110kV架空线路综合防雷技术措施探讨

周立云

（宁夏电力公司 吴忠供电局，宁夏吴忠751100）

架空输电线路由于运行环境较为恶劣、雷击故障率较高，防雷工作一直是电力工作者研究探讨的重点。近年来，110kV及以上高电压等级电网因雷击引起的故障率占有较大比例。此类故障主要由于雷击闪络后的工频续流损坏了线路绝缘子及其金具，进而引起线路发生跳闸事故。雷击架空输电线路引起线路发生跳闸停电事故已成为我国高压输电线路中的主要事故类型［1］。2012年，宁夏吴忠市110kV电网已形成以单环网和双回路供电为主的网架结构。随着吴忠市近几年110kV电网的快速建设发展，架空线路长度不断增加，网架结构也变得更加复杂，由于征地、地势等原因，许多线路不可避免的要经过多雷、土壤电阻率高以及地形地势较为复杂的山区。为提高架空线路防雷水平，降低线路雷击跳闸事故发生率，就必须结合工程实际采取综合防雷措施。另外，随着架空线路走廊的紧缺，同塔双回或多回110kV架空线路结构在工程中逐步得到应用，杆塔高度不断增加，尤其是随着高速公路网建设步伐的加快，大跨越高（超高）杆塔在工程中应用数量急剧增加，造成110kV架空线路遭受雷击的概率大幅度提高［2］。针对110kV架空线路规划、施工建设、运行维护等过程中存在的问题，有必要采取诸如降低杆塔接地电阻、加强线路绝缘水平、架设耦合地线等防雷技术措施，提高110kV架空线路的综合防雷水平，确保线路安全可靠、节能经济的高效稳定运行发展。

1 架空线路雷击过电压原理特征

架空线路中常见的雷电过电压包括直击雷过电压和感应雷过电压两大类。其中，直击雷过电压是当雷电直接击中输电线路杆塔、避雷线或导线时，引起架空线路出现过电压；感应雷过电压则是当雷击架空线路附近区域时，由于电磁感应作用在导线上产生过电压。从大量文献研究和实践工作经验可知，直击雷过电压对架空线路的危害非常大，而感应雷过电压则只对35kV及以下的架空线路构成一定的威胁。因此，本文重点分析110kV架空线路直击雷的综合防护。根据雷击架空线路部位的不同，又可将直击雷过电压按照两种情况进行分析：① 雷击110kV架空线路杆塔或避雷线时，雷电流通过雷击点使该点对地电位瞬时急剧上升，进而在雷击点与导线间产生一个电位差。当该值超过110kV架空线路绝缘水平时，就会形成冲击放电电压，进而对导线发生闪络，使其出现过电压问题。此时，杆塔或避雷线在雷电流作用下的电位有效值要高于导线，通常会造成反击冲击破坏。② 雷击110kV架空线路导线（绕过线路避雷线（屏蔽性能失效）击中导线）由雷电绕击直接作用在导线上引起过电压问题。反击和绕击的雷击部位和作用原理有不同的特征，在实际规划设计、施工建设和运行维护过程中，应结合工程实际情况，采取不同的技术措施，才能确保线路综合防雷措施体系取得较好的防雷效果。

2 110kV线路雷击跳闸的主要影响因素

2.1 架空线路绝缘配置因素

在不考虑运行电压对架空线路防雷绝缘性能影响的基础上，如仅按照单回线路进行线路绝缘配置，虽然可以降低110kV同塔双回架空线路发生双回同时跳闸的故障率，但如将此种绝缘配置防雷性能折算到2回不同线路上，则其总跳闸故障率将会增加。因此，在实际工程应用中，应对110kV单回和双回同塔架空线路采取不同的绝缘配置模式：对于同塔双回线路而言，其中1回输电线路应按正常模式进行绝缘配置；另1回则需根据工程实际采取加强绝缘模式进行绝缘配置，这样才可以兼顾110kV同塔双回线路同时跳闸率和总跳闸故障率等多项绝缘性能指标。

2.2 架空线路相序排列因素

导线的相序排列对架空线路防雷水平影响较大。对于110kV同塔双回线路而言，通常采取逆相序排列方式以降低双回线路同时跳闸率。逆相序排列方式中，110kV同塔双回架空线路的2列上导线间的相位角差为120°，若线路出现雷击杆塔或避雷线的反击过电压时，则会使110kV架空线路上左、右两边导线绝缘子串两侧的电位值存在一定差值，使其中1回线路先发生反击过电压闪络，而另外1回线路则会由闪络放电起到一定保护作用。

2.3 杆塔接地电阻因素

110～500 kV架空线路耐雷水平与杆塔接地电阻间的关系如表1所示。

表1 110～500kV架空线路耐雷水平与杆塔接地电阻间的关系

对于单地线的110kV架空线路而言，由于架空地线的耦合系数偏小，在同样接地电阻条件下，线路耐雷水平约低25%，也就是说，即便110kV架空线路满足表1中的接地电阻技术性能要求，也可能会引起同塔双回架空线路的耐雷水平达不到表1中的指标要求；因此，在110kV同塔双回架空线路规划设计、施工建设、运行维护等过程中，要认真对架空线路杆塔布设区的接地电阻值进行监测，尤其在施工建设过程中，要认真测试每座杆塔的接地电阻值。根据DL／T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、DL／T 621—1997 《交流电气装置的接地标准》等相关技术规范要求，在线路施工过程中必须采取相应技术措施将杆塔接地电阻有效控制在15Ω以下，以确保110kV同塔双回架空线路具有较高防雷水平。

2.4 架空地线保护角

从全国年平均雷暴指数可知，吴忠市红寺堡区是典型多雷区，绕击和反击故障发生次数几乎相等，各占50%。110kV同塔双回线路的避雷线出现双回线路屏蔽性能同时失效的可能性非常低，即绕击故障通常只会引起同塔双回线路中的某回架空线路发生跳闸故障。架空线路实用防雷措施效果分析表明，减小110kV同塔双回架空线路的地线保护角，可以有效降低110kV监控线路的绕击跳闸故障发生率。

2.5 其他因素

110 kV架空线路运行环境较差，周围存在化工厂、粉灰厂等污染源，会使绝缘子积污腐蚀较为严重，加上日常运行维护没有跟上，导致绝缘子耐冲击电压性能降低，使线路绝缘子容易发生雷击冲击击穿破坏。

3 110kV架空线路综合防雷技术措施

吴忠市红寺堡区位居宁夏中部，是扶贫扬黄灌溉工程的主战场。根据110kV架空线路运行维护经验知识和现场调研资料，并基于上述分析，笔者认为110kV架空线路需要从加强线路绝缘水平、改善接地装置、加装侧向避雷针、减小线路保护角度等方面，来提高110kV架空线路的综合防雷水平。

3.1 加强架空线路绝缘水平

在DL／T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中明确指出：在海拔不超过1 000m的地区，110kV架空线路的悬垂绝缘子串的绝缘子个数不应少于7片，宜选择8片。而对于大跨越档距全高超过40m的线路杆塔，其高度每增高10m，应增加1片绝缘子。红寺堡区海拔为1 240～1 450m，属于山间盆地，故可以采取以下措施：① 加强110kV架空线路易击段杆塔的绝缘配置。该地区平均海拔超过1 000m，应乘以海拔校正系数。对于多次遭受雷击的杆塔，在技术升级改造过程中，宜考虑增加1～2片绝缘子，以提高架空线路绝缘配置水平。② 宜根据工程实际情况，耐张杆塔增加1～2片绝缘子。③ 对于大跨越或布设在山顶的线路杆塔，宜考虑增加1～2片绝缘子，以提高线路杆塔综合耐雷水平，确保线路具有较高的运行安全与经济性。

3.2 改善接地装置

在运行维护过程中，110kV架空线路应侧重于改进线路杆塔的接地装置。通过有效改善线路接地装置后，其雷击跳闸率降幅可以达到25%～30%；而对于接地装置较恶劣的线路杆塔而言，甚至可以达到30%～50%的跳闸率降幅。

3.2.1 降低接地电阻

通过水平外延接地体、深埋式接地极、填充低阻物质以及加装导电接地模块等来降低杆塔接地电阻，提高110kV架空线路防雷水平。在高土壤电阻率地区，采用布设垂直接地极的方法，可以较好地改善表面干燥土壤线路杆塔存在的接地不良问题。对于水泥杆塔线路，其垂直接地极应从距离杆塔3～5m处进行布置；而对于铁塔则应从5～8m处进行布置。110kV线路杆塔垂直接地极的长度宜选择1.5m左右，间距宜控制于在4～6m内，并采用圆钢或角钢进行加工，施工过程中应注意防腐处理［3］。

3.2.2 增加耦合系数

根据雷击闪络的反击理论可知，增加耦合系数、减少电感、降低接地电阻等均可以提高线路综合耐雷水平。常规增加耦合系数的方法是采用布设架空地线和增设耦合地线的方式实现，但由于雷击存在暂态行波和稳态电磁感应过程；因此，可以通过加强型强化电磁感应型杆塔接地射线等技术手段来改善杆塔接地装置的分布情况，增加耦合系数。110kV架空线路的强化电磁感应型杆塔接地射线结构如图1所示。

图1 加强型强化电磁感应型杆塔接地射线结构图

对于土壤电阻率ρ＞1 000Ω·m的地区，可按照图1所示的加强型强化电磁感应型杆塔接地射线结构，来增加110kV架空线路的电磁耦合系数，降低线路绝缘子串雷击过程中所承受的冲击电压，进一步提高架空线路综合耐雷水平。

3.3 安装侧向避雷针

杆塔布设在山顶等位置较高的地区，雷云有时可能与线路或杆塔平行，而有时则可能运动在杆塔或线路的下方，加上杆塔处电磁环境较为复杂，杆塔处比档距中央更易出现雷电绕击过电压问题。据长期的理论研究和工程实践应用探索，安装侧向避雷针是110kV架空线路行之有效的防绕击过电压的一种技术措施。对于110kV架空线路而言，将侧向避雷针安装在杆塔横担两侧，其侧向避雷针长度达3 000mm较为适宜，中间固定部分长约1 200mm，横向设备部分长约1 800mm，并设置3个有效固定点，其具体安装示意图如图2所示。

图2 侧向避雷针安装示意图

通过避雷针3个固定螺孔与杆塔横担进行有效电气连接，并经接地引下线与杆塔接地体进行有效电气连接，确保将雷电流有效引入到大地中进行泄流。加装侧向避雷针后，虽可以提高架空线路防绕击水平，但同时增加了线路引雷率［4］；因此，为了防止安装侧向避雷针带来反击故障率升高的情况，可以适当增加绝缘子串片数，如复合型绝缘子应比普通型加长10%～15%；而瓷质或玻璃绝缘子应增加1片，以提高架空线路综合耐雷水平。

3.4 减小线路保护角

减小保护角是降低110kV架空线路绕击跳闸率比较有效的一种技术措施。但对于已经建设投入运行的线路，改变线路保护角的可行性和具体实施性较差，尤其对于山区地面倾角较大的线路杆塔而言，因受塔头结构设计等因素的制约其保护角不可能大幅度降低。减小线路保护角，其所需经济资源较大；因此，在工程实践中，应从技术、经济等多方面进行综合考虑，以选择合适的线路保护角，确保线路安全经济的运行发展。

3.5 安装线路氧化锌避雷器

安装线路氧化锌避雷器可以较大提高110kV架空线路综合耐雷水平，有效降低线路绕击和反击事故跳闸率，尤其对于雷电活动较为强烈或土壤电阻率较高、常规降低杆塔接地电阻难以实施的易雷击线路段，使线路耐雷水平得到大大提高，可以有效降低线路雷击跳闸事故率，确保110kV线路具有较高供电安全可靠性。

4 结 语

（1）防雷工程要始终贯穿于规划设计、施工建设、运行维护等全过程中，除了上述分析的几种提高110kV架空线路防雷水平的技术措施外，还有在多雷区的线路杆塔上安装塔头避雷针、加装并联保护间隙［5］等技术措施，对防止直击雷过电压也可取得较好的防雷效果。

（2）在进行110kV架空线路的综合防雷措施体系构建过程中，要结合工程实际地形、地貌、土壤地质条件以及该地区高压线路运行维护经验知识，从技术、经济等角度进行方案优化选择，获得技术上可行、经济上优越的综合防雷方案。

（3）提高线路防雷水平是一个系统复杂的工程，需要设计、施工、运行维护等相关部门的密切协调配合。除了要抓好勘察、设计、施工、监督等环节中的施工质量外，还应加强后期运行维护管理水平，提高110kV架空线路综合防雷水平，减少雷击跳闸事故发生率，推动线路安全可靠、节能经济的高效稳定运行发展。

［1］王春杰，祝令瑜，汲胜昌，等.高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展［J］.电瓷避雷器，2010，3（235）：35－46.

［2］郑瑞晨.山区送电线路防雷保护措施的探讨［J］.水电能源科学，2005，23（5）：73－75.

［3］李景禄.输电线路杆塔接地及其降阻措施［J］.电瓷避雷器，2003（3）：40－42.

［4］王 剑，刘亚新，陈家宏，等.基于电网雷害分布的输电线路防雷配置方法［J］.高电压技术，2008，34（10）：2065－2069.

［5］陈维江，孙昭英，李国富，等.110kV和220kV架空线路并联间隙防雷保护研究［J］.电网技术，2006，30（13）：70－75.