輸電線路設(shè)計(jì)中線路防雷技術(shù)的運(yùn)用

蔡德

中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建福州，350001

0 引言

在實(shí)際的設(shè)計(jì)與運(yùn)用中，雷電對(duì)于整體輸電線路的影響主要存在以下兩個(gè)方面：①在日常的電流運(yùn)輸中，輸電線路主要是將生產(chǎn)和生活所需的電量運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)區(qū)域，這個(gè)過程中就會(huì)經(jīng)過桿塔和電力運(yùn)輸設(shè)備，一旦桿塔和電線等電力設(shè)備受到雷電襲擊就很有可能引發(fā)電線和桿塔起火、設(shè)備燃爆等安全問題；②當(dāng)輸電線路受到雷電影響時(shí)，被影響部位會(huì)出現(xiàn)電壓過大、電流分離等情況，而相關(guān)設(shè)備則會(huì)由于高壓而出現(xiàn)繼電保護(hù)裝置跳閘或是絕緣性材料受損等多種問題，從而引起電力系統(tǒng)的大面積癱瘓，引發(fā)諸多電力安全事故，因此，加強(qiáng)輸電線路設(shè)計(jì)中的防雷技術(shù)就顯得格外重要。

1 輸電線路設(shè)計(jì)中引發(fā)雷電發(fā)生的因素

1.1 線路桿塔的高度

通常輸電線路大多數(shù)采用懸掛的方式，尤其是高壓輸電線路。這些輸電線路的桿塔通常設(shè)置在環(huán)境較開闊、人員較稀疏且無高層建筑的區(qū)域。因此，當(dāng)遇到雷雨天氣時(shí)，桿塔由于設(shè)計(jì)位置較高，周圍沒有可以遮蔽的物體，導(dǎo)致桿塔受雷擊的概率增大。尤其是近些年，隨著城市化建設(shè)速度的加快，電力企業(yè)已經(jīng)擴(kuò)大了輸電線路的運(yùn)用范圍，桿塔的需求量開始增加，很多地區(qū)的桿塔高度也隨之提升，出現(xiàn)了較為頻繁的桿塔被雷擊等問題。

1.2 自然環(huán)境影響

為了減少電力系統(tǒng)的運(yùn)輸損耗，很多的輸電線路會(huì)經(jīng)過山區(qū)或是降水量較為豐富的地域，這樣一來輸電線路受雷電影響的概率就會(huì)隨之增大[1]，現(xiàn)階段，我國(guó)發(fā)生輸電線路雷擊最頻繁的地域就是山區(qū)和自然降雨較多的區(qū)域。因此，需要加強(qiáng)該地區(qū)的防雷技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)施。

1.3 土壤電阻率減弱

輸電線路的桿塔一般都是根部埋于地下，桿塔周圍被土壤包裹。當(dāng)前由于我國(guó)很多地區(qū)地勢(shì)較為復(fù)雜，這些地域有高山和巖石圍繞，遇到陰雨天氣就會(huì)誘發(fā)雷電襲擊，雷電再接觸到桿塔下面的土壤，電阻率就會(huì)減弱，這樣一來雷電就很容易與周邊土壤或巖石形成反射，從而加劇雷擊線路概率的發(fā)生。

2 輸電線路設(shè)計(jì)中防雷技術(shù)的應(yīng)用原則

2.1 因地制宜原則

因地制宜主要是借助當(dāng)?shù)氐牡乩韮?yōu)勢(shì)、環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行防雷技術(shù)設(shè)計(jì)，這就要求設(shè)計(jì)者對(duì)線路和當(dāng)?shù)氐匦?、環(huán)境有著非常深入的了解，這樣設(shè)計(jì)才更具有針對(duì)性、安全性和合理性，才更容易防御雷電的襲擊。

2.2 安全性原則

主要圍繞輸電線路的運(yùn)輸狀態(tài)、運(yùn)行路徑進(jìn)行綜合評(píng)判，明確防雷技術(shù)上的諸多問題，從而在設(shè)計(jì)上制定最為符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案。

2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)原則

所有的輸電線路上的防雷技術(shù)設(shè)計(jì)原則都是以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，因此，在設(shè)計(jì)上要采用最新的設(shè)計(jì)技術(shù)，并在搭建與實(shí)施上采用防雷水平較高的絕緣材料，從而提升輸電線路的穩(wěn)定與收益。

3 輸電線路中防雷技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 交流電路設(shè)計(jì)

輸電線路受到雷電影響最大、故障表現(xiàn)最為明顯的當(dāng)屬交流電輸電線路。雷電的活躍程度也與當(dāng)?shù)氐牡匦?、桿塔的高度以及交流電量的大小有直接關(guān)系[1-2]。在實(shí)際運(yùn)用中，當(dāng)交流電量過大，雷電很容易在周遭出現(xiàn)，并且伴隨著桿塔受擊特征明顯，因此要注重交流電路的設(shè)計(jì)與運(yùn)用。

3.2 直流電路設(shè)計(jì)

直流線路是連接設(shè)備兩端的直流輸電線路。對(duì)于直流線路而言，一般發(fā)生不同故障時(shí)線路設(shè)備終端的直流系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)開啟保護(hù)功能，并將保護(hù)的線路整流觸發(fā)角移至160°。同時(shí)，逆變站將代替整流站進(jìn)行電流輸送，這樣一來就可以將故障引發(fā)的電流疏導(dǎo)成游離狀態(tài)，從而化解高強(qiáng)電流對(duì)設(shè)備與線路的損害。但要注意的是，當(dāng)故障點(diǎn)觸發(fā)或是設(shè)備再次啟動(dòng)時(shí)，就必須重新啟動(dòng)直流輸電系統(tǒng)，從而保證輸電線路的正常送電。一般情況下，當(dāng)直流電路發(fā)生故障時(shí)，相關(guān)電路指令實(shí)施的時(shí)間和控制系統(tǒng)之間的時(shí)間有著直接的聯(lián)系。因此，在設(shè)計(jì)上要將直流線路的保護(hù)裝置和重啟時(shí)間限制控制在小于交流電路的時(shí)間范圍內(nèi)，這樣做的目的一是降低電流游離時(shí)間，杜絕二次電流泄露安全事故發(fā)生概率。二是降低工作人員對(duì)雷電故障點(diǎn)的查找難度。

4 輸電線路設(shè)計(jì)中線路防雷技術(shù)運(yùn)用

4.1 輸電線路的合理應(yīng)用

雷電活動(dòng)和產(chǎn)生存在較大的特殊性和必要性，因此，相關(guān)電力企業(yè)在進(jìn)行線路設(shè)計(jì)和安裝時(shí)，根本無法完全規(guī)避雷電風(fēng)險(xiǎn)。通常情況下，最常見的雷擊區(qū)域主要有以下幾個(gè)：第一，高層建筑頂端或是桿塔上面；第二，高山、叢林、湖泊、水庫(kù)、水塘等水資源較為豐富的盆地區(qū)域；第三，地下水位較高或是地下水資源中含有大量的金屬礦物質(zhì)區(qū)域；第四，高山和平原的交界處（地貌變化、起伏較大的區(qū)域）；第五，植被生長(zhǎng)旺盛的山丘頂部；第六，桿塔區(qū)域內(nèi)土壤的電阻率較小或是本區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)巖石斷層的地帶。因此，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)，就必須參考這些因素對(duì)防雷技術(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

4.2 架空避雷線

現(xiàn)階段，整個(gè)電力行業(yè)使用最為廣泛的避雷裝置就是避雷線，避雷線的使用可以很好地幫助電線實(shí)現(xiàn)分流、耦合和故障屏蔽[2]，輸電線路遭受雷電襲擊的概率就會(huì)大大降低，從而實(shí)現(xiàn)防雷設(shè)計(jì)要求。架空避雷線對(duì)于輸電線路的保護(hù)而言是非常有利的，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用可以起到分流雷電流的作用，這樣桿塔就會(huì)拉開地表和塔頂?shù)碾娢徊?。同時(shí)，避雷線的耦合功能也可以對(duì)電線中的導(dǎo)線進(jìn)行耦合，并對(duì)雷電導(dǎo)電因子進(jìn)行屏蔽，從而有效地降低和分解電流和電壓。

4.3 鐵塔接地電阻的運(yùn)用

在實(shí)際運(yùn)用中，防雷保護(hù)裝置的作用主要是通過分流來影響輸電線路的接地電阻。通常最為常見的接電電阻方式有以下幾種：第一種主要是針對(duì)輸電線路架設(shè)面積小、線路鋪設(shè)規(guī)模小的情況，如果接地網(wǎng)的接觸面積集中，那工作人員就可以將降阻劑涂抹于接地電阻表面，起到降低接地電阻值大小的作用。該方法由于操作簡(jiǎn)單、使用效果良好，因此被廣泛地運(yùn)用到實(shí)際的防雷設(shè)計(jì)中。第二種爆破接地技術(shù)是在第一種方式的基礎(chǔ)上開展的一種防雷技術(shù)，首先它需要提前降低接地電阻的區(qū)域范圍，并在該區(qū)域上采用一定的地面爆破，之后再利用壓力機(jī)將電阻率較低的材質(zhì)壓入周邊的裂縫中，從而起到降低周邊土壤的導(dǎo)電作用。第三種主要針對(duì)水平接地電阻，水平接地電阻的長(zhǎng)度和周邊的環(huán)境之間的電感效益為正比關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)者可以采用延長(zhǎng)接地電阻水平長(zhǎng)度來影響電阻值，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間嘗試，工作人員發(fā)現(xiàn)水平接地電阻長(zhǎng)度增加，它的電阻率就會(huì)增大，通過增加水平接地電阻長(zhǎng)度來降低雷電對(duì)輸電線路的沖擊系數(shù)，可以很好地對(duì)鐵塔進(jìn)行保護(hù)。

4.4 安裝自動(dòng)重合閘

自動(dòng)跳閘是電力系統(tǒng)保護(hù)線路裝置和電網(wǎng)系統(tǒng)安全的重要方式之一。在實(shí)際的供電環(huán)節(jié)，一旦輸電裝置發(fā)生故障，自動(dòng)跳閘裝置就可以在接收信號(hào)的第一時(shí)間跳閘，線路系統(tǒng)上的其他設(shè)備開關(guān)隨之切斷。而輸電線路在運(yùn)行中一旦遭受雷電襲擊，那自動(dòng)跳閘裝置就會(huì)通過信號(hào)傳輸及時(shí)切斷電流，如果雷電的放電在其控制范圍內(nèi)，它將進(jìn)行自動(dòng)消除，重新開閘連接線路，避免長(zhǎng)時(shí)間跳閘對(duì)輸電線路的影響[3-4]。因此，設(shè)計(jì)者在運(yùn)用自動(dòng)重合閘時(shí)，一定要多次考量選擇一個(gè)較為合適的位置安裝自動(dòng)重合閘，并將自動(dòng)重合閘裝置和供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行連接，這樣設(shè)計(jì)的目的在于降低線路雷擊發(fā)生時(shí)長(zhǎng)，提升電力整體系統(tǒng)的恢復(fù)速度。

4.5 增加桿塔的絕緣性

首先，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行桿塔設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)桿塔頂部的尺寸進(jìn)行針對(duì)性防雷設(shè)計(jì)，要在桿塔承受的范圍內(nèi)合理添加桿塔專項(xiàng)絕緣性裝置，從而提升輸電線路的防雷屬性。但要注意的是，這種方式比較考驗(yàn)施工企業(yè)的專業(yè)能力和成本投入，同時(shí)還必須注重對(duì)安全距離的把控，其原理在于這種防護(hù)技術(shù)與雷電活動(dòng)的頻發(fā)性、地理高度有著密切的關(guān)系，因此在施工作業(yè)中的難度比較大，工作人員要非常謹(jǐn)慎地考量施工工藝和技術(shù)水平。另外，據(jù)電力設(shè)備相關(guān)規(guī)程規(guī)定，電力工作人員要在總高程超出40米的范圍且具有避雷線裝置的桿塔上進(jìn)行絕緣裝置安裝，這樣防雷電阻值才能滿足設(shè)計(jì)與施工要求[5]，因此，該技術(shù)對(duì)人員和環(huán)境都有著非常嚴(yán)格的要求。

5 防雷技術(shù)的優(yōu)化路徑

當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)采用多種防雷技術(shù)進(jìn)行電力系統(tǒng)保護(hù)，輸電線路作為主要的安全關(guān)注點(diǎn)常年受到雷擊的概率較大[5]。而一旦線路受到雷擊，那由此產(chǎn)生的諸多安全事故就會(huì)直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，電力企業(yè)要在原有技術(shù)的基礎(chǔ)進(jìn)行新技術(shù)開發(fā)，這樣才可以創(chuàng)造出更為優(yōu)質(zhì)的防雷措施，從而提升電力系統(tǒng)的安全系數(shù)。

5.1 強(qiáng)化大直徑絕緣材料的應(yīng)用力度

受到雷擊的線路絕緣子串中，損壞較為嚴(yán)重的為裝置兩端，其中兩端的裝置片上第一片燒毀程度最為嚴(yán)重，而周邊的絕緣子串相對(duì)較弱[6]。根據(jù)高電壓定理知識(shí)點(diǎn)可知，我們可將絕緣子串比作一節(jié)，且這些小節(jié)均勻地分布在輸電線內(nèi)部，其中兩端安裝直徑較大的絕緣子材料，并將絕緣子串放置在電流穩(wěn)定的電場(chǎng)環(huán)境中加強(qiáng)其雷擊抵御能力。與此同時(shí)，我們將絕緣子串的兩端用大直徑規(guī)模絕緣材質(zhì)固定，當(dāng)電壓出現(xiàn)雷電襲擊之后，一般的絕緣材質(zhì)是無法抵御雷電壓力而出現(xiàn)損壞，而大直徑絕緣子串在受到高負(fù)荷雷擊之后仍舊可以保持輸送線路不被損壞，且中間部位會(huì)被高品質(zhì)的大直徑絕緣子材料保護(hù)[6]。在實(shí)際中，我們常見的外直徑較小且采用一體化合成工藝的絕緣子串，其防御功能就會(huì)得到保護(hù)，而玻璃材質(zhì)的絕緣子串將增設(shè)在大直徑絕緣子的兩端，一旦線路裝置受到雷擊或是電壓過高而引發(fā)弧燒、自燃等問題時(shí)，其設(shè)備可進(jìn)行自動(dòng)爆破動(dòng)作，這樣就可以為后續(xù)人員檢查提供便捷，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)故障檢修。

5.2 預(yù)防片面化管理

傳統(tǒng)的輸電線路在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)過程存在較大的片面性，并且部分的防雷裝置安裝位置不當(dāng)，容易造成預(yù)防與實(shí)際雷擊存在較大區(qū)域誤差。但近年來，隨著我國(guó)用電量和關(guān)注度的提高，電力企業(yè)加強(qiáng)了對(duì)輸電線路防雷技術(shù)的重視，之前的片面化管理也得到整改，且很多電力企業(yè)也針對(duì)性做了防雷技術(shù)的優(yōu)化管理，尤其是對(duì)于一些比較重要的防護(hù)部位，做了全面、綜合的設(shè)計(jì)與考量，減少了之前片面管理引發(fā)的雷擊問題頻發(fā)現(xiàn)象。

5.3 強(qiáng)化源頭控制

輸電線路受到雷擊的概率較大，對(duì)此電力企業(yè)要優(yōu)化防雷技術(shù)、提升整體防雷整改措施，從源頭上對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)和防雷設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改造升級(jí)。同時(shí)，還要不斷地進(jìn)行防雷測(cè)試，要真正從源頭降低線路的雷擊、跳閘及爆裂等問題發(fā)生。

5.4 改進(jìn)、優(yōu)化防雷技術(shù)

電力企業(yè)要認(rèn)真吸取之前的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，借助先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)、設(shè)備、絕緣材料等對(duì)傳統(tǒng)的防雷技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)備升級(jí)。要明確內(nèi)部整改方針，要建立有效的防雷技術(shù)管理制度。最后，還要加強(qiáng)防雷方面的技術(shù)資金投入，從研發(fā)和優(yōu)化升級(jí)方面入手，真正意義上確保輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，輸電線路作為電力運(yùn)輸過程中的重要組成部分，其安全不僅關(guān)乎整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)還關(guān)乎我國(guó)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。因此，電力企業(yè)在進(jìn)行輸電線路防雷技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，要全方位考量，保證輸電線路的合理布局，同時(shí)還要加強(qiáng)避雷裝置的優(yōu)化和升級(jí)，減少雷擊現(xiàn)象的發(fā)生，推動(dòng)我國(guó)電力行業(yè)的有效發(fā)展。