输电线路雷电防护技术研究

杨国峰 张帅 张文瀚

摘 要：雷击事故威胁电力系统的安全稳定运行，为此，应逐基杆塔建立微地形特性，结合雷电参数的地域特性，综合评估线路的防雷特性和防雷措施的有效性，保障输电线路的安全运行。

关键词：输电线路 雷电防护措施 线路避雷器

1.线路防雷措施的决定因素

输电线路遭雷击闪络时，经自动重合闸装置消除工频续流后继续运行。只有自动重合闸无法消除的永久性故障时线路才退出运行。输电线路采用哪一类防雷措施主要是由电力运行部门对雷害事故的核方式决定的。我国目前考核的是雷击闪络率。而欧美、日本等国际上大多数国家考核的都是雷击故障率。因此，由于考核方式的不同，我国的防雷措施的出发点是尽量不让线路雷击闪络，即采用“阻塞型”方法。虽然雷击闪络后我国也是经自动重合闸装置来排除闪络故障，但绝缘子表面在工频电弧作用下会发生烧蚀。因此，每次雷击闪络后需要派线路工寻线来查找烧损的绝缘子。而国外采用的是“疏导型”方法，即允许线路雷击闪络，闪络后经自动重合闸排除闪络故障，由于工频电弧一般被引导到与绝缘子并联的保护间隙燃烧，而绝缘子表面基本不会有烧伤，因此一般不用巡线来查找烧损的绝缘子。

2.“阻塞型”防雷方法

“阻塞型”方法的主要措施包括：安装避雷线和耦合地线；提高线路绝缘水平；双回输电线路采用不平衡绝缘；降低杆塔接地电阻；安装线路避雷器等。

2.1安装避雷线、耦合地线、避雷针

安装避雷线、避雷针，其作用相当于撑起了一把防雷的伞。降低杆塔接地电阻有困难时，在导线下方架设一条接地线（耦合地线），耦合地线既具有分流作用，又加强了避雷线对导线的耦合。目前，有单位在线路上加装普通及非常规避雷针，增加了线路的引雷效率，对于500 kV以下电压等级的线路可能会增加线路雷击闪络率。

目前国内已开始在避雷线上隔一定距离安装水平侧针来减少线路的雷电绕击事故。其基本出发点是以期通过侧针对雷电的吸引作用来减少雷击导线的概率。但从物理概念出发，如果侧针过短，雷电下行先导产生时，侧针强烈的电晕产生的电荷“笼罩”在避雷线和侧针附近，从而抑制了从避雷线产生的迎面先导，而导线上迎面先导并没有太大的变化，这相当于“增强”了导线上的迎面先导，从而导致线路雷电绕击概率增加。因此，避雷线上安装的水平侧针存在一个临界长度，只有当水平侧针超过此临界长度时，侧针电晕产生的电荷才不会抑制侧针产生迎面先导的效果，从而加强从避雷线上产生的迎面先导，实现对雷电的“拦截”作用，但由于侧针附近避雷线容易疲劳断裂，影响线路安全，故此方式已被淘汰。

2.2提高线路绝缘水平

提高线路绝缘水平相当于筑高线路防雷的“堤坝”。如我国过去就对输电线路进行过调爬，110kV输电线路从原来的7片绝缘子调整到现在的8片绝缘子，500kV线路从原来的25片绝缘子，调整为现在的27片、28片。这当然对于减少污闪有显著效果，但客观上也起到增强线路防雷性能的作用。

2.3杆塔接地技术

降低杆塔接地电阻的功能相当于疏通雷电流入地的通道。接地装置在雷电流作用下，存在电感效应和火花效应，电感效应导致阻抗增加，而火化效应导致阻抗降低。降低杆塔接地电阻应该降低的是冲击接地电阻，一般来说，接地装置的冲击接地电阻低于工频接地电阻。但我国经常出现工频接地电阻很低的杆塔而雷击闪络事故频繁的现象。其原因是，在一些高土壤电阻率地区采用较长的水平伸长接地体可以有效降低工频接地电阻，但由于接地体具有雷电冲击有效长度，冲击接地电阻却不会随之降低。

2.4双回输电线路采用不平衡绝缘

双回输电线路采用不平衡绝缘，低绝缘水平的一回线路在雷击时将率先闪络来保护另一回线路，这相当于为一回输电线路提供了一个泄散雷电流的“泄洪区”。过去日本的不平衡绝缘线路采用降低一回线路的绝缘水平的差绝缘方式，结果导致线路总体雷击闪络率增加，目前我国采用的是加强一回线路绝缘水平的方式。

2.5安装线路避雷器

线路避雷器与绝缘子串并联并不能限制线路杆塔电位，其工作的基本原理是雷击避雷线或塔顶时，一部分雷电流通过避雷器流入相导线，导致相导线的电位升高，达到“水涨船高”的目的，这样绝缘子串两端的电位降低，不会发生闪络。运行经验表明，线路避雷器可达到100%防止被保护线段雷击闪络的效果，要消除线路雷击闪络，需要在易击段每个杆塔上安装线路避雷器，如日本就在某500kV线路上全线安装了线路避雷器。线路避雷器最早由美国AEP和GE公司于1982年10月在138kV线路上安装了75只，结构上采用环氧玻璃筒包裹ZnO阀片，筒外套上橡胶裙套。日本1986年5月开始在Kansai电力公司雷电活动严重地区的输电线路上安装线路避雷器。安装线路避雷器后，被保护线路没有出现任何雷击闪络事故，而同塔双回没有安装避雷器的线路侧则仍有雷击故障出现。由于线路避雷器的良好效果，日本认为安装避雷器是防止线路故障最有效的措施，进一步在其他线路上推广。到1999年已有不同电压等级的47 000多只线路避雷器在运行中，其中99%带串联外间隙，在各种电压等级的线路上都有成功动作的记录。

3.“疏导型”防雷方法

所谓“疏导型”防雷方法是指在绝缘子串上并联保护间隙（在绝缘子串两端并联的一对金属电极，又称招弧角或引弧角）。当架空线路遭受雷击时，并联间隙因冲击放电电压低于绝缘子串的放电电压，故首先放电，随后产生工频短路电弧。

3.1并联保护间隙在我国应用存在的问题

在架空输电线路上安装并联保护间隙，为了确保雷击时放电在间隙处发生，需要间隙长度小于绝缘子串的长度，即并联间隙会短接部分绝缘子，从而造成线路绝缘水平降低。因此，为了保证安装并联间隙后绝缘水平不降低，需要增加绝缘子串的长度。国外由于采用并联间隙防雷方式，一般采用比我国更多的绝缘子，并且其绝缘配合规程也都涵盖了并联间隙的因素。而目前我国架空输电线路上并未安装并联间隙装置，如果直接照搬国外并联间隙设计经验，则会造成绝缘子串短接较多，绝缘水平降低，导致线路的雷击跳闸率增加。而目前我国不大可能增加线路绝缘子的片数来安装并联放电间隙，因为增加绝缘子片数一则对于已有输电线路是不现实的，二则会导致我国现有的绝缘配合规程的改变，三则会导致输电线路建设费用增加。因此，目前在我国输电线路上安装并联间隙必须基于目前输电线路的绝缘子配置，并联间隙的长度须与绝缘子串长度基本接近。

3.2防雷保护间隙的优化设计

架空线路绝缘子串表面产生的工频短路电弧属于在空气中自由燃烧的长间隙交流电弧，其从绝缘子串表面沿着并联间隙电极运动的过程是一个复杂的物理现象。近年来，清华大学与中国电力科学研究院合作，通过观察试验拍摄得到的长间隙交流电弧运动过程的图像，从物理规律上揭示了长间隙交流电弧的运动特性，并給予物理解释。结合多种物理理论，建立了长间隙交流电弧的空间模型、时间模型和运动仿真模型以及长间隙交流电弧的运动仿真流程，从而建立了长间隙交流电弧的运动仿真方法，可实现对满足我国目前绝缘子结构的并联间隙结构进行优化设计。

结束语：

防雷分析及防雷措施的选择是一项“细致活”，应逐基杆塔建立微地形特性，结合雷电参数的地域特性，综合评估线路的防雷特性和防雷措施的有效性。因地制宜，提出不同区域线段的防雷措施。

参考文献：

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