山区输电线路雷电灾害防御体系建设研究与应用

◎谢刚 李毅 左涛

引言：输电线路是电网安全运行的重要组成部分。输电线路的运行状况决定着输电效果，影响着供电效率。雷击后的输电线路在短时间内电流会迅速增加，超过线路原有负荷范围，造成线路短路、燃烧等问题，影响电能传输效果。尽管我国电力产业在市场不断发展中呈现一种新的发展趋势，但在对其的深度调查中发现，其运行受到电力雷击现象的影响属于一种随机行为，是无法预测或直接规避的，只能在供电过程中，采取有效的措施，对此种现象进行预防，从而降低雷击现象的发生概率，当雷害事故一旦发生，对于通电线路以及各类输电设施而言，都会造成严重危害，最终导致周围供电中断，甚至出现严重的火灾事故和触电事故。

一、输电线路雷击效应

架空配电线架设时为了节省空间，往往会沿着输电线路走廊以并行的形式进行架设，但是其产生的交变磁场会导致线路出现过电压，进而导致线路跳闸。外加大部分输电线路架设于空旷地带，例如郊区等，相较于城镇建筑较为密集的地区，雷电活动也较为强烈，进而导致线路雷击跳闸频率增加。为更好地研究周边输电线路对10k V 配网雷击跳闸的影响，应明确线路电气的几何模型原理。所谓电气几何模型，主要是指一种几何分析模型，该模型对引雷范围进行计算，进而保证输电线路和配电网的合理布设。该模型的核心原理是结合雷电的放电特性和线路的结构尺寸，雷击距理论的主要因素是被击物高度和雷电流幅值大小。雷击距对三方面的受雷范围造成影响，也决定了其相对引雷能力，即避雷线、导线以及大地。在雷击距理论的角度下，输电线路引雷范围在不考虑地面倾角影响下，需要根据导线雷击距和地面雷击距的交汇点，进行该点雷电流幅值的临界值得出计算。

二、雷电对输电线路的危害

雷电是强对流行天气引发的一种灾害，主要的特点包括：发展迅速、影响范围广、灾害形式多样等，这就给灾害的提前预警增加了难度。雷电对输电线路的影响体现在以下两个方面。1.如果塔被雷击，将形成导线，这将对塔中的传输设备和导线产生不利影响。严重时会导致电线自燃，整个输配电系统瘫痪，大面积停电。如果电流强度超过一定限值，将影响电源设备的独立维修功能，相关人员必须通过更换线路设备恢复供电。这不仅增加了线路设备的维护难度，也增加了线路设备的维护成本。2.输电线路遭受雷击时会产生过电压，导致线路和设备的绝缘性能因电压超限而损坏。一方面会造成大规模停电，影响人们的正常生产和生活；另一方面也会增加公众生命安全隐患。因此，重视输电线路的防雷保护对整个电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

三、输电线路引发雷击的原因

1.配电线路的安装问题。

在对配电线路和避雷器设备进行安装搭建时，施工人员并没有对其进行科学合理的设计，造成从源头预防雷击损害的工作不到位，进而导致后期遭受雷击损害的机会增加。并且在实际电力作业中配电线路的架设也存在着严重的安全隐患。由于部分地区的气候问题和地质条件相较特殊，在对配电线路进行安装时应选择适合本地区的铺设方式，但是由于施工人员受到规章制度的约束，在安装时依旧采取统一的方法，造成配电线路避雷器使用不当，进而影响了配电线路的雷电防护功能，导致雷击概率增加。

2.复杂地形。

对于山区、沿海等地区，地形结构十分复杂。在铺设输电线路时，往往受到地形、气候和环境的影响，增加了问题的发生率。雷击是此类环境条件下最常见的情况，破坏性大，维护难度高，对输电系统构成严重威胁。具体而言，不良后果主要体现在以下三个方面。（1）深谷。这类区域气流运动复杂，受雷电影响范围大。此外，如果没有相应的保护屏障，很难维持输电线路的安全运行，容易增加事故发生率。这是因为该区域的开放空间面积大，暴露在外的弧长长长，因此容易引起闪电注意，增加空气运动中的雷击概率。（2）倾斜的山坡。由于上坡区绕组少，下坡段导线过长，虽然目的是为了增强保护效果，但山上绕组仍缺乏科学保证，绕组频率将逐渐增加，雷击次数将增加，影响线路的安全运行。（3）沿海地区。沿海地区的空气中含有大量的盐，这很容易引起雷击事故。

四、防雷措施

1.减小避雷线保护角。

避雷线保护角是指避雷线与外侧导线间的连接以及和垂直线的夹角。保护角越小，避雷器的作用便越大并且对导线的保护性越高。以下对减小避雷线保护角做出了叙述：（1）在保持避雷线和导线高度不变的同时，以缩小它们之间的横向距离，来减小保护角。（2）通过降低导线的挂线点来减小保护角，在保证避雷线的高度不发生变化的前提下，来增加绝缘子串的使用量，以此来加长绝缘子的长度。这种方法不仅有效达到减小保护角的目的，同时还提高了配电线路的耐受电压，增强了配电线路的耐雷性。（3）与之前方法相反，最后一种方法是在维持导线高度不变的情况，通过增加避雷线的高度（既是对杆塔结构进行加高）以此来减小保护角。但由于这种方法操作起来较为复杂，通常应用机会较少。一般来说，保护角越小，保护性越高。经多地实践证明，保护角小的杆塔用电稳定不易跳闸。并且由于此技术成效显著，目前已被广泛应用到相关线路的防雷工作中。

2.架设避雷线或耦合地线。

避雷针和耦合地线是最常用的防雷设备。避雷针安装在上相导线1.5m 以上，耦合地线安装在下相导线1.5m 以下。Gj-25钢绞线可用于这两种用途。通过对线路雷击跳闸率的分析可知：（1）架设避雷线的防雷效果优于耦合地线，耦合地线对直击雷跳闸影响不大；（2）两者都能有效降低后续雷击引起的跳闸率。避雷针的安装应结合线路的实际情况，考虑周围地质条件和避雷针的安装角度，以降低线路被雷击绕线的概率。与不合理的架设方式相比，合理架设的避雷线的防雷能力可大大提高，并能更好地将直击雷引至地面。

3.减小接地电阻。

在配电网的实际运行中，控制雷击跳闸的方法有很多，包括降低线路的接地电阻。由于10kV 配电网的雷击跳闸是由感应雷引起的，降低接地电阻可以有效地释放雷击波的冲击，并在雷击点落在附近地面时减少杆塔点，避免10kV 配电网在雷电波地面反击影响下跳闸。此外，还可架设避雷针，以便在雷击影响下导线绝缘子两端电压降低时，提前感应避雷针，提高10kV 配电网的防雷水平。另外，通过增加保护间隙，可以通过大量计算掌握绝缘子在雷电冲击下的间隙距离。在此基础上，可通过绝缘子旁的金属点电极形成低于串联电压的放电现象，从而实现对绝缘子的保护，避免雷击闪络造成的损坏和断开事故。值得注意的是，该方法主要用于具有一定跳闸率的10kV 配电网。

4.合理使用防雷型绝缘子。

相对于普通绝缘子，防雷型绝缘子增加了左、右两个电极，一个电极位于导线端，是高电位；另一个电极位于杆塔端，是低电位，两电极之间形成一个间隙作为雷击闪络通道和电弧放电通道。当线路受到直击雷击或者感应雷击时，由于空气空隙的伏秒特性曲线在绝缘子伏秒性质曲线以下，绝缘子左、右两端电极提供的空间间隙能够在绝缘子闪络之前先动作放电，从而建立雷电闪络通道；在此通道上建立起来的工频电弧短路电流，其弧根只能固定在通道两端的高、低压电极上，而不会流窜到导线，从而避免烧断导线。

5.提高线路绝缘性能。

（1）对10k V 配电网上的绝缘子进行更换，选用更耐电压冲击的绝缘子。对于10k V 配电网而言，绝缘子是有效降低雷击跳闸率的部件，所以，为减少周边输电线路对10k V 配电网雷击跳闸的不良影响，可以使用瓷横担绝缘子替代针式绝缘体，从而降低雷击跳闸率。此外，还可以适当增加瓷横担绝缘子的绝缘长度，进一步降低因雷击带来的跳闸概率。（2）对绝缘配置方式进行更新，采用不平衡的配置方式。在10k V 配电网中，雷击跳闸产生的主要原因就是感应雷，所以，应对双回同时跳闸的概率进行降低，不平衡绝缘配置方式就是有效方法。而且，在此过程中，尽量拉大两种绝缘子在雷电冲击电压耐受性能方面的差距，否则防雷效果会受到影响。（3）使用绝缘塔头或是绝缘横担。相较于铁横担，应尽量使用绝缘体，所以，可以通过绝缘横担的替换应用提高线路绝缘水平，同时，绝缘横担还具有良好性能，能够满足机械和耐污等性能的要求。值得注意的是，应对雷电波传播线路的终端提高注意，避免频繁使用避雷器。

6.自动重合闸的设置。

自动重合闸保护的科学整定，可以在首次发现异常电流或电压时做好停电保护，从而减少雷电对输电线路的影响，维护输电线路的安全，减少损失和危险的发生。目前，我国现有的自动重合闸主要由单相装置、三相装置、综合装置和失活装置组成。输电线路受雷击影响后，自动重合闸的继电保护将立即开启，实现雷击区段线路的闭合，以保证输电线路的整体质量，并通过停电的方式保证电能在其他区段的传输。输电线路发生雷击停电的概率很高，瞬时停电和自动重合闸的瞬时链路技术需要改进，这需要专业人员继续进行研究，以优化自动重合闸的技术水平，充分发挥其工作优势维护输电线路安全运行。

7.做好防雷设施维护。

配电线路运维人员应按照供电企业的维护标准，对线路范围内的防雷设施进行定时巡视及维护，及时发现设备的缺陷和隐患并安排处理。与此同时，需要加强一线运维人员的能力培训及考核，提高技术水平，防止发生巡维不到位的情况。技术管理部门要合理安排配电线路检修周期，按时完成防雷设施的预防性试验，及时发现绝缘、耐压等性能异常的防雷设施，并做好备品备件管理，保证损坏的设施可迅速更换。

8.做好防雷技术服务工作。

气象部门需要向各区域的人民群众普及和防雷有关的知识，做好宣传工作，尤其是要做好防雷安全知识和法律法规的宣传，利用电视、广播和互联网等新兴媒体，通过短片、宣传手册的方式大范围的宣传。要让广大群众认识并且掌握先进的防雷。同时，还要提升法律意识，感受到法律的权威性，严格的遵守法律的有关规定，不能触犯法律，要推动气象防雷工作的有序开展。对政策环境进行优化，支持市场主体依法展开市场竞争，并完善防雷技术的合作，要做好雷电灾害的风险评估技术服务水平，将服务短板补齐，提升服务水平，从根本上提高供给能力。要定期的组织工作人员培训，开展交流活动，及时沟通工作中存在的问题，找到问题的解决方案，将工作经验及时的进行交流分享，帮助大家共同进步，在条件允许的情况下，可以组织人员外出培训，学习了先进的技术后，回单位组织更多的人学习，大家通力合作，提高防雷的技术水平。

五、雷电灾害防御体系

1.雷击风险预警功能。

输电线路雷电灾害预防系统是利用计算机技术实现输电线路雷电闪络风险预警的系统。其物理结构主要包括子站、通信模块、计算模块、软件模块、数据库模块、网络通信和协议模块。雷电定位子站用于实时监测大气中的电场数据和雷电位置数据；计算模块用于对雷电数据和线路台账进行统计分析，定义预警级别和风险概率，并将分析数据存储到数据库模块中；软件模块用于部署客户端软件，主动推送和被动查询相应的雷电预警信息。闪电发生时，会产生强烈的光信号、声信号和电磁辐射信号。由于雷电电磁辐射信号主要沿地表低频传播，能量较大时，其传播范围可达数百公里以上，最适合大规模监测。雷电风险预警计算是在分析输电线路雷电活动规律和雷击原理的基础上，将电场强度、雷电位置等监测数据与线路台账信息进行关联，实现输电线路雷电闪络风险预警。

2.定期巡检。

由于避雷器工作环境的特殊性，电力部门在其日常工作时，应加强对避雷器的定期巡检。利用常见的红外热像诊断法，能快速判断出，避雷器内部是否存在电热场或阀片受潮的现象。当避雷器内部的温度差接近10 时，就必须停电检查并对其进行测试。同时还需检查地下连接部位的器件是否存在腐蚀现象，避免雷击电流因接地电阻值减小不能快速流入大地，防止避雷器因受到残余电流的冲击而被损坏。对避雷器的外观也应及时更换，防止出现闪络、破损等情况。另外，电网检修人员必须拥有专业的检修能力，掌握熟练的电力检修知识及避雷器故障的处理方法，确保在发生问题时，能及时处理好故障，以保证配电线路的正常运行。

3.差异化防雷评估功能。

输电线路差异化防雷评估系统，基于线路雷击数量、线路形态和地理位置差异，进行输电线路雷电活动分析，评估线路全线每基杆塔雷击跳闸率，提出差异化防雷措施，指导新建线路防雷设计和在运线路防雷改造，实现有针对性的单基“建模—评估—治理”。

结束语：综上所述，随着输电线路覆盖范围的增加，对防雷的要求也越来越高。在输电线路设计中，设计人员应根据地质环境和线路敷设要求进行综合分析和思考，选择合适的线路防雷技术和设备，提高输电线路的防雷效果，减少雷电对输电线路的影响，实现电能的稳定传输，提高供电质量。在具体分析中，应注意配电系统防雷接地的复杂性和特殊性。在项目建设的全过程中，每个环节都要投入人力物力作为支撑。有些情况需要改进和调整。根据不同地区，某些规格也有所不同。电网部门在开展具体工作的过程中，应制定规划和防护措施，因地制宜进行合理规划，提高电网线路的性能，同时建立雷电灾害防御预警体系，发挥雷电预警效益最大化，与雷电防护措施结合，共同提高输电线路雷电防护水平。