山区地形架空供电线路防雷研究

王印峰

(冀中能源集团有限公司，河北 邢台 054201)

山西大远煤业有限公司位于山西省静乐县北部，四周环山，属于强雷暴区。每到夏雨季节，由于雷电活动强烈，矿井二趟敷设在山上的架空供电线路经常遭受雷击，造成巨大经济损失且严重影响矿井安全生产。

1．雷电危害

雷电是由于云层和大地以及云和云之间的电位差达到一定程度时发生剧烈放电现象。常用年平均雷暴天数、地面平均落雷密度和年雷闪频数，描述雷电活动的频繁程度和强度。当雷电击中接闪器(避雷线)，电荷沿引下线向大地泄放时对地电位升高，可能引起向临近的物体跳击。雷电直击在输电线路上方的避雷线上，如接地电阻过大，就会对线路造成损害，引发线路断路或击穿绝缘造成短路跳闸事故。山区地形的特点:地形复杂，巡线困难，雷电强烈多发，接地电阻大等因素，极易造成雷击事故。2012年8月山西大远煤业一次雷电事故中，虽然矿井地面变电所进线避雷器动作，但仍造成矿井正在运行的一台8000KVA主变遭受雷电侵入，高压主绕组内部对空放电击穿，被迫退出运行，矿井双回路供电系统破坏，造成全矿井停电重大事故，直接经济损失80万元。

2．预防雷击事故的防范措施

针对山区地形雷电侵害特点，经调研论证，我们采取了两项架空线路防雷措施:架空供电线路加装线路避雷器和降低线路塔杆接地电阻。

2．1 加装线路避雷器

输电线路避雷器可以在每个杆塔上一相、两相和三相分别安装，本文采取三相分别安装方式。

2．1．1 线路避雷器防雷的基本原理

雷击杆塔时，一部分雷电流通过避雷线分流到相邻杆塔，另一部分雷电流经塔杆引下线流入大地，杆塔接地电阻呈暂态电阻特性，用冲击接地电阻表示。此时雷击杆塔时塔顶电位急剧升高，其电位值为:Ut=iRd+Ldi/dt

式中:Ut塔顶电位，i雷电流，Rd冲击接地电阻，L．di/dt暂态分量。当塔顶电位Ut与导线上的感应电位U1的差值超过绝缘子串50%的放电电压时，将发生由塔顶至导线的闪络。即Ut－Ul＞U(50)，如果考虑线路工频电压幅值Um的影响，则为Ut－Ul+Um＞U(50)。因此，线路的耐雷水平与三个因素相关:线路绝缘子的50%放电电压、雷电流强度和塔体冲击接地电阻。一般线路的50%放电电压基本不变，雷电流强度与天气气象相关。未装避雷器时，提高输电线路耐雷水平一般通过降低塔体的接地电阻实现。由于山区地形的土壤特点，降低接地电阻通常很困难，造成输电线路防雷水平降低。

加装线路避雷器后，雷击时雷电流的分流情况:一部分雷电流由避雷线传入相临杆塔，一部分经塔体引下线入地。当雷电流超过一定值，避雷器动作加入分流，大部分雷电流由避雷器流入导线，分流到相邻杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时，由于导线间的电磁感应作用，将分别在导线和避雷线上产生涡合电压。因为避雷器的分流远大于避雷线中分流的雷电流，这种分流的涡合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，不产生雷击闪络。线路避雷器起钳电位作用，这是线路避雷器防雷原理。

2．1．2 线路避雷器安装注意事项

(1)注意避雷器与被保护绝缘子的距离

避雷器与被保护绝缘子之间保持一定的距离，因为线路避雷器的电容大电阻小，而串联间隙电容小电阻大，在正常情况下线路避雷器承担着很小电压，线路避雷器的下端电位近似为零，而线路绝缘子下端为高电位，若线路避雷器安装靠近线路绝缘子，就可能发生线路绝缘子下端对线路避雷器下端放电。因此两者的最小距离应为串联间隙的放电电压等于或略高于线路绝缘子下端对线路避雷器下端的放电电压。经过试验认为的这一最小距离为35kV/45CM较合适，考虑风偏实际安装时距离应适当加大。

(2)注意线路避雷器承受的负荷

虽然线路避雷器具有一定的抗拉强度，但仍要避免将导线负荷传递到线路避雷器上，考虑在最大风偏下线路避雷器不承担额外负荷。

2．2 降低塔杆接地电阻

输电线路杆塔接地装置通过杆塔或引下线与避雷线相连，其主要作用是将直击于输电线路避雷线上雷击电流引入大地。在雷电冲击电流作用下，接地装置的冲击接地电阻一般低于工频接地电阻。冲击接地电阻因土壤性质、冲击电流峰值与波形、接地装置的几何形状相差很大。常以工频电阻值作为接地设计依据并考虑一定的裕度，实际运行中要求不大于10欧姆。

2．2．1 供电线路塔杆接地电阻

接地系统通常采用放射状接地线来降低接地电阻，适用于土壤条件较好的区域，但对于接地电阻率高的区域效果较差。一般来说，当水平接地体长度增大，电感的影响随之增大。当接地体达到一定长度，增加长度时冲击接地电阻基本不变。

据对山区各种地形及土壤成分分析，主要有岩石层、风化和泥土夹杂碎石层、颗粒较大坚硬的风化岩颗粒层，通常保水性差，接地电阻率高。供电塔杆建在这类地形上，接地电阻大，难于满足雷电释放的要求，从而使线路防雷水平低。

接地网的电阻由以下几部分构成:a．接地引线电阻，与引线几何尺寸和材质相关;b．接地体电阻，与接地体的几何尺寸和材质相关;c．接地体与土壤的接触电阻，与土壤的性质、含水量、土壤与接地体的接触面积及接触紧密程度相关;d．接地体向外扩散电流所经过的路径土壤电阻。接地电阻的构成中，起主要作用的是接地体接触电阻及散流电阻。

2．2．2 降低接地电阻的措施

(1)改变接地极材料

采用非金属模块作接地体材料。原理是接地模块的非金属材料使电阻率相差悬殊的金属与土壤之间形成一变化平缓的低阻区，当雷电流冲击时，可降低接地体、接地线暂态电位梯度，降低跨步电压和接触电压，减少发生反击的机率。模块室温电阻率为0．0013欧·m，埋设地面下60－100cm的深度，模块间用镀锌圆钢连接。该接地模块既能有效降低接地电阻，提高接地效率，亦可保持接地体长期稳定工作。

接地模块用量确定:根据使用接地模块建造接地网的经验，结合山区地形土壤特点，每塔杆使用数量13块，考虑安全裕度确定模块的使用量为每塔杆15块。

(2)接地长效降阻剂

降阻剂降低接地电阻，有三方面的作用:a．把降阻剂施工在接地体周围，降阻剂本身的电阻率很低，这就相当于把接地体尺寸加大，从而降低接地电阻。b．降阻剂增大了接地体与土壤的接触面积，减少了接触电阻。c．在接地体周围的降阻剂，敷设时的液态状降阻剂浆液会在土壤一定范围内渗透，并向外扩散，使渗透区的土壤电阻率降低。

降阻剂以有机高分子材料与强电解质的无机物相混合，加引发剂发生化学变化，生成固液共存状态的硬化树脂凝胶体，不易溶解和流失，具有良好的导电性。降阻剂凝固后形成的凝胶体具有吸水保湿、渗透能力强、高导电性等特点。由于降阻剂具有液体一样的流动性，在施工浇注后，形成一个导通良好的联通体，扩大了模块和周围介质的有效接触区域，使电流能够通畅地泄放入地。

降阻剂用量确定:降阻剂的配套用量为每块接地模块/25KG，25KG降阻剂可以完成4．5延长米浇注，视现场情况每基杆塔用量在350KG－400KG为宜。

(3)施工方法

a．先在杆塔附近布置可以埋设模块的地形，挖出深度0．6～0．8m，宽度0．3m的深沟，将降阻剂调好后浇入沟底作第一次浇注。

b．模块敷设与连接。将接地模块全部浸湿，充分吸水竖直埋设，回填土壤仅留出金属连接头，将金属连接头和镀锌圆钢焊接连接到接地引线。

c．覆盖层及放电区浇注。调和快凝降阻剂，浇注将扁钢和接头全部包裹，待降阻剂凝固后再回填，然后调好缓释降阻剂，浇在回填土上及沟两边，形成良好的导电泄放区。

d．扩大区降阻剂浇注。调好缓释降阻剂，沿沟边下行浇注，通过降阻剂的沉积凝固，将沿途分散的低阻区域连接成一个整体。

高压输电线杆塔接地改造，采用接地模块替代传统接地极，采用降阻剂浇注处理降低山地土壤电阻，通过液态降阻剂的流动产生的渗透扩大地网接触面积。经过改造的地网阻值稳定持久，在实际的施工中也得到验证，杜家村线106、107塔杆原来接地电阻是239欧姆。经过施工改造，接地电阻降为7欧姆，15天后测量结果是4．5欧姆。

3．结论

经过对山西大远煤业矿井两条架空供电线路进行线路避雷器安装及对塔杆接地系统两项改造，经常遭受雷电侵害供电线路避雷水平大大提高，效果良好。经过一年运行，未出现雷电侵害造成停电事故，消除了矿井供电系统一项重大隐患。