張曉東，朱明偉，張希蔚

(1. 海南電力設計研究院，海南 海口 571100；2. 中南大學，湖南 長沙 410012)

高壓架空輸電線路多處野外、崇山峻嶺之中，運行條件惡劣。220 kV及以上電壓等級的輸電線路綿延幾十萬公里，覆蓋了廣袤國土面積，不可避免經過高土壤電阻率、多雷區(qū)以及地形復雜地區(qū)。在山區(qū)沿山脊、山坡迎風面、山腰走線的線路桿塔容易遭受雷擊，如果桿塔較高、防雷保護角較大，處在較陡邊坡桿塔外側迎風面導線在桿塔附近更易遭受雷擊。有的桿塔經過降低接地電阻以后，雷擊跳閘仍然沒有得到改善；甚至有些桿塔加裝線路避雷器后，本基桿塔不再跳閘，卻導致相鄰桿塔跳閘。

1 繞擊和反擊

在110kV及以上輸電線路雷擊跳閘不外乎反擊和繞擊，現(xiàn)在就根據(jù)這兩大問題具體分析成因找到解決的辦法。

1.1 反擊

(1)例：220 kV雙避雷線線路，正極性U50%=1410 kV，桿塔沖擊接地電阻分別Rch=7Ω,，Rch=15Ω，避雷線和導線的弧垂為7 m和12 m，桿塔處在不同的山坡，θ =0°，20°，30°，35°，45°，55°。桿塔頭部尺寸見圖1。

圖1 桿塔頭部尺寸

當桿塔處在山坡時，傾角θ =30°，以地線2作垂線與地面 交點作水平線，則：ΔH/S=tgθ則ΔH= tgθ×S=7.7m

各計算結果見表1～圖3。

表1 計算過程

續(xù)表1

表2 沖擊接地電阻7Ω

表3 沖擊接地電阻15Ω

依據(jù)雷擊桿塔時的耐雷水平公式：

(2)在雙回路某相導線絕緣被擊穿后，可能導致其它回路任意相導線的反擊，這種情況只是相當于三根地線對任意導線的耦合系數(shù)問題，其他參數(shù)不變。

圖2 雙回路導線耦合系數(shù)示意圖

這個計算在輸電線路采用不平衡絕緣方式防雷設計中有重要的價值，耦合系數(shù)的公式：

式中：Z11，Z22，Z12，Z13為自波阻抗和互波阻抗，按式(3)、(4)計算。

線i的自波阻抗Zii(Ω)，計算公式為：

式中：ri為線i的半徑(m)；hi為線i的平均高度(m)。線i與線j的互波阻抗Zij(Ω)，計算公式為：

式中：dij為線i與線j間的距離(平均距離，下同)；dij'為線i和j的鏡像的距離。

(3)在山坡耦合系數(shù)隨著坡度的增加而增大，理論計算的耐雷水平卻減小。

雷電流流動特性，一般會像水一樣沿節(jié)點數(shù)少、電阻小的地方流動，從大量的雷擊現(xiàn)場可以看到以迎風面邊導線被繞擊后，雷電流會沿外側兩塔腿主材向下流動入地，幾乎不會從內側兩腿流入大地,這樣就會使雷電流在鐵塔的塔身上流過較長的距離，電感加大，盡管在山坡導地線的耦合系數(shù)隨著坡度的增加而增大，但是理論計算的耐雷水平卻降低。

(4) 提高反擊耐雷水平的經濟技術合理的措施：

①降低接地電阻,理論上講，提高耐雷水平，最方便最經濟的就是降低接地電阻。在高土壤電阻率地區(qū)，當接地電阻降低到一定程度，如果想繼續(xù)往下降盡管花很大成本也難顯著降低接地電阻，性價比不合理。

②減小桿塔電感，提高耐雷水平。在雷擊鐵塔兩側將地線用兩導體并聯(lián)，用特制夾具將鋁排與鐵塔主材連接，在鐵塔內側用專用的接地鋁排接地，在高塔防雷設計中占有很重要的位置。

③架設耦合地線，增大耦合系數(shù)，提高耐雷水平，但在臺風防止混線、重冰區(qū)防止融冰時電線跳躍需要仔細規(guī)劃。

④在計算反擊時。分流系數(shù)的取值是很重要的，如果相鄰檔距桿塔高度相差很大，檔距較大應該具體計算，計算方法見文獻[2]，不可以采用規(guī)程值。

1.2 繞擊

1.2.1 繞擊成因分析

繞擊是針對一定的雷電流幅值而言，針對確定的情況下幅值小的雷電流比幅值大的雷電流更容易繞擊導線。

根據(jù)作者在湘西地區(qū)近三十年防雷設計觀察，具有典型案例是湖南沅陵縣有寶塔三座，最為奇特是高踞縣城東，位沅江左岸陡峭鹿鳴山頂?shù)穆锅Q塔。清前修建，同治沅陵縣志記載：鹿鳴塔，七級，半塔殘破，屢修屢塌。雷擊屢次削其塔頂部弱一半，至今仍呈半塔狀，頂尖尚在，應該是世界上遭受雷擊最多的寶塔。

(1)從這個個案看：①特定地方的雷電流幅值大致一致，否則剩下的半邊應該也遭受到雷擊了。②形成的機理一致，因雷擊每次都是在相同的方位。

根據(jù)H.Armstrong、E.Whitehead的理論提出幾何模型見圖，導線、地線的擊距

地面繞擊距離

其中Rsg=1。不同雷電流幅值下，同一種塔型在不同邊坡度數(shù)下的導地線的屏蔽情況表4。

表4 不同雷電流幅值及邊坡度數(shù)的導地線屏蔽情況

(2)通過模型圖3～圖7可以看出：一般認為導線裸露面越大，導線可能遭受到比作圖時假設的雷電流更大的雷電流所繞擊。當然導線沒有裸露面可能雷電流都會擊中地線，但在文獻[3]中列舉了導線水平排列雙地線，保護角為－15°，屏蔽弧段－27.7m。每百公里，在40個雷暴日下仍然有0.19%雷電跳閘率。同時，也列出了保護角為+14°，屏蔽弧段－4.6m。每百公里，在40個雷暴日下仍然有0.09%雷電跳閘率。

圖3 不同邊坡時的雷電流

圖4 不同桿塔高度時的雷電流

圖5 繞擊桿塔頭部和檔距中央的雷電流

圖6 不同導地線間距時的雷電流

圖7 不同坡度時的雷電流

(3)從圖3～圖7中可以得出結論如下：

①防雷保護角越大，繞擊的雷電流越大，見圖6。

根據(jù)模型可以看出減小保護角確實可以減少繞擊率。在山地用避雷線的平均高度代替塔高，模擬導地線的在空間的真實情況。當造價增加不多，且導線覆冰厚度不超過10 mm時，應盡量采用小的保護角，不應該片面強調減小保護角，使得避雷線與導線間的水平錯位移太小，在脫冰或舞動時導致當中混線短路，重冰區(qū)應該遵循其設計規(guī)程設計，在容易遭受臺風襲擊的地方也該引起高度重視。即降低防雷保護角來抑制繞擊作用也有限。

②桿塔越高，繞擊的雷電流越大，見圖4。

同一種塔型桿塔高度越高，對地閃擊距離增大，大地接閃能力降低，所以大部分會擊中地線和繞擊導線。

③桿塔頭部比檔距中央，更容易受到繞擊，繞擊的雷電流更大，見圖5。

在桿塔頭部尺寸一定情況下，在檔距中央導地線距離較大，則保護角減小了，保護角減小繞擊雷電流變小。

④地形坡度越大、繞擊的雷電流越大，見圖3。

地形坡度越大相當于增加了桿塔高度裸露了導線部分。

⑤迎風面容易受到雷擊。

⑥繞擊與雷電流大小和保護角沒有必然聯(lián)系。

在莫斯科附近一座537m電視塔上對閃擊觀察指出，在四年半內有兩次閃電打在塔頂以下約200 m的地方。周圍的地面在距塔基200 m以外會受到雷擊，保護角20°。

1.2.2 提高繞擊耐雷水平的措施

設計時要調查雷雨季節(jié)的風向，在山區(qū)沿山脊、山腰走線的線路高塔，特別是山的邊坡較陡時更容易會被雷繞擊中跳閘：

(1)正確配合導地線間距減少繞機可能性；一般的講防雷保護角越小，則屏蔽性能越好，但是間距太大反而容易發(fā)生繞擊，間距過小容易擊穿，規(guī)程規(guī)定導地線檔距中央在雷擊過電壓下滿足：S=0.012l+1；

(2)桿塔絕緣配置：增加絕緣子片數(shù)、可以一定程度提高繞擊水平，因為鐵塔頭部間隙有限，增加的程度有限需要論證性價比的合理性；

(3)在山區(qū)容易遭受繞擊的桿塔裝設迎風側單相線路避雷器，繞擊的電流不會很大不足以引起其他相的反擊；平地則要三相加裝避雷器；

(4)桿塔加裝避雷器以后會不會引起相鄰桿塔絕緣擊穿的問題；當改造易受雷擊桿塔加裝避雷器后，鄰桿塔需要改造加裝絕緣子個數(shù)：

(5)由于桿塔頭部容易受到繞擊，則在橫擔上垂直線路水平裝設避雷針，避雷針長度保護范圍在桿塔橫擔兩側20 m范圍內。

2 總結

輸電線路防雷是一個系統(tǒng)工程，對于雷區(qū)的高壓輸電線路設計，技術上應按照地形地貌、土壤電阻率、桿塔頭部尺寸、絕緣配置、桿塔高度、并結合已有的防雷措施，來制定不同的防雷設計方案，以降低桿塔的跳閘率；經濟上應根據(jù)所耗工程費用、改造和維護難易程度、運行壽命，反復試算、模擬，仔細推敲設計，最終確定最優(yōu)的防雷措施。通過以上措施，達到在很大程度上減少雷擊跳閘率的目的。

[1]DL/T620—1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S]．北京：中國電力出版社，1997．

[2]劉繼．電氣裝置的過電壓[M]．北京：水利水電出版社，1981．

[3]英]R．H．Golde．雷電．北京：水利電力出版社，1983．

[4]張曉東．架空線路良導體地線的選型和施工弧垂觀測檔的確定[J]．廣東電力，2012，(07)．

[5]趙淳，阮江軍，李曉嵐，等．輸電線路綜合防雷措施技術經濟性評價[J]．高電壓技術，2011，(2)．