。若(Ut－UL)＞U50%(UL、U50%分別為導線上感應電位和絕緣子串50%放電電壓)，則塔頂對導線閃絡。若考慮線路工頻電壓幅值Um的影響，則上式為:(Ut－UL+Um)＞U50%。因此，當線路絕緣子串50%放電電壓U50%一定時(即線路絕緣子片數(shù)和絕緣子材料一定時)，雷擊桿塔時雷擊電流與桿塔所處的地理位置和大氣條件相關，不加避雷器時，提高線路耐雷水平往往靠降低沖擊電阻Rch，這在山區(qū)、草原、高原等土壤電阻率高的地區(qū)是有一定難度的。因為在這些地區(qū)往往在桿塔4個塔角部位采用較長的輻射地線或打井加降阻劑，雖然工頻接地電阻下降，但雷擊時過長地線的L值較大，是使Ut大大提高，更易使塔體與絕緣子閃絡，反而降低線路的耐雷水平。

對于110kV輸電線路，在桿塔上安裝一組MOA如圖6所示，計算可得荷電率為0.837，線路安裝一組避雷器時線路耐雷水平Iw將提高約2.5倍。連續(xù)安裝3組避雷器還進一步提高Iw，但投資也會相應的提高。

線路避雷器動作時從避雷器分流流入導線的i分量遠遠大于從避雷線分流流入導線的i分量，這種分流的耦合作用將導線電位提高，使:(Ut－UL)＞U50%，UL和Ut的波形如圖 7 所示[9]，絕緣子不會閃絡，故線路避雷器具有很好的鉗電位作用，此即其防雷的明顯特點。

110kV線路避雷器應能承受96kV的工頻過電壓，但額定電壓取得再高也意義不大[10]?？紤]到系統(tǒng)最高電壓和工頻過電壓最大值同時出現(xiàn)的概率很小，額定電壓選擇90kV也是可以的，但是為了工程安全考慮，帶間隙避雷器額定電壓選用96kV。串聯(lián)外間隙距離取500 mm(±5%)為宜。

在桿塔上安裝一組MOA后的荷電率為0.837，線路安裝一組避雷器時線路耐雷水平Iw將提高約2.5倍。連續(xù)安裝3組避雷器還進一步提高Iw，但投資也會相應的提高。圖8為安裝在內(nèi)蒙500kV架空輸電線路托源Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ線路上的塔頭線路避雷器。

2.5 加側向避雷針

安裝側向避雷針在架空輸電線路的架空地線和桿塔上，用于防止雷電繞擊輸電線路導線，在桿塔頂部兩側適當位置應安裝桿塔側針，以防護進入桿塔側面地線屏蔽失效區(qū)的低空雷電先導，補充地線及其側針屏蔽的不足。雙地線安裝方法示意圖如9所示，安裝后的現(xiàn)場效果如圖10所示。

2.6 架設可控放電避雷針

根據(jù)公式2計算單根可控放電避雷針的保護半徑見圖11所示。

圖11中，h為針離地面的高度(m)，hx為導線高度(m)。對于500kV輸電線路由于其對地高度較高，常在塔頂兩邊各架設可控放電避雷針，其保護范圍也相應增加。

塔頂裝設避雷針符合傳統(tǒng)防雷理論，因線路弧垂使中問段保護角小于近桿塔段，因此桿塔處為繞擊率較大區(qū)域，在塔頂安裝避雷針后，桿塔附近的雷將會落在避雷針上，通過桿塔入地，減少了線路遭繞擊的概率。

2.7 安裝架空地線避雷針

通過在架空地線上合理裝設防繞擊避雷針，有效地增強其屏蔽性能和引雷作用，將可能遭受的繞擊轉化為反擊加以控制，大幅度降低雷擊故障跳閘率。圖12為安裝在雷電頻繁發(fā)生區(qū)域500kV架空輸電線路上防繞擊避雷針。工程經(jīng)驗表明，在架空地線上合理裝設防繞擊避雷針，可有效地增強其屏蔽性能和引雷作用，將可能遭受的繞擊控制轉化為反擊，大幅度降低雷擊故障跳閘率。

圖11 單根可控放電避雷針的保護半徑

圖12 安裝在線路上的架空地線避雷針

3 結束語

目前降低線路桿塔接地電阻，架設避雷線路，加強線路運行維護以及采用不平衡絕緣方式與裝設自動重合閘等這些常規(guī)措施在輸電線路防雷保護方面起到了一些非常有效作用。在這些常規(guī)防雷保護方式的基礎上，通過理論分析結合實際工程經(jīng)驗，我們認為架設耦合地線，調節(jié)保護角，安裝噴射氣流滅弧防雷保護間隙裝置，安裝線路避雷器，加側向避雷針，架設可控放電避雷針，安裝架空地線避雷針，安裝線路塔頭避雷器等方法可以有效地提高輸電線路的防雷作用。

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