220kV高壓輸電線路防雷接地技術(shù)探析

陳 卓 陳嘉康

（國網(wǎng)重慶電力公司北碚供電分公司）

0 引言

輸電線路受到雷電威脅較大，在電路連接設(shè)計時，需要考慮其防雷性能和特點，確保防雷效果符合要求，保障高壓電路的正常使用。目前常見的防雷方式可以歸納為兩種，其一為將雷電阻擋在設(shè)施之外，避免雷電進入而影響系統(tǒng)運行；其二為將雷電引導(dǎo)到其他區(qū)域，減輕雷電對重點區(qū)域相關(guān)設(shè)備的影響。

1 220k V輸電線路雷擊形式

高壓輸電線在被雷擊時會發(fā)生閃絡(luò)，以此為依據(jù)，將輸電線路的雷擊形式分為兩類：

其一為直擊。在雷電直擊塔頂避雷線時，電流會通過避雷線傳導(dǎo)入相鄰的桿塔結(jié)構(gòu)，隨著桿塔傳輸?shù)酱蟮?。該情況下一部分雷電電壓會留在桿塔中，與導(dǎo)線上的電位形成高位電壓差，從而引發(fā)桿塔導(dǎo)線閃絡(luò)。此類雷擊故障在山區(qū)輸電線中發(fā)生概率相對較高。

其二為繞擊。在雷電經(jīng)過線路時，受到電感影響，容易出現(xiàn)雷電繞擊故障，發(fā)生時會產(chǎn)生瞬間高壓，使導(dǎo)線電位快速提高，此時導(dǎo)線的電位差與桿塔電位差相差過大，引起絕緣子串擊穿放電，隨之出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象［1］。由于繞擊產(chǎn)生的瞬時電壓和電流較大，使其危害相對較大且發(fā)生較為頻繁，其中高壓線路發(fā)生概率更大，一般占總繞擊的80%左右。對其產(chǎn)生原因進行分析，能夠發(fā)現(xiàn)其與高壓線路保護角有關(guān)，具體公式如下：

其中，Pa為輸電線路繞擊率；β為高壓線路保護角。

根據(jù)相關(guān)架空電線設(shè)計技術(shù)規(guī)程，在保護角小于等于10°時，發(fā)生繞擊概率下降較為明顯，在超過10°時，雷電繞擊概率提升，且跳閘概率提升到68%以上。因此，在進行防雷系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)減小高壓線路保護角，以降低雷電故障概率。

2 220k V輸電線路防雷保護配置

隨著輸電線路網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，雷電對輸電線路的影響也在不斷增大，為保障輸電線路的穩(wěn)定性，應(yīng)積極優(yōu)化線路保護配置。通過利用線路保護方式，在危險情況下保護輸電線路不受雷擊影響，維護系統(tǒng)安全運行。在設(shè)置配置方式時，應(yīng)分析雷擊風險和特點，結(jié)合實際情況優(yōu)化線路配置方案，以全面提高輸電線路的運行穩(wěn)定性。

輸電線路主線連接過程中，應(yīng)按照標準順序和要求設(shè)計，確保電能順利傳輸?shù)阶冸娬局?。為降低雷電帶來的影響和破壞，在主線路設(shè)計時，應(yīng)明確線路的負荷大小以及系統(tǒng)備用容量情況，針對實際情況，提高線路的可靠性和靈活性。在220kV輸電線路中，基本接線連接分為有匯流母線連接和無匯流母線連接，按照不同連接方式要求進行連接，提高接線安全性。在變電站側(cè)主接線設(shè)計時，應(yīng)按照《電力工程電氣設(shè)計手冊》要求，使用單母線分段連接方式。當出現(xiàn)一組母線故障停電時，系統(tǒng)自動調(diào)整使用另一組母線完成正常供電，在交替使用的情況下，提高輸電線路的運行安全性和效率。

在主接線中配置相應(yīng)的安全裝置，一是設(shè)置隔離開關(guān)，在變壓器機組單元連接時，設(shè)置隔離開關(guān)，注意避免將隔離開關(guān)設(shè)置在出口處，以免影響實際應(yīng)用效果，同時在出線上設(shè)置斷路器和電抗器，提高線路穩(wěn)定性。二是設(shè)置接地刀閘或接地器，在斷路器兩側(cè)或隔離開關(guān)線路上配置接地刀閘，加強線路檢修安全性。

3 防雷接地技術(shù)基礎(chǔ)概念

防雷接地技術(shù)需要將雷電導(dǎo)入到大地中，因此，需要考慮該區(qū)域的土壤電阻率情況，確保土層能夠順利將電流轉(zhuǎn)移出去［2］。在測量時，需要在區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置不同的測量點，測量該位置的電阻情況，利用該電阻值模擬分析區(qū)域電阻率，如圖所示。

圖 模擬法測量土壤電阻率的原理圖

圖中M為接地電阻測量設(shè)備；G為被測量土壤區(qū)域中的接地裝置；P1、P2、P3為測量電壓極；C1、C2為測量電流極；h為測量電極長度。

將該系統(tǒng)安裝在土壤較為均勻的環(huán)境中，進行測量，使用公式（2）計算電阻率ρ：

其中，d為接地電極的直徑；h為電極長度；R為電阻。

通過模擬法分析，并在實際的場地中設(shè)置測量點，得到不同季節(jié)條件下土壤的季節(jié)系數(shù)Ψ，結(jié)果見表。

表 不同土壤的季節(jié)系數(shù)

結(jié)合土壤實際情況，計算土壤電阻率：

其中，ρ1是計算值；ρ0為實測值；Ψ為季節(jié)系數(shù)。

4 高壓輸電線路防雷接地方法

4.1 合理構(gòu)建輸電線路傳輸路徑

設(shè)置線路時，應(yīng)提前了解傳輸路徑中是否穿過雷擊嚴重區(qū)域，同時調(diào)整設(shè)計路徑避開雷區(qū)，才能從根本上減少雷擊的發(fā)生次數(shù)。相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)明確工程施工的區(qū)域，并探究其中是否存在森林、礦區(qū)等復(fù)雜地勢環(huán)境，適當調(diào)整線路，避開此類地形，以減少雷擊的風險［3］。

4.2 降低桿塔接地電阻

為減少雷擊情況下對輸電線路的沖擊力，在進行系統(tǒng)設(shè)計時，需要計算桿塔的電阻和土壤的導(dǎo)電率，并與相關(guān)的電壓保護規(guī)范進行對比，優(yōu)化整體架空線路中桿塔的設(shè)計與應(yīng)用［4］。在防雷桿塔結(jié)構(gòu)接地施工過程中，應(yīng)采取恰當?shù)姆绞浇档徒拥仉娮?，設(shè)計和施工人員應(yīng)采取恰當?shù)氖┕し绞?，將電阻降?0Ω以內(nèi)，提高結(jié)構(gòu)的防雷能力。在施工過程中，首先，可以選擇水平外延接地的方式，將桿塔所在區(qū)域進行調(diào)整，構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)水平放射的區(qū)域，并調(diào)整地下結(jié)構(gòu)。其次，可以通過深埋桿塔接地極的方式，將桿塔結(jié)構(gòu)中的接地極埋設(shè)深度加深，提高結(jié)構(gòu)的安全性。最后，采用填充法降低電阻，在桿塔附近的土層中填埋電阻率較低的物質(zhì)，利用該類物質(zhì)代替原本的土層結(jié)構(gòu)，從而達到降低電阻、順利導(dǎo)電的效果，全面強化防雷接地施工質(zhì)量。

4.3 架設(shè)接地線及避雷器

在防雷接地施工時，需要架設(shè)耦合接地線，該方法可以在一定程度上降低接地電阻，使桿塔實際輸電的穩(wěn)定性更加理想。在輸電導(dǎo)線下方設(shè)置一條接地導(dǎo)線，并將其通過架設(shè)的方式連接到大地。在出現(xiàn)較大的雷擊現(xiàn)象時，耦合接地線能夠幫助桿塔分流，降低桿塔輸電壓力，保障整體接地結(jié)構(gòu)運行的高效性。一般情況下，220kV高壓輸電線路中合理配置架設(shè)耦合接地線，能夠明顯降低雷擊帶來的影響，其中跳閘率能夠降低50%左右，具有較高的實用性。

避雷器主要包括線路型避雷器和側(cè)向避雷針，在安裝線路避雷器時，應(yīng)將其與線路絕緣子按照串并聯(lián)的方式連接，以提高線路的抗雷擊能力。此類避雷器能夠在雷擊狀態(tài)下將雷電分流，使電流分別進入桿塔結(jié)構(gòu)和線路，最后導(dǎo)入大地。在實際安裝施工時，為提高防雷性能，可以適當調(diào)整導(dǎo)線電位，降低電位差，從而降低閃絡(luò)發(fā)生概率，提高輸電線路運行的安全性。

4.4 優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)體系

為進一步優(yōu)化防雷接地技術(shù)的實施效果。一方面，應(yīng)采用并聯(lián)保護間隙技術(shù)，利用并聯(lián)的金屬電極構(gòu)成間隙，放置到閃絡(luò)位置，避免絕緣子受到閃絡(luò)電弧影響，維持整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一方面，應(yīng)優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)，一是應(yīng)合理調(diào)整絕緣子串的具體片數(shù)，結(jié)合當?shù)氐睦讚羟闆r以及實際輸電防雷接地工程的耐雷要求，計算并選擇絕緣子串片數(shù)，提高絕緣效果。二是優(yōu)化塔頂空氣間隙絕緣能力。分析塔頂輸電線路對空氣間隙的絕緣強度需求，合理調(diào)整間隙的絕緣性能，大幅度降低閃絡(luò)故障的發(fā)生概率。

5 結(jié)束語

綜上所述，在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展過程中，通過分析得出以下結(jié)論： （1）為使220kV高壓輸電線路在不同條件下均保持穩(wěn)定性，應(yīng)在電路系統(tǒng)上設(shè)置完善的防雷接地體系； （2）通過借助高效的防雷設(shè)施和方法，有效提高對雷電的抵抗能力，進一步降低雷擊帶來的不良影響； （3）防雷接地方法是輸電線路防雷擊的重要手段，通過優(yōu)化電路中桿塔設(shè)置情況、防雷體系安裝流程等方式，全面加強防雷系統(tǒng)施工效果，維護高壓輸電線路的運行安全。