福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 黃達(dá)洋

架空輸電線路在我國(guó)電力系統(tǒng)中扮演了關(guān)鍵的角色，起到了橋梁紐帶的作用，一直以來，由于架空線路整體的線路偏長(zhǎng)，敷設(shè)地形條件復(fù)雜，還會(huì)經(jīng)過一些山地、丘陵、盆地、曠野等復(fù)雜地理環(huán)境，導(dǎo)致線路實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的條件較差，并且架空輸電線路長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境下，易受到外界環(huán)境因素的干擾，導(dǎo)致線路元件破壞。架空輸電線路遭雷擊是引發(fā)線路開關(guān)跳閘的重要因素之一，據(jù)調(diào)查研究顯示，有一半以上的跳閘事故都是由于遭受雷擊引起的，頻繁發(fā)生雷擊跳閘事故對(duì)電網(wǎng)的可靠性帶來了較大沖擊。因此，采用科學(xué)的防雷措施提升輸電線路的耐雷水平十分有必要。

1 架空輸電線路雷擊跳閘原因

通常，架空輸電線路遭受雷擊跳閘主要有反擊和繞擊兩種形式（見表1）。當(dāng)桿塔設(shè)計(jì)不當(dāng)、接地電阻值過大、避雷線保護(hù)角偏大以及絕緣子選用不當(dāng)時(shí)，都會(huì)對(duì)線路耐雷水平產(chǎn)生不利影響。

表1 反擊和繞擊的特點(diǎn)比較[1]

1.1 桿塔設(shè)計(jì)

首先，桿塔所處的位置及地理環(huán)境因素較為關(guān)鍵，其中位于山頂、半山坡、瀕臨水域以及山谷迎風(fēng)氣流口的桿塔極易遭受雷擊；其次，桿塔的高度越高遭受雷擊概率越大。通過實(shí)際調(diào)查結(jié)果可以看出，單回線路桿塔高度大于25m，雙回線路大于40m，以及500kV單回線路桿塔高度大于35m，雙回線路大于55m時(shí)，線路遭受雷擊跳閘的概率將顯著增加。這是因?yàn)楫?dāng)雷電擊中桿塔時(shí)，未被接地通道釋放掉的部分電流會(huì)順著塔身返回桿塔橫擔(dān)或頂部，如果桿塔設(shè)計(jì)高度較高時(shí)，該過程耗時(shí)較長(zhǎng)，易發(fā)生閃絡(luò)故障，耐雷水平較差。另外，水泥桿塔通過內(nèi)部鋼芯材料接地，當(dāng)雷電流經(jīng)過鋼芯結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致水泥桿爆裂，特別是對(duì)于一些運(yùn)行年限較長(zhǎng)，材料本身已存在一定老化的桿塔遭受雷擊破壞概率更大。

1.2 架空地線保護(hù)角過大

我國(guó)對(duì)不同電壓等級(jí)線路的架空地線保護(hù)角有明確規(guī)定（見表2），但由于實(shí)際情況下，有多數(shù)地區(qū)還存在架空地線保護(hù)角設(shè)置不合理的現(xiàn)象，一些地區(qū)的架空地線保護(hù)角明顯過大，導(dǎo)致遭受雷擊概率增加。

表2 不同電壓等級(jí)一般地線保護(hù)角取值

1.3 絕緣子類型選用不當(dāng)

絕緣子的類型多樣，目前在電力系統(tǒng)中以瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子應(yīng)用居多，特別是復(fù)合絕緣子質(zhì)量輕、易于維護(hù)、方便檢測(cè)，許多線路上包括一些雷害較多的地區(qū)都選擇應(yīng)用復(fù)合絕緣子。但存在以下問題：復(fù)合絕緣子在防御雷擊的能力方面要弱于瓷絕緣子，這一方面是由于合成絕緣子兩端均壓環(huán)短接了部分空氣間隙；另一方面，因?yàn)閺?fù)合絕緣子傘裙直徑較小，在相同串長(zhǎng)時(shí)，與玻璃絕緣子和瓷絕緣子相比，其耐雷水平相對(duì)較低。更值得注意的是，瓷絕緣子還具有耐候性強(qiáng)、重合率高、自清潔性能優(yōu)異等特性，由此可見，在雷害較重區(qū)域要慎用復(fù)合絕緣子，建議優(yōu)選瓷絕緣子。

1.4 接地電阻過大

當(dāng)桿塔接地阻值較高時(shí)，雷電流泄流時(shí)在桿塔上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)桿塔電位過高擊穿絕緣子后，輸電線路電流會(huì)快速升高并突變?yōu)橹睋衾纂娏鳎坏U塔接地電阻值過大，不利于將雷電流引入大地。但事實(shí)上，接地電阻值是動(dòng)態(tài)變化的，在輸電線路實(shí)際運(yùn)行中，通常由于檢修、巡視工作不到位，當(dāng)桿塔接地電阻過高時(shí)，沒有及時(shí)采取有效措施進(jìn)行技術(shù)整改，致使雷擊輸電線路的概率加大，引發(fā)跳閘事故。

2 架空輸電線路防雷工作重點(diǎn)

桿塔的高度設(shè)計(jì)、接地電阻值、線路敷設(shè)地理環(huán)境、絕緣子類型等均影響著線路的耐雷水平，架空輸電線路的防雷性能受自身特征參數(shù)與外部環(huán)境因素的共同作用。在工程方面，架空輸電線路應(yīng)基于“避雷、引雷、防止跳閘”的防雷原則，重點(diǎn)從改善線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化線路本身參數(shù)等幾方面著手考慮。

一是針對(duì)已運(yùn)行的較高電壓等級(jí)的重要輸電線路，建議安裝氧化鋅避雷器；對(duì)于運(yùn)行年限超過20年的線路接地裝置結(jié)構(gòu)改造升級(jí)，積極運(yùn)用石墨烯等新型接地材料。

二是針對(duì)新建線路要結(jié)合各地區(qū)雷電情況，合理避讓雷電活動(dòng)頻發(fā)及強(qiáng)烈的區(qū)域，優(yōu)化架空輸電線路路徑選擇，降低桿塔高度，增大導(dǎo)、地線間的絕緣距離，減小地線保護(hù)角，并適當(dāng)增加絕緣子片數(shù)，當(dāng)桿塔高度超過40m，可將復(fù)合絕緣子距離加長(zhǎng)，或加裝盤形懸式瓷絕緣子等措施來降低線路雷擊跳閘率。

三是采用差異化防雷理念提升線路整體耐雷水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。我國(guó)線路防雷手段正向著多元化的方向發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中，要綜合考慮輸電線路所處地理位置、環(huán)境特點(diǎn)以及線路自身結(jié)構(gòu)等因素，采用差異化防雷理念，選擇事半功倍的技術(shù)方法，有策略地對(duì)架空輸電線路進(jìn)行差異化防雷改造，保證方案的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。

3 架空輸電線路防雷具體措施

3.1 合理選擇架空輸電線路敷設(shè)路徑

合理選擇線路敷設(shè)路徑是提高線路耐雷水平的重要基礎(chǔ)。在線路敷設(shè)階段，首先要考慮合理避開易遭受雷擊的區(qū)域，通過大量實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得出，山口、河谷、風(fēng)口處、土壤電阻率較低區(qū)域、地下水位較高以及存在導(dǎo)電性礦產(chǎn)資源的地區(qū)雷電活動(dòng)頻繁，容易發(fā)生雷擊。因此，在線路敷設(shè)階段選擇線路路徑時(shí)，要將這些因素統(tǒng)籌考慮，科學(xué)進(jìn)行路徑優(yōu)化，降低雷害發(fā)生概率。

3.2 加強(qiáng)線路絕緣

加強(qiáng)線路絕緣水平是提高線路耐雷水平的關(guān)鍵手段之一。對(duì)于一些難以避開的雷電活動(dòng)頻繁地帶，建議考慮通過增加絕緣子片數(shù)來加強(qiáng)線路絕緣水平，但基于成本方面考慮，絕緣子片數(shù)增加的同時(shí)也加大了成本的投入，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建議對(duì)不同等級(jí)電壓的線路選擇不同片數(shù)的絕緣子（見表3）。

表3 不同電壓等級(jí)輸電線路絕緣子的片數(shù)

對(duì)于一些已投入運(yùn)行應(yīng)用的復(fù)合絕緣子，可在接地端加裝一片大盤徑的絕緣子，來達(dá)到提升線路運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。此外，還要加強(qiáng)日常維護(hù)和巡視檢查，清除絕緣子片表面的污穢，提升線路絕緣性。

3.3 降低桿塔接地電阻

大量實(shí)證研究表明，桿塔接地電阻與雷擊塔頂電位的高度呈正相關(guān)。根據(jù)研究報(bào)道，采用一定的降阻技術(shù)，通過對(duì)不同電壓等級(jí)的輸電線路桿塔進(jìn)行降阻設(shè)計(jì)后，雷擊跳閘率明顯降低（見表4）。

表4 不同電壓等級(jí)輸電線路桿塔降阻前后跳閘率對(duì)比[2]

現(xiàn)階段，降低桿塔接地電阻的方式多種多樣，主要包括使用降阻劑、通過外引接地裝置、人工改換土壤、爆破接地技術(shù)、擴(kuò)大接地網(wǎng)面積、伸長(zhǎng)水平接地體等，并且每種降阻方式自身都存在著一定的優(yōu)勢(shì)與不足之處。如使用降阻劑來降阻主要問題是易流失、時(shí)效短，外引接地長(zhǎng)度受限，人工改換土壤工作量大，爆破接地技術(shù)和擴(kuò)大接地網(wǎng)面積投入成本高、經(jīng)濟(jì)性不佳，因此在實(shí)際應(yīng)用中，還要充分結(jié)合地形條件、氣候特征以及桿塔周圍地理特征，因地制宜，采用經(jīng)濟(jì)高效的降阻方式來降低桿塔接地電阻。

3.4 安裝避雷針

避雷針的主要原理是在雷電放電時(shí)，當(dāng)雷電流達(dá)到一定值時(shí)，電場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，避雷針可感受到電場(chǎng)變化，進(jìn)而將雷電流轉(zhuǎn)移至避雷針頂部，再將電流流入大地。安裝避雷針可大大降低繞擊閃絡(luò)概率，并且還具有良好的經(jīng)濟(jì)性，避雷針的安裝方式主要有兩種，即安裝在塔頂或塔側(cè)。在選擇避雷針時(shí)，選用金屬材質(zhì)的避雷針對(duì)雷電流引導(dǎo)作用更大，并且還具有良好的耐候性。但安裝避雷針時(shí)要注意，如果安裝在塔頂要選擇易遭受雷擊的桿塔，安裝側(cè)向避雷針主要是塔頭側(cè)針，由于側(cè)向避雷針安裝維護(hù)困難，目前較少采用。

3.5 安裝避雷器

安裝避雷器是提升輸電線路耐雷水平的重要方式之一。對(duì)于一些山區(qū)地形條件復(fù)雜，并且降低接地電阻困難的區(qū)域，可通過安裝避雷器來提升線路防雷水平。但由于避雷器的保護(hù)范圍有限，通常只能對(duì)桿塔兩側(cè)一個(gè)檔距起到保護(hù)作用，如果避雷器安裝數(shù)量過少，防雷效果不好，如果安裝數(shù)量過多，導(dǎo)致投資成本過高，經(jīng)濟(jì)性不佳?？梢砸姷茫芾灼鞯念愋瓦x擇、安裝位置以及安裝密度要事先合理評(píng)估，來確定最終的安裝方案，保證避雷器的防雷效果得到高效的發(fā)揮。

現(xiàn)階段，應(yīng)用較多的避雷器主要是氧化鋅避雷器。與傳統(tǒng)避雷器相比，氧化鋅避雷器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異、受環(huán)境影響小、通流容量大、污穢影響不大以及不受串聯(lián)間隙的制約等諸多優(yōu)勢(shì)，另外在安裝線路避雷器時(shí)，要注意安裝位置的選擇（見表5）。

表5 不同類型級(jí)線路避雷器安裝位置

3.6 采用并聯(lián)保護(hù)間隙技術(shù)

并聯(lián)保護(hù)間隙技術(shù)是一種“疏導(dǎo)式”的防雷手段，并聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)有多種類型（見表6），并聯(lián)間隙裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，易于安裝，成本低廉，近年來得到越來越多的關(guān)注與實(shí)際應(yīng)用。安裝并聯(lián)間隙裝置的主要目的是減小絕緣子的破壞，進(jìn)而降低雷擊事故發(fā)生概率。應(yīng)用并聯(lián)間隙裝置主要作用在于：一是減小重合閘失敗的概率，以防大面積停電事故的發(fā)生；二是減小雷擊跳閘率；三是保護(hù)絕緣子金具免遭雷擊、閃絡(luò)損壞。

表6 并聯(lián)保護(hù)間隙類型及應(yīng)用

3.7 架設(shè)耦合地線

架設(shè)耦合地線是最基本也是較為成熟的防雷措施之一。對(duì)于山區(qū)地帶，降低桿塔接地電阻并非易事，操作起來較為煩瑣，在這種情況下可選擇在導(dǎo)線下方區(qū)域架設(shè)一條合理的地線。耦合地線的作用主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)，一是可增強(qiáng)導(dǎo)地線之間的耦合作用，降低絕緣子兩端的電壓差，二是起到一定的分流作用，使得線路雷擊跳閘概率較大降低。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，架設(shè)耦合地線這種防雷方式在山區(qū)丘陵地帶體現(xiàn)出良好的防雷效果，但注意的是，架設(shè)耦合地線之前，要對(duì)導(dǎo)線與耦合地線之間的距離進(jìn)行計(jì)算，并且還要加強(qiáng)巡視和維護(hù)力度。

綜上所述，架空輸電線路雷擊跳閘主要受地形條件、接地電阻、線路絕緣水平以及桿塔高度等多方面因素的影響，輸電線路的防雷是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工作，因此為了全面提升線路的耐雷擊水平，要從多方面統(tǒng)籌考慮提升線路防雷特性，減少線路雷擊跳閘事故的發(fā)生。與此同時(shí)，還要做好雷電的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，充分結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件和氣候條件特征，分析線路以往跳閘事故發(fā)生率及原因，綜合評(píng)估方案的合理性和經(jīng)濟(jì)性，借鑒當(dāng)?shù)卦芯€路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)選擇應(yīng)對(duì)措施全面提升輸電線路防雷性能，確保電力系統(tǒng)的供電可靠性。