彭水山区架空输电线路防雷研究

(国网重庆市电力公司 彭水县供电分公司，重庆 409600)

彭水县位于渝东南乌江流域，面积3 905.22 km2，其各类地貌中山地占86.91%，其余地形以丘陵、河谷为主。特殊的地质、地形和频繁的雷电活动，使得线路的雷击跳闸率远高于其他类型的跳闸率。2013—2017年彭水发生各类跳闸165起，其中雷击跳闸131起，占跳闸总数的79.4%。结合雷击对输电线路的危害及山区防雷工作难以开展的特点，本文探讨了彭水山区的防雷对策，为彭水及周边山区的防雷工作提供有工程应用意义的思路。

1 架空输电线路雷击跳闸情况

1.1 彭水输电线路网络情况

彭水有35～110 kV输电线路共39回、685.4 km，其中110 kV线路15回、304.1 km，35 kV线路24回、381.3 km。

1.2 彭水地区雷害情况

彭水地区近5年全年平均雷暴日90天，年均雷暴时长283.6 h，平均地闪密度1.516次/(km2·年)。山区由于其特殊的地形和较大的高差，使得输电线路的雷击率远大于丘陵、平原等地区，再加上山区土壤电阻率高，造成输电线路接地通道环境差，进而使得反击跳闸率也远大于其他地区。2013—2017年，彭水输电线路共发生因雷击跳闸的事件131起，具体情况见图1。

由图1可以看出，在2013—2017年这5年时间内，由于所有线路都架设了避雷线，所以未发生过由雷电直击引起跳闸的事件。输电线路跳闸的原因主要还是以雷电绕过避雷线击中输电设备为主，此类原因引起的跳闸占雷击跳闸总数的72.5%，其余均是由反击引起的跳闸。对2013—2017年雷击跳闸时间分布的统计见图2。

图1 彭水地区35～110 kV输电线路雷击跳闸情况

图2 35～110 kV输电线路雷击跳闸按月统计表

从图2不难看出，彭水地区跳闸基本从3月开始，在4月达到上半年的顶峰，5月及6月略呈下降趋势，7月及8月进入夏季多雷暴天气，跳闸次数达到全年顶峰，在步入9月后雷击跳闸次数会骤减(2017年大气情况特殊，雷击跳闸的次数的变化趋势与其他年份不一致)，至10月后极少出现雷击引起的跳闸。

2 雷电易击区段分析

2.1 易击区段和地形的关系

山区普遍海拔高度大，高差大，气候复杂，极易形成局部气候。山区地形多变，十分容易形成强对流天气，这就会造成雷暴的产生[1]。而且，山区杆塔遭受雷击的次数比平原和丘陵遭受雷击的次数多很多[2]。山区主要地形见图3。

图3 山区的几种常见地形

由于彭水山区多山坡，少山脊，且35～110 kV线路也未架设在山脊上，因此本文暂未考虑b、f、h这3种地形。而剩下的几种地形，可依据杆塔的位置不同而分为地处山顶、地处山坡、爬坡走向这3种情况。相关实验表明[3]，地处山顶的输电线路绕击跳闸率最高，其次是地处山坡的线路，前者的跳闸率约为后者的2倍。由于爬坡线路的线路走向与山坡基本平行，所以大地对导线的屏蔽效果良好，这使得位于爬坡区段的输电线路跳闸率相比前两者要低很多[4]。

2.2 易击区段与土壤电阻率的关系

雷击的选择点会因土质的不同而产生差异，其原因是在雷电的先导放电阶段，电荷会有限选择电阻率较小的通道进行流动，这就造成了雷击选择点往往是在土壤电阻率较低的地方，相关统计也证实了这一点[5]。

电阻率ρ与雷电冲击电流幅值IM(下电极测得)的关系见图4[6]。

ρ/(Ω·m)图4 土壤电阻率与雷电冲击电流幅值关系曲线

由此曲线不难看出，在土壤电阻率低的地方发生雷击时，其放电电流将会很大，相应的感应过电压也会很高，容易对输电设备造成危害。而在土壤电阻率高的地方发生雷击时，其放电电流相对较小，主要表现为持续的放电，对输电设备危害也较小。

2.3 易击区段与杆塔高度的关系

在雷电的放电先导通道形成前，会有一个产生感应电荷的阶段，即雷云或下行先导在靠近地面或建筑物时，地面或地表建筑上会产生大量电荷，且电荷会向雷云或下行先导方向集中，其极性与雷云或下行先导的极性相反[7]。

输电线路杆塔是与大地直接相连的良导体，且杆塔凸出在地表上，杆塔高度越高，地面对其的屏蔽效应越差，当雷云靠近时，杆塔顶端的电荷聚集值达到附近最高水平，先导下行在尚未到达地面时，先与杆塔的感应电荷产生相互作用力，在落雷时，此电场力会吸引雷电流击中杆塔或向杆塔方向运动，此时就有可能发生雷击杆塔引起的反击或雷击导线的绕击。而且杆塔高度越高，引雷半径也越大，其受到的直接雷击概率和绕击导线的概率都会增加。还有，在发生雷击杆塔塔顶后，雷电流泄流引起的负反射波返回塔顶的时间变长，此时塔头的电位升高，容易击穿绝缘子发生闪络，引起跳闸[8]。

3 存在的问题和采取的主要防雷措施

3.1 架设避雷线和减小其保护角

架设避雷线是输电线路常规防雷手段之一，能有效避免直击雷击中导线的风险，在线路防雷中起着无可替代的作用。避雷线的防雷水平和其地线保护角息息相关，通常认为，在塔形一定的情况下，其设计值越小，保护效果越大。在彭水山区，复杂地形可能造成避雷线保护角增大，这就增加了输电线路受到绕击的可能性。进行避雷线改造的缺点明显，地线的保护角在线路架设后更改困难，若强行更改会涉及杆塔结构及相关附属设施改造，经济和时间成本非常大。

3.2 提高线路绝缘水平

提高线路的绝缘水平最常用方法为增加绝缘子片数，这能使绝缘子串的50%冲击放电电压增大，反击耐雷水平显著提高[9]。这种方法具有成本低、防雷水平明显等优点，但是缺点也十分明显：一是绕击防雷水平并没得到改善，二是绝缘子片数增加会影响带电体的电气距离和弧垂，杆塔受力、金具应力也发生变化，调整起来十分烦琐。

3.3 降低接地电阻

接地电阻值是影响杆塔反击耐雷水平的一个重要参数，在杆塔受到雷击时，接地电阻越小，其泄流通道越顺畅[10]。发生雷击后，杆塔塔顶电位的上升幅值也会变小，塔顶与导线间的最大电位差小于U50%，这样就有效避免了绝缘子表面发生闪络而引发反击跳闸。

接地电阻改善具有实施方便、不停电等优点，是彭水地区最主要的防雷措施。但彭水地区地处武陵山脉，接地通道以岩石、细砂为主，土壤层很薄，土壤电阻率大多数在2 000 Ω·m以上，接地通道敷设困难，且施工单位在施工过程中易出现接地体埋深不够和回填土壤不达标等情况。此外，由于输电线路大多架设在斜坡上，架设过程造成杆塔基础部分植被缺失，加上土壤层很薄，在大雨、大风等天气后易造成土壤层缺失，致使部分接地体外露，使得防雷水平进一步恶化。现抽查2017年检测的110 kV线路的24基接地电阻不合格杆塔，其不合格原因构成如表1所示。

表1 接地电阻不合格原因统计

3.4 安装避雷器

彭水山区安装的避雷器一般都是与绝缘子串并联的金属氧化物避雷器。在雷击塔顶时，由于避雷器具有良好的伏秒特性，其会在绝缘子发生闪络前动作，从而避免绝缘子受到损害[11]，但是这种避雷器的价格较为昂贵，且运维、检测烦琐，故不适合大规模加设。彭水境内的线路避雷器主要架设在落雷密度高且线路雷击次数多的地方。

3.5 安装并联保护间隙

雷击跳闸发生后，因闪络大多发生在绝缘子串上，所以绝缘子串是雷害中最容易受损的部件。若绝缘子串在雷击中发生永久性故障，线路就会跳闸且重合闸不成功，这就造成线路停运，引起巨大的经济损失。并联保护间隙是保护绝缘子串不受损伤的重要器件，它能在受到雷击时先于被保护的绝缘子串放电，使其免受雷电流的伤害。由于这种方法是配合重合闸避免失电的“疏通型”防雷方法，所以它并不能起到避免和减少跳闸的作用。

4 典型防雷措施及其效果评估

彭水山区主要防雷措施存在的缺陷，由于架设的避雷线是10余年前完成的，数据不完善；提升绝缘水平方法运用不多，且运用点分散在多线路，效果不突出；并联间隙是采取的新技术，尚没有数据积累。所以暂不对以上3种措施进行评估，本次对最常采用的、效果较明显的通过改善接地电阻和安装避雷器来进行防雷的措施开展评估。

改善接地电阻的效果评估：110 kV东田线是彭水公司运维线路，始于110 kV东门变电站，终于110 kV新田变电站，全长19.255 km，共有杆塔46基。相关情况见表2，2013—2017年跳闸情况见表3。

表2 110 kV东田线相关情况

表3 110 kV东田线2013—2017跳闸情况

可以看出，2013—2016年4年间，110 kV东田线跳闸7次，其中绕击引发的跳闸事件3次、反击4次，发生反击的杆塔接地电阻不合格率为66.67%。

2016年10月开展110 kV东田线防雷大修工程，对接地电阻不合格或偏大的10#、14#、28#、40#等25基杆塔进行接地网改造。改造后2017年1月至2018年5月，110 kV东田线因雷击引发跳闸0次，证明接地电阻改造在防雷工作中效果显著。

安装避雷器的效果评估：35 kV东龙线是彭水公司运维线路，其始于110 kV东门变电站，终于35 kV龙射变电站，全长29.608 km，共有杆塔145基。相关情况见表4，2013—2017年跳闸情况见表5。

表4 35 kV东龙线相关情况

表5 35 kV东龙线2013—2016跳闸情况

2013—2015年35 kV东龙线雷击跳闸4次，其中绕击3次，反击1次。通过雷电定位系统查询其35#、61#、81#、141#杆塔处于雷电密度较大区段，于2016年2月及3月，分别在1#、35#、38#、61#、81#、141#等6处杆塔三相安装氧化锌避雷器共计18支。避雷器安装后，2016—2017年，35 kV东龙线实现线路零雷击跳闸，避雷器防雷效果好。

5 结论

随着地区经济发展，社会生活和生产对供电的稳定性、可靠性的要求也更高，雷击是影响山区主干输电网络安全的一个主要因素。本文分析了彭水山区线路防雷工作的现状，并总结如下。

1)防雷改造不能盲目地开展。防雷改造应与运行实际、雷电系统、科学计算相结合，确定线路的易击区段，有针对地优先对多雷杆塔、区段进行防雷整治，并因地制宜，实行差异化防雷。

2)减小避雷线保护角和提高线路绝缘水平等防雷方法，尽可能在线路设计施工阶段就执行，后期运维过程中再进行修改，涉及的部件很多，实施难度大。

3)根据相关的运维经验及效果评估分析，彭水及周围山区的防雷工作可以采取以改善接地电阻为主，装设避雷器为辅的方法。对全线的接地电阻定期进行测量，及时整治不合格的接地电阻，并根据易击区段安装线路避雷器，这样能有效地降低雷击跳闸率。

4)安装并联间隙是“疏通型”的防雷方法，虽然不能降低雷击跳闸率，但是能有效地提高重合闸成功率和减少绝缘子雷击损坏事故发生。在试点的数据累积后，可在特定条件下小范围内谨慎推广。

防雷工作的开展不能盲目地照搬、嫁接，差异化防雷势在必行，不同的条件用不同的对策，才能更好地避免事故的发生和资源的浪费。本文通过对彭水山区的防雷工作进行分析，得出了一些结论，但还不够完善，今后还需大量的数据和试验来进行进一步的研究。