輸電線路實(shí)際運(yùn)行中的防雷技術(shù)

吳 瑀，秦興元，李 義

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局，貴州 畢節(jié) 551700）

0 引 言

隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性的要求越來越高。但是輸電線路的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，難免會(huì)受到雷擊出現(xiàn)運(yùn)行故障，導(dǎo)致電力輸送中斷，影響到人們的正常用電。因此，電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)高度重視輸電線路實(shí)際運(yùn)行中的防雷工作，加強(qiáng)輸電線路的運(yùn)行保護(hù)。尤其是靈活采用各種防雷技術(shù)，全面提升輸電線路的耐雷水平，降低雷擊對(duì)輸電線路的危害。

1 雷擊危害

輸電線路在遭受到雷擊后，會(huì)形成以下危害。第一，感應(yīng)雷過電壓危害，即受到電磁感應(yīng)的影響出現(xiàn)過負(fù)載現(xiàn)象。之所以會(huì)形成電磁感應(yīng)是因?yàn)槔讚糁须娝?、線路、地面時(shí)，其中產(chǎn)生的電荷與雷云所帶電荷的極性相反。這時(shí)輸電線路中的電壓、電流就會(huì)異常，短時(shí)間內(nèi)原輸電線路就會(huì)成為高壓線。此外，架空線路還會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的感應(yīng)雷過壓?jiǎn)栴}，導(dǎo)致?lián)舸┦鹿省５诙?，直擊雷過壓危害。即雷電直接擊中輸電線路引發(fā)的過壓?jiǎn)栴}。當(dāng)輸電線路被擊中后，電流會(huì)隨著接地導(dǎo)線流入大地，引發(fā)電壓降，以致于雷擊部位的電位升高。在這一過程中還有可能出現(xiàn)熱效應(yīng)、電效應(yīng)等不良情況，造成更為嚴(yán)重的安全事故，甚至是造成人員傷亡。第三，雷電繞擊。即雷電繞過避雷設(shè)施擊中導(dǎo)線。常見于空曠地帶的輸電區(qū)域。當(dāng)雷擊擊中導(dǎo)線之后，瓷瓶串就會(huì)有電流經(jīng)過，并出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象?？梢哉f，雷電繞擊對(duì)輸電線路的危害非常大，電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)提早預(yù)防。第四，雷電反擊。當(dāng)出現(xiàn)雷電反擊現(xiàn)象時(shí)，輸電線路有可能出現(xiàn)跳閘事故。因?yàn)殡娏υO(shè)備遭受到雷擊后，其中產(chǎn)生的擊穿電流會(huì)擊穿大地，導(dǎo)致接地電壓瞬間提高。這時(shí)輸電線路還會(huì)產(chǎn)生電壓，引發(fā)雷電反擊現(xiàn)象，導(dǎo)致瞬時(shí)放電電壓急劇升高，瞬時(shí)放電電流急劇增大。結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)來看，每當(dāng)出現(xiàn)雷電反擊現(xiàn)象時(shí)，最終都會(huì)導(dǎo)致跳閘事故[1]。

2 輸電線路出現(xiàn)雷電干擾的原因

輸電線路雷害事故約能占到電力系統(tǒng)全部雷害事故的70%左右。結(jié)合實(shí)際來看，造成輸電線路出現(xiàn)雷電干擾的原因包括5點(diǎn)。（1）輸電線路缺少避雷器保護(hù)。即便是避雷器能夠工作，但過高的雷電過電壓也會(huì)造成輸電線路絕緣子擊穿放電。尤其是大多數(shù)輸電線路所用避雷器種類比較雜，其動(dòng)作電壓、額定電壓等參數(shù)存在較大的差異，更容易在雷電過電壓的影響下出現(xiàn)避雷器爆炸事故。（2）避雷器接地不合理。由于受到場(chǎng)所的限制，有些避雷器接地電阻并不符合標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象；有些避雷器接地引下線損壞，并未得到及時(shí)更換；有些埋入土中的接地引下線與接地體連接處出現(xiàn)了電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致避雷器失去應(yīng)有的作用。（3）隔離開關(guān)、柱上斷路器等處的避雷保護(hù)器安裝不合理，導(dǎo)致隔離開關(guān)絕緣擊穿。（4）為了節(jié)約輸電線路建設(shè)成本，在建設(shè)初期采用了3～4回路，或者是6～8回同桿架設(shè)，以致于雷擊發(fā)生時(shí)絕緣子對(duì)地閃絡(luò)，甚至是產(chǎn)生較大工頻續(xù)流，同桿架設(shè)的其他回路遭受到持續(xù)接地電弧影響出現(xiàn)短路。（5）沒有定期進(jìn)行輸電線路的檢修、維護(hù)，導(dǎo)致其中的絕緣弱電不能及時(shí)消除，使得輸電線路耐雷性能下降。

3 輸電線路實(shí)際運(yùn)行中的防雷技術(shù)

3.1 合理規(guī)劃輸電線路路徑

雷電活動(dòng)是無法完全避免的。尤其是某些地區(qū)的雷電活動(dòng)非常頻繁更容易造成雷擊事故。所以，要提前規(guī)劃輸電線路，盡可能地避開雷電活動(dòng)頻繁區(qū)域，減少輸電線路雷擊事故。

具體來說，要避開如下區(qū)域：第一，地下含有導(dǎo)電礦物或地下水位高的區(qū)域；第二，平原、山區(qū)的交界處，或是地形地貌易改變的區(qū)域；第三，地區(qū)土質(zhì)的電阻易發(fā)生變化的區(qū)域，如斷層帶；第四，山區(qū)多風(fēng)地帶、山口峽谷地帶；第五，植被較多的向陽區(qū)或是山丘頂部；第六，被河流、森林、水庫等包圍的盆地區(qū)域。這些區(qū)域極易發(fā)生雷擊現(xiàn)象，導(dǎo)致輸電線路受到雷擊。

3.2 安裝避雷設(shè)施

只有安裝避雷設(shè)施，才能提高輸電線路的防雷能力。但是施工人員需結(jié)合實(shí)際情況靈活選擇安裝不同類型的避雷設(shè)施，盡可能地發(fā)揮出避雷設(shè)施的作用。

首先，針對(duì)直擊雷可安裝如下避雷設(shè)施。第一，可安裝帶間隙的避雷器，提高輸電線路的耐雷水平，減少絕緣子閃絡(luò)。例如，可在輸電線路終極桿塔上安裝間隙避雷器，確保桿塔在遭受雷擊時(shí)絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。第二，在雷擊頻發(fā)的桿塔上架設(shè)避雷針。關(guān)于避雷針，盡量采用圓鋼或焊接鋼管制作的避雷針，并嚴(yán)格依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)控制避雷針的針長(zhǎng)、直徑。第三，安裝接地保護(hù)間隙。盡量在導(dǎo)線絕緣子之上每隔6～7基安裝一個(gè)接地保護(hù)間隙。第四，在易遭受雷擊的桿塔之上加裝絕緣子串片數(shù)，從而降低雷擊跳閘率。第五，安裝避雷線。主要是指采用接地的避雷線，并盡量選擇保護(hù)角較小的避雷線。但要注意電壓等級(jí)與避雷線造價(jià)成本是正相關(guān)關(guān)系，在中高壓等級(jí)的輸電線路中不能全線架設(shè)避雷線，以免成本過高。

其次，針對(duì)感應(yīng)雷可安裝如下避雷設(shè)施。第一，安裝氧化鋅避雷器，抑制感應(yīng)雷過電壓的危害，保護(hù)輸電線路的安全。這是目前應(yīng)為最為廣泛的避雷設(shè)備。第二，可安裝耦合地線，降低輸電線路感應(yīng)雷過電壓，減少絕緣閃絡(luò)。

最后，針對(duì)絕緣線雷擊可安裝如下避雷設(shè)施。第一，架設(shè)架空避雷線。這是一種非常傳統(tǒng)的避雷方法，其應(yīng)用效果非常良好，且可以免除后續(xù)的維護(hù)工作。但是與傳統(tǒng)避雷線相比，架空避雷線的成本比較高，且防繞擊效果差，更容易使輸電線路遭受到反擊。所以，通常情況下多是在特殊輸電線路上安裝這種避雷設(shè)施。第二，安裝氧化鋅避雷器。雖然安裝氧化鋅避雷器可提高輸電線路耐雷水平，但是需注意這種避雷設(shè)施具有保護(hù)范圍小、成本高、必須暴露絕緣線等缺點(diǎn)。第三，可通過安裝架空絕緣線過電壓保護(hù)器，截?cái)喙ゎl續(xù)流，限制雷電過電壓。但它具有每基桿投資成本高的缺點(diǎn)。第四，安裝長(zhǎng)閃絡(luò)避雷器。其主要應(yīng)用原理是中性點(diǎn)非直接接地的配電系統(tǒng)中的線路工作電壓、閃絡(luò)路徑長(zhǎng)度比值變小時(shí)，工頻續(xù)流的發(fā)生率就會(huì)降低。而應(yīng)用長(zhǎng)閃絡(luò)避雷器的目的就是增大閃絡(luò)路徑長(zhǎng)度值，使其比值變小。第五，安裝防雷支柱絕緣子，從根本上解決輸電線路絕緣導(dǎo)線遇雷斷掉的問題。防雷支柱絕緣子主要是由絕緣護(hù)罩、復(fù)合絕緣子及引弧棒等組成，如圖1所示。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，引弧棒、下鋼腳之間會(huì)出現(xiàn)短路通道，將工頻電弧引到此處，從而有效保護(hù)導(dǎo)線不會(huì)被燒傷。此外，防雷支柱絕緣子還具有可拆卸的刺齒結(jié)構(gòu)，非常方便安裝，且所用材料的絕緣水平比較高，可有效提高絕緣子的使用性能。

3.3 降低鐵塔接地電阻

輸電線路鐵搭接地裝置與避雷線相連是以鐵塔或引下線為依托的。其作用就是在輸電線路遭受雷擊產(chǎn)生雷電流時(shí)將電流引入大地，從而降低雷擊對(duì)輸電線路的危害。而決定輸電線路耐雷水平的關(guān)鍵因素就是鐵塔基地裝置的接地電阻。其阻值越低，絕緣子所受雷電壓會(huì)越低，其發(fā)生反擊閃絡(luò)的概率也會(huì)下降。但接地電阻阻值會(huì)受到土壤性質(zhì)、接地裝置形狀等因素的影響。尤其是輸電線線路途經(jīng)區(qū)域的地理環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件多變，很有可能投入了較大人力、物力，也難以降低接地電阻。所以，在輸電線路設(shè)計(jì)早期就應(yīng)采取措施降低鐵塔接地電阻，使其符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 防雷支柱絕緣子示意圖

具體可采取如下實(shí)施方法。第一，運(yùn)用降阻劑降低接地電阻。降阻劑具有多方面的優(yōu)勢(shì)。（1）降阻劑本身的電阻率非常低，與土壤電阻率相比差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，將其包在接地體周邊可視為金屬，這樣就可認(rèn)為接地體尺寸變大。（2）降阻劑可增強(qiáng)土壤、接地體的接觸面積，減少兩者之間的接觸電阻。（3）降阻劑具有一定的吸潮性，保持土壤潮濕。（4）糊狀降阻劑液會(huì)深入到土壤中，并擴(kuò)散，使得滲透區(qū)域的土壤電阻降低。需要注意的是，市場(chǎng)上降阻劑的種類比較多，且性能不一。因此，在具體應(yīng)用中需綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量、施工便捷性、價(jià)格、用量等因素，選擇合適的降阻劑。第二，爆破接地技術(shù)。這是一種新型降低接地裝置接地電阻技術(shù)，主要是通過運(yùn)用爆破技術(shù)使土壤裂開，并再用壓力機(jī)向大地裂縫壓入電阻率低的材料，達(dá)到改善土壤導(dǎo)電性能的目的。顯然，這種方法比較適用于大范圍的土壤改性。但在具體應(yīng)用中需注意：應(yīng)合理爆破，以免波及到其他電力設(shè)備、線路，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)更大的運(yùn)行故障；不適用于硬度小、松散的土壤改性。第三，運(yùn)用增加水平方向接地電阻長(zhǎng)度的方法，降低鐵塔接地電阻。通常情況下，水平接地電阻長(zhǎng)度越大，其電阻率越大。例如，當(dāng)其長(zhǎng)度為55 m時(shí)，其電阻率能達(dá)到500 Ω/m；當(dāng)其長(zhǎng)度增加到80 m時(shí)，電阻率能上升到2 000 Ω/m。但并不是水平接地電阻長(zhǎng)度越大，電阻率就會(huì)越高。當(dāng)其長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)，電阻沖擊系數(shù)會(huì)逐漸穩(wěn)定，不再上升。

3.4 定期維護(hù)桿塔

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，桿塔難免會(huì)受到外界環(huán)境的影響出現(xiàn)腐蝕、傾斜、裂痕等問題，出現(xiàn)使用性能下降問題。所以，為了進(jìn)一步提高輸電線路的防雷性能，電力企業(yè)還應(yīng)安排運(yùn)維人員，定期進(jìn)行桿塔的檢查、維護(hù)，確保桿塔始終處于良好運(yùn)行狀態(tài)[2-3]。例如定期對(duì)桿塔接地裝置進(jìn)行巡視、維護(hù)，重點(diǎn)檢查桿塔的接地引下線、接地螺栓、接地體、接地電阻值等，確保接地引下線完好、接地螺栓緊固、接地體無腐蝕、接地電阻值是否符合規(guī)范。若發(fā)現(xiàn)桿塔出現(xiàn)接地不良問題時(shí)，運(yùn)維人員應(yīng)及時(shí)采取更換、緊固、除銹等措施，提升桿塔接地性能，確保在雷擊發(fā)生時(shí)桿塔能起到應(yīng)有的作用，保護(hù)輸電線路。此外，在線路桿塔接地裝置投入運(yùn)行3-5年時(shí)，要進(jìn)行接地裝置的開挖抽檢，確認(rèn)接地裝置是否出現(xiàn)了劣化。若出現(xiàn)劣化則應(yīng)及時(shí)更換、維護(hù)。對(duì)于運(yùn)行年限超過20年，且連續(xù)區(qū)域段桿塔接地電阻偏大的桿塔接地裝置則要1-2年進(jìn)行一次開挖抽檢。只有這樣才能提升線路桿塔使用性能，保證輸電線路的耐雷水平。

4 靈活設(shè)計(jì)防雷方案

不同輸電線路的運(yùn)行環(huán)境、防雷設(shè)施建設(shè)、使用情況等存在不同。電力企業(yè)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，靈活制定防雷方案。尤其是根據(jù)以往的防雷技術(shù)方案實(shí)施情況，進(jìn)行防雷方案的優(yōu)化、改進(jìn)。在應(yīng)用防雷技術(shù)時(shí)，運(yùn)維人員還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)論證，保證所用防雷技術(shù)能滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行需求。

在輸電線路防雷設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需先進(jìn)行線路走廊的雷電活動(dòng)調(diào)查，充分了解輸電線路沿線區(qū)域的雷電活動(dòng)特征，并確定易遭受雷擊區(qū)域、線路段及每段雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)值，從而為后續(xù)的防雷性能計(jì)算模型建立、繞擊耐雷性能、反擊耐雷性能計(jì)算提供數(shù)據(jù)參考。之后，就可以按照全壽命周期成本理論，確定輸電線路保護(hù)角、桿塔接地方式、接地裝置型式等防雷參數(shù)。

若是進(jìn)行輸電線路防雷設(shè)計(jì)、設(shè)施的優(yōu)化、改造，則應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的輸電線路荷載情況、新防雷設(shè)施特點(diǎn)、新維護(hù)技術(shù)成效等進(jìn)行分析，確認(rèn)是更新防雷設(shè)施，還是維護(hù)防雷設(shè)施以及優(yōu)化防雷設(shè)計(jì)內(nèi)容。以接地網(wǎng)為例，在傳統(tǒng)防雷方案中多是按照接地裝置總體接地電阻大小，評(píng)估接地電阻是否合格。但實(shí)際上接地體截面積比較小時(shí)總接地電阻大小也符合要求，或者接地體腐蝕到很細(xì)時(shí)總接地電阻也會(huì)符合要求。對(duì)此，在防雷設(shè)施改造中應(yīng)嚴(yán)格按照最大單項(xiàng)短路電流值進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)、選擇，并保證接地引下線截面積不小于主網(wǎng)干線截面積。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)接地引線進(jìn)行檢測(cè)、維護(hù)，使其具有良好的導(dǎo)電性，在大故障電流下不會(huì)產(chǎn)生較大的電位差，并盡可能地縮短接地引線，確保短路電流能迅速通過。

5 結(jié) 論

雷擊會(huì)給輸電線路帶來各種危害，造成電力傳輸?shù)漠惓＃绊懙诫娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定性。電力企業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際靈活應(yīng)用合理規(guī)劃輸電線路、安裝防雷設(shè)施等防雷技術(shù)，降低各種不良因素對(duì)輸電線路防雷性能的影響，消除雷擊給輸電線路帶來的危害，保證輸電線線路的正常運(yùn)行。