高压输电线路防雷方法研究与应用

● 湖南·国网邵阳供电公司 周铁钢

高压输电线路是高压电力网中的重要构成部分，如何保护好高压输电线路，减少因雷击等原因引起跳闸，成为电力系统安全稳定运行的一项重要内容。由于高压输电线路雷击引起跳闸后，不但增加输电线路的检修工作任务，且输电线路上的雷击感应电流还可能沿架空线路侵入变电站及发电厂的出线间隔，破坏电气设备。

由此可见，做好高压输电线路的防雷工作，不但可以减少线路遭受雷击，减少线路雷击跳闸率，提高输电线路本身的供电可靠性，而且是保护变电站及发电厂设备的需要，是保障电力网安全稳定运行的一项重要工作。

1 主要防雷方法及原理分析

根据规程《交流电气装置的过电压和绝缘配合》推荐的计算方法，对减小地线对导线的保护角、降低杆塔的接地电阻、加强线路绝缘、架设耦合地线、安装线路型避雷器等常规的防雷方法进行深入理论分析。通过改变计算公式中的有关参数进行分析，揭示输电线路耐雷水平(雷击跳闸率)与各项参数的关系，为采用合理有效的防雷保护措施提供科学依据。

1.1 架设地线并减小地线对导线的保护角

地线是架空送电线路最基本的防雷措施，在架空线路防雷方面起到重要作用：防止雷电直击于导线；在雷击塔顶时对雷电流有分流作用，减少经过杆塔泄入大地的雷电流，从而降低了塔顶电位；对导线有耦合作用，可降低雷击杆塔时塔头绝缘(绝缘子串和空气间隙)上的电压，对导线还有屏蔽作用，降低导线上的感应过电压。综合以上功能，架设地线可大幅降低线路绝缘承受的电压。

平原地区绕击率定义为：

山区绕击率定义为：

式中，a为保护角度数，ht为杆塔高度。从中可看出，地线保护角与绕击率有直接关系。以常用的SZ251-27型铁塔为例，地线保护角对雷电绕击导线的影响见表1。

从表1中计算数据可得出，当保护角从20°降至0°时，平地的绕击率降低了97.6%，山区的绕击率降低了97.2%，全部降至非常低的水平，线路因雷电绕击导线导致的跳闸将大幅降低。

表1 220kV输电线路地线保护

1.2 降低杆塔的接地电阻

从式（3）可以看出，输电线路杆塔接地电阻Ri越小，雷击杆塔顶时，杆塔的耐雷水平越高。改变公式中杆塔接地电阻的大小，计算杆塔的耐雷水平，可找出两者的变化关系。以SZ251-27型铁塔为例，杆塔的接地电阻与耐雷水平的关系见表2。

表2 220kV输电线路杆塔接地电阻对耐雷水平影响的计算结果

从表2中计算数据可得出，杆塔接地电阻对输电线路耐雷水平的影响很大，输电线路杆塔接地电阻值越大，其线路的耐雷水平越低，当杆塔接地电阻从7Ω升至30Ω时，铁塔耐雷水平降低46.9%。一般说来，雷电流幅值较大时易反击，雷电流幅值较小时易绕击。当冲击接地电阻为30Ω时，线路的耐雷水平为45.9kA，此时小雷电流不仅可以造成绝缘闪络，绕击导线的几率也增大，因此对输电线路极为不利。

接地装置是防雷保护措施中的一个重要组成部分，降低输电线路杆塔的接地电阻仍是目前提高线路耐雷水平的主要措施之一。

1.3 合理选择输电线路的绝缘配合

输电线路绝缘配合要综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的各种电压(工作电压及过电压)、保护装置的特性和设备绝缘对各种作用电压的耐受特性，合理确定设备必要的绝缘水平，以降低设备的造价、维修费用和设备绝缘故障引起的事故损失，达到在经济和安全运行上总体效益最佳的目的。

绝缘配合的最终目的就是确定电气设备的绝缘水平，可用1分钟工频耐压试验来对电气设备进行试验，该数值代表了绝缘对雷电、操作过电压的总的耐受水平，只要设备能通过工频耐压试验，就认为该设备在运行中遇到各种可能放电途径(包括导线对杆塔、导线对地线、导线对地、不同相导线间)的绝缘选择和相互配合的问题。

同塔双回线路因线路走廊占地少，已普遍采用，但因此类线路导线垂直排列，杆塔较高，线路反击耐雷水平一般比同电压等级、导线水平排列的线路要低。此类线路的运行经验表明，它会产生同塔双回线路的绝缘子相继反击的现象，从而造成双回线路同时跳闸。对此类线路在采用通常的防雷措施尚不能满足要求时，可考虑采用不平衡绝缘方式来降低双回路雷击同时跳闸率，以保障一回线路的连续供电。不平衡绝缘的原则是使双回线路的绝缘子串片数有差异，这样雷击时绝缘子串片数少的回路先闪络，闪络后的导线相当于地线，增加了对另一回导线的耦合作用，提高了线路的耐雷水平使之不发生闪络，保障了另一回路的连续供电。不平衡绝缘方式下双回线路同时闪络的概率较目前平衡绝缘方式下有较大降低，杆塔接地电阻较小时，效果更明显。

1.4 架设耦合地线

输电线路架设耦合地线，可加强地线与输电导线之间的耦合，减小作用在线路绝缘上的电位差，而且能起到分流作用，从而提高输电线路的耐雷水平。据试验实测，耦合地线的分流作用为12%～22%，平均17%。架设耦合地线，增加了对导线的耦合系数，增大了它与各相导线之间的耦合系数，减小了等值波阻抗；同时增加分流，使得塔顶电位降低，绝缘子串上电压减小，降低闪络率，从一定程度上提高耐雷水平。架设耦合地线后必须验算杆塔所承受的荷载，在杆塔机械强度允许的情况下，在导线下方架设耦合地线以提高耐雷水平是可行的。

1.5 安装线路型避雷器

在输电线路上安装线路型避雷器有3个主要目的：一是用于雷电活动强烈的地段、某些降低接地电阻有困难地段以及对防雷有特殊要求处，如大跨越段、超高塔段，提高线路的防雷性能；二是沿线路装设线路型避雷器以深度限制沿线的操作过电压水平，一般用在操作电压较高的220kV以上电压等级的线路；三是在线路进变电站构架、发电厂电气装置构架处的终端塔上，以限制雷电过电压入侵电气设备。在以上情况下，线路型避雷器都要随线路遭受雷击时的冲击电流的作用，当雷击避雷线、杆塔和导线时，输电线路采用线路型避雷器虽可大大提高线路的耐雷水平，但线路型避雷器本身也必须承受一定的冲击放电电流和雷电能量的作用。

1.6 装设自动重合闸装置

由于线路绝缘具有自恢复性能，大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸后能够自行消除。因此，安装自动重合闸装置虽然不能提高线路的耐雷水平，但对于降低线路的雷击事故率具有较好的效果。装设线路自动重合闸作为线路防雷的一种有效措施，在线路正常运行中和保证供电可靠性方面发挥了积极作用。同时对瞬时故障要加强巡视、判断，并及时予以查清、处理，防止给线路安全运行遗留隐患。

2 各种防雷方法在电网中的应用

由于湖南山区高压线路雷击跳闸比较严重，经过多年与雷害作斗争，设计和运行单位积累了不少经验。一般线路采取上述防雷措施中的2种或3种即可，特殊线路或特殊地段，需针对不同环境条件采取组合措施进行防雷设计。在输电线路设计阶段即同步进行防雷设计，综合采用上述措施，新建线路的雷击跳闸率是比较低的。对旧线路，通过技术改造，增加防雷设计，采取综合防雷措施，雷击跳闸率得到大幅降低。

根据现场雷击跳闸的具体情况，经综合分析，主要采取了以下4种措施进行综合防雷设计：（1）架设耦合地线；（2）全线更换绝缘子，提高线路的绝缘水平。比如直线塔更换新型合成绝缘子，耐张塔更换为玻璃绝缘子涂RTV，提高线路的绝缘水平；（3）装设线路避雷器；（4）降低山区杆塔的接地电阻，采取引外接地、增加降阻剂等措施。采取了以上措施后，输电线路至今没有发生雷击跳闸事故，取得的效果非常好。

3 结束语

在选择输电线路的防雷方法时，应按照线路沿线各区域的雷电活动情况、输电线路的绝缘情况、有无自动重合闸或备自投装置、负荷的重要程度等条件来综合考虑，并按照技术经济比较的结果选择最佳保护方案。目前，我国输电线路的防雷设计基本上使用运行经验较多的传统设计方法，如合理选择线路路径、架设地线、降低杆塔接地电阻、安装避雷器提高线路整体绝缘水平等方法，这几种方法在目前的输电线路防雷设计中运用得非常多，效果也比较好。除此之外，还可以通过不平衡绝缘、架设耦合地线、选择绝缘配合等方法来提高线路的防雷性能。必须结合输电线路的实际情况，做出有针对性、先进的、符合实际的设计，还要将当前防雷的新技术、新工艺、新设备引入电力系统中，以提高输电线路防雷的科技水平。