架空輸電線路的防雷設(shè)計(jì)

文/屈志堅(jiān)

架空輸電線路大多較長(zhǎng)，且沿線經(jīng)過(guò)山嶺、丘陵、跨越河流、湖泊，在雷電活動(dòng)頻繁地區(qū)，遭受雷擊的機(jī)率較高。雷擊架空輸電線路引起跳閘是最常見的雷害事故，不但影響電力系統(tǒng)的正常供電，增加線路及開關(guān)的維護(hù)工作，而且由于輸電線路上落雷，雷電波會(huì)沿線路侵入變電站，若變電站設(shè)備保護(hù)措施不完善或失靈，往往會(huì)損壞站內(nèi)設(shè)備的絕緣，造成重大損失。為此，在輸電線路的設(shè)計(jì)中必須重視防雷設(shè)計(jì)，通過(guò)采取綜合的防雷措施，以提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率，確保線路和站內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行，進(jìn)而提高電網(wǎng)供電可靠性。

1 雷害事故發(fā)生的原因

輸電線路發(fā)生雷害事故主要有雷電繞擊閃絡(luò)、反擊閃絡(luò)兩種原因。分析雷害事故發(fā)生的原因，有助于針對(duì)性地實(shí)施防雷對(duì)策。

1.1 雷電繞擊閃絡(luò)

輸電線路一般均架設(shè)避雷線以保護(hù)導(dǎo)線免遭雷擊，但并非絕對(duì)有效，仍存在雷電繞過(guò)避雷線擊中導(dǎo)線的情況。由于雷電直接擊中導(dǎo)線，導(dǎo)線上的雷擊過(guò)電壓值很高，當(dāng)過(guò)電壓值超過(guò)線路絕緣的耐受電壓水平，則會(huì)發(fā)生沖擊閃絡(luò)，引起跳閘，這種閃絡(luò)稱為雷電繞擊閃絡(luò)。從線路遭受雷擊的情況看，雖然繞擊的概率很低，但由于導(dǎo)線上的雷擊過(guò)電壓值很高，所以因繞擊發(fā)生的跳閘事故占雷擊跳閘事故的比例超過(guò)60%。

1.2 雷電反擊閃絡(luò)

雷擊避雷線檔距中央時(shí)，雷電流迅速向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)桿塔和接地體流入大地。為避免檔距中央雷擊過(guò)電壓擊穿空氣間隙，閃擊至導(dǎo)線上造成跳閘事故，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在檔距中央，導(dǎo)線與避雷線間的距離S≥0.012L+1m（L為檔距，單位m；氣溫+15℃，無(wú)風(fēng)、無(wú)冰）；雷擊桿塔頂部時(shí)，雷電流一部分經(jīng)桿塔和接地體流入大地，另一部分經(jīng)避雷線向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)其它桿塔和接地體流入大地。

上述兩種雷擊情況，強(qiáng)大的雷電流經(jīng)桿塔和接地體流入大地時(shí)，因桿塔電感和沖擊接地電阻的原因，使塔頂電位升高，當(dāng)塔頂電位與相導(dǎo)線的感應(yīng)電位差超過(guò)線路絕緣子串的50%沖擊放電值時(shí)，導(dǎo)線與桿塔之間就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)，引起跳閘，這種閃絡(luò)稱為雷電反擊閃絡(luò)。

2 防雷設(shè)計(jì)原則

輸電線路的防雷設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)線路的電壓、負(fù)荷性質(zhì)和系統(tǒng)運(yùn)行方式，結(jié)合當(dāng)?shù)匾延芯€路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，地區(qū)雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱、地形地貌特點(diǎn)及土壤電阻率高低等情況，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定合理的防雷方式。

3 具體防雷措施

3.1 選擇合理的線路路徑

選擇合理的線路路徑，可減少線路遭受雷擊的概率，大幅降低雷擊事故的發(fā)生率。突兀高聳的山脊、大片水域、金屬礦藏、高雷暴日地區(qū)往往是雷電多發(fā)區(qū)域，選擇線路路徑時(shí)，應(yīng)盡量避開這些區(qū)域。但是，不同路徑的建設(shè)成本也不盡相同，因此需綜合考慮。

3.2 架設(shè)避雷線

架設(shè)避雷線是輸電線路最基本、最有效的防雷措施。架設(shè)避雷線主要是避免雷電直接擊打在導(dǎo)線上，降低雷擊事故發(fā)生率，同時(shí)還具有減少雷電反擊閃絡(luò)發(fā)生的作用，具體原理為：

（1）分流減小流經(jīng)桿塔的雷電流，降低塔頂電位；

（2）使導(dǎo)線產(chǎn)生藕合電壓，減小線路絕緣子串兩側(cè)的電位差。

不同電壓等級(jí)的輸電線路，對(duì)避雷線配置的要求有所不同。設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，110kV輸電線路宜沿全線架設(shè)地線，220kV～330kV輸電線路應(yīng)沿全線架設(shè)地線，500kV～750kV輸電線路應(yīng)沿全線架設(shè)雙地線。同時(shí)，為了提高避雷線的屏蔽效果，減少雷電繞過(guò)避雷線擊中導(dǎo)線的發(fā)生率，桿塔上避雷線對(duì)導(dǎo)線的保護(hù)角應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范7.0.14條的規(guī)定。

3.3 加強(qiáng)線路絕緣

加強(qiáng)線路絕緣可以通過(guò)增加絕緣子串的片數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。線路絕緣水平的提高意味著引起反擊閃絡(luò)的塔頂允許電位值提高，所以線路絕緣水平的提高可以減少雷電反擊閃絡(luò)發(fā)生的概率。但是絕緣子片數(shù)增加受塔頭電氣間隙的限制，過(guò)多地增加絕緣子片數(shù)會(huì)導(dǎo)致直線桿塔水平檔距減小，造成耐張桿塔外角側(cè)跳線對(duì)塔身的安全距離不足。加大塔頭設(shè)計(jì)尺寸可解決這些問(wèn)題，但會(huì)增加建設(shè)成本，為此需慎重考慮。

3.4 降低桿塔接地電阻

桿塔接地電阻直接影響塔頂電位，通過(guò)降低桿塔接地電阻可以提高輸電線路的耐雷水平，減少雷電反擊閃絡(luò)的概率。另外，降低桿塔接地電阻還可以提高線路避雷器的泄流速度，有效發(fā)揮線路避雷器的防雷作用?？梢哉f(shuō)，“防雷在于接地”，降低桿塔接地電阻是輸電線路防雷的重要措施，是防雷工作的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的桿塔接地方案大多是采用水平敷設(shè)熱鍍鋅圓鋼或結(jié)合垂直接地角鋼的方式，對(duì)于土壤電阻率高的桿塔位通過(guò)換土、使用化學(xué)降阻劑降低接地電阻值。但化學(xué)降阻劑容易腐蝕接地網(wǎng)、污染環(huán)境、降阻穩(wěn)定性差，已被很多供電部門明文禁止使用。近年開發(fā)的非金屬接地模塊和石墨基柔性接地體等新型接地材料具有抗腐蝕、免維護(hù)、施工簡(jiǎn)單快捷、降阻穩(wěn)定性好、效果顯著等特點(diǎn)，已逐步獲得推廣運(yùn)用。

3.5 裝設(shè)線路避雷器

常見的線路避雷器為金屬氧化鋅避雷器，分帶串聯(lián)間隙型和無(wú)間隙型兩種。線路避雷器與導(dǎo)線絕緣子串并聯(lián)安裝，在工頻電壓下呈現(xiàn)很高的電阻，當(dāng)線路導(dǎo)線遭到雷擊時(shí)，傳導(dǎo)至避雷器的雷擊過(guò)電壓一旦超過(guò)避雷器的啟動(dòng)電壓，避雷器就會(huì)啟動(dòng)泄流，迅速地降低導(dǎo)線上的雷擊過(guò)電壓值，雷擊過(guò)電壓值下降至一定數(shù)值后避雷器又呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，并停止泄流。因?yàn)楸芾灼鞯膯?dòng)電壓和雷擊放電后的殘壓均低于絕緣子串的閃絡(luò)電壓，所以只要避雷器的泄流速度足夠快、泄流持續(xù)時(shí)間足夠短，就能保證絕緣子串不閃絡(luò)，避免發(fā)生雷電繞擊閃絡(luò)現(xiàn)象。由此可見，安裝線路避雷器是一種非常有效的防雷措施。但是，避雷器需要運(yùn)行維護(hù)且價(jià)格較高，實(shí)際工程中一般是針對(duì)易遭受雷擊的地段，安裝適當(dāng)數(shù)量的線路避雷器。

4 結(jié)語(yǔ)

架空輸電線路的防雷措施具有多樣性和針對(duì)性，輸電線路的防雷設(shè)計(jì)要認(rèn)真做好調(diào)查分析工作，結(jié)合工程的實(shí)際情況，合理劃分各區(qū)段的防護(hù)等級(jí)，差異化配置防雷措施，只有這樣才能制定出技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的防雷保護(hù)方案，為電網(wǎng)安全運(yùn)行保駕護(hù)航。