山東電工電氣集團有限公司電力工程分公司 劉克軍

1 引言

由于雷電是一種自然現(xiàn)象，在保證電網(wǎng)穩(wěn)定的過程中，有必要對電網(wǎng)進行防電保護。從分析中發(fā)現(xiàn)，雷電流線路較多，往往影響所在位置和周圍環(huán)境，防雷功能不到位。在雷電天氣，輸電線路會發(fā)生雷擊，導(dǎo)致輸電線路無法正常工作。電流會引起電力短路和跳閘，嚴重影響人們的生活，也對電力安全構(gòu)成威脅。

2 輸電線路雷擊主要類型

一是雷直擊導(dǎo)線。沒有電流的線路最為常見，但即使有電流，火電也可以通過各種電子設(shè)備的保護，擊中導(dǎo)體。

二是雷擊鐵塔或防雷線。強電流通過鐵塔的接地保護，使鐵塔的容量和防止電線迅速上升，當鐵塔之間存在電位差 和指揮。超出電源線的電壓閃絡(luò)，發(fā)生絕緣體閃絡(luò)，導(dǎo)體上出現(xiàn)高電壓，此塔電位升高，進而使導(dǎo)線放電，這叫作反擊[1]。輸電線路雷擊部位如圖1所示。

圖1 輸電線路雷擊部位

三是直擊雷防過電壓。直接雷擊電源線、電氣設(shè)備或用電設(shè)備引起的過電壓。直流電過電壓和感應(yīng)雷電過電壓造成的危害：引起線路跳閘，影響正常供電；雷電侵入變電站，雷擊鐵塔線路時，由于雷電通道產(chǎn)生的電流急劇變化，會在導(dǎo)體上感應(yīng)出與雷電流極性相反的過電壓，無有效數(shù)據(jù)。

目前規(guī)定，對于一般高度的無電流線路，感應(yīng)過電壓的最大值計算式為：

式中，α為感應(yīng)過電壓系數(shù)。

式中，k為耦合系數(shù)。

四是雷擊輸電線路附近大地。當雷擊大地超過水平線65m 時，由于電磁場的變化在導(dǎo)體上感應(yīng)出的過電壓稱為感應(yīng)雷過電壓。感應(yīng)雷過電壓形成如圖2所示。

圖2 感應(yīng)雷過電壓形成

感應(yīng)雷過電壓形成2基本原理（a）主放電前（b）主放電后hd-導(dǎo)線高度；S-雷擊點與導(dǎo)線間的距離。

主放電前，在雷云釋放的第一階段，有一個先導(dǎo)放電過程建立到大地，線路處于雷云與先導(dǎo)通道之間的電場中，由于靜電感應(yīng)，帶電。 Ex 區(qū)域沿線強度 末端的正電荷和雷電空氣被吸引到靠近導(dǎo)引通道的一段導(dǎo)線上成為電荷束縛，由于Ex 的電阻，導(dǎo)線的負電荷向兩端移動，從線路的漏電導(dǎo)和系統(tǒng)的中心點流入大地。由于驅(qū)動通道的發(fā)展速度不大，金屬的電荷強度也很慢，由此引起的導(dǎo)線中的電流很小。電線對地的電導(dǎo)，電線的容量將不同于遠離雷云的電線的容量。

主放電后，當雷云離開線路附近的地面時，導(dǎo)頻通道中的負電荷迅速被中和，導(dǎo)頻通道產(chǎn)生的電流迅速減小到低電平，使導(dǎo)線的正電荷被釋放，正電荷隨著導(dǎo)線的釋放，兩側(cè)的運動成為干擾雷電過電壓，稱為感應(yīng)過電壓的靜電分量。同時，雷電通道中的雷電電流在通道周圍的空間中產(chǎn)生了強大的磁場，這種磁場的變化也會在金屬上感應(yīng)出高電壓，這種電壓稱為感應(yīng)電磁分量。

2.1 線路上感應(yīng)過電壓的最大值

根據(jù)理論分析與實測結(jié)果，規(guī)程建議，當雷擊點離開線路的距離S ＞65m 時，導(dǎo)線上感應(yīng)雷過電壓的最大值為：

式中，hd 為導(dǎo)線懸掛的平均高度（m）；S 為雷擊點離線路的距離（m），感應(yīng)過電壓Ug 的極性與雷電流極性相反。

由式（3）可知，感應(yīng)過電壓與雷電流的幅值和金屬懸空的平均高度成正比，平均高度越高，導(dǎo)線對地電容越小，對地電容越高高度。感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電壓；感應(yīng)過電壓與雷擊點與線路的距離S 成反比。S 越大，感應(yīng)過電壓越小。雷電擊地時也很大，電流幅值通常不超過100kA。經(jīng)實測證明，感應(yīng)過電壓一般不超過500kV，對35kV 及以下的水泥電桿線路會造成某種事故；對于110kV 及以上的線路，由于絕緣性高，往往會產(chǎn)生熱應(yīng)力，不會引起閃絡(luò)問題。

2.2 雷擊塔頂時的過電壓和抗雷等級

當閃電擊中鐵塔頂部時，鐵塔和導(dǎo)體上的負電荷和正電荷很快被中和，從而產(chǎn)生火電。正雷電流值等于三個負電流波之和，絕緣線路的過電壓就是這4個電流波引起的。當塔頂電位為Utd時，塔頂連接的燈泡也有相同電壓。由于避雷導(dǎo)體與導(dǎo)體之間的耦合作用，會在導(dǎo)體上產(chǎn)生耦合電壓kUtd，與雷電流極性相同。此外，由于雷電通道電磁場的作用，導(dǎo)體上還存在感應(yīng)過電壓αhd（1-k），與雷電流極性相反，所以導(dǎo)體的電位幅值Ud為：

絕緣子線路的電壓幅值Uj 隨雷電流的增大而變化。當Uj 大于串絕緣子的相關(guān)閃絡(luò)電壓時，串絕緣子就會發(fā)生閃絡(luò)，由于此時桿塔的容量高于導(dǎo)體的容量，這種閃絡(luò)稱為“反擊”。

提高雷擊塔桿的耐雷水平，最常見的措施是降低塔的接地電阻Rch。降低接地電阻可以降低頂部塔的容量，提高防雷水平，避雷導(dǎo)體與導(dǎo)體之間的耦合系數(shù)k，自愿降低絕緣子串的電壓，減少感應(yīng)過電壓，可以提高避雷等級。

3 輸電線路防雷指標

一是傳輸線的電阻是通過耐壓等級和輸出電壓來衡量的。二是防雷，雷擊出線路使絕緣線路不閃絡(luò)的最大雷電流幅值，單位kA。電壓保護等級越高，線路閃絡(luò)的發(fā)生越小，線路的防雷性能越好。三是雷擊跳閘，每年每100km 線路被雷擊跳閘的次數(shù)，是衡量線路防雷能力的一般指標。

4 輸電線路的防雷策略

4.1 架設(shè)避雷線

防止雷電直接進入電線；對光電流有分流作用，降低塔頂容量；在電線之間有連接并降低絕緣電壓。閃電擊中塔時繩索，對電線有保護作用，可降低電線上的感應(yīng)電壓。為了減少電子設(shè)備在正常工作和使用中進行通訊時電路中電流的附加損耗，電路中的電可以通過小間隙與地絕緣。向下，避雷針接地。

4.2 降低鐵塔的土壤電阻

在土壤電阻較低的地區(qū)，應(yīng)充分利用鐵塔的土壤基礎(chǔ)，并采用與線路等長的地下延長線來降低。接電壓，有效減少子塔頂電荷，提高對雷擊的反應(yīng)水平。在接地電阻較高的地區(qū)，當一般方式難以降低電阻時，可采用許多輻射狀接地體，或采用接地體自愿續(xù)接，或采取一些良好的保護措施，以降低土壤電阻。輸電線路桿塔避雷線工頻接地電阻詳見表1。

表1 輸電線路桿塔避雷線工頻接地電阻

4.3 改進接地

經(jīng)驗表明，接地對減少雷電放電是有效的。當難以降低接地電阻時，用于改進導(dǎo)體：

一是增加避雷導(dǎo)體與導(dǎo)體之間的耦合作用，以降低絕緣子串的電壓。二是增加雷電的分流效果。三是絕緣不相等。同極的兩個回路，順序原則：兩個回路的導(dǎo)線數(shù)量不同，這樣絕緣子串少的回路會在第一時間閃絡(luò)防雷擊，閃絡(luò)后的導(dǎo)線與地線形成耦合作用，與另一回路的導(dǎo)線產(chǎn)生耦合作用，提高另一回路的防雷能力，防止閃絡(luò)的發(fā)生，保證另一回路的連續(xù)性。一般認為，兩個電路的絕緣水平之差應(yīng)為電壓水平（平均值）的兩倍。四是安裝自動重合閘。雷電引起的閃絡(luò)，大部分在跳閘后能自行恢復(fù)絕緣，因此恢復(fù)成功率也較高；據(jù)統(tǒng)計，我國110kV 及以上電力線路恢復(fù)率為75%～95%，35kV及以下線路恢復(fù)率約為50%～80%五是采用消弧線圈接地方式。其適用條件為雷電活動強烈，土壤電阻難以降低的地區(qū)，作用原理：當相地閃絡(luò)發(fā)生時，消弧線圈阻止其發(fā)展成持續(xù)電流。當發(fā)生兩相或三相對地閃絡(luò)時，第一相閃絡(luò)不會引起跳閘，最先閃絡(luò)的導(dǎo)線相當于電阻絲，引起分流耦合作用參數(shù)。閃絡(luò)級，使非閃絡(luò)級絕緣級的電壓下降，從而提高線路的抗雷擊等級。六是安裝管式檢測器。管式避雷器只用于過電壓特別大或絕緣薄弱的線路上作防雷用。可避免絕緣線路的閃絡(luò)效應(yīng)，使建弧值降至0。管狀探測器只安裝在電力線路相交處和高壓線與連接線的交叉處，隔河隔塔，在變電站的防御側(cè)。七是加強絕緣。對于大中高多段輸電線路，雷電路徑增加，塔高等效電感大，電位高，塔頂高，感應(yīng)過電壓也高；屏蔽時最大雷電流幅值大，屏蔽值高。這增加了線路的雷擊跳閘率。為了降低出行成本，可在桿塔上增加絕緣子串的數(shù)量。法律規(guī)定，總高度超過40m 且設(shè)有防雷線的鐵塔，每增加10m 高度必須加裝絕緣子；對于總高度大于100m 的鐵塔，絕緣子的數(shù)量宜。根據(jù)工作計算確定。八是采用線路金屬氧化物檢測儀。在特別容易發(fā)生雷電活動和土壤電阻率較高的地區(qū)，可以使用線型金屬氧化物探測器來防雷。避雷器采用復(fù)合絕緣護套，重量輕，安裝方便。并聯(lián)在絕緣子串的兩端，當絕緣子串的電壓達到一定值時動作，從而避免了絕緣子串的閃絡(luò)，降低了線路的電壓線路跳閘值。該方法的缺點是檢測器的檢測和維護難度大，成本高[2]，線路避雷器應(yīng)用如圖3所示。

圖3 線路避雷器應(yīng)用

5 結(jié)語

為保證輸電線路的安全穩(wěn)定運行，必須不斷完善電網(wǎng)的防雷設(shè)備，防雷設(shè)備運行復(fù)雜，涉及因素多，需要采用各種技術(shù)，但為提高輸電線路的防雷性能，應(yīng)根據(jù)土壤和地質(zhì)過程采取相應(yīng)的措施，減少供電運行中短路的發(fā)生，保證連接線路的運行。