电力系统220kV输电线路综合防雷技术研究

广东省恩平市气象局 翟玉泰 江门市气象局 于东海 远华电气技术（深圳）有限公司 罗佳俊

1 引言

220kV 输电线路可能会发生直击雷和感应雷的危害，因为是高压线路的原因，线路绝缘配置高，感应雷的故障发生概率变小，多为直击雷故障。但是无论是哪种类型雷击，发生雷击情况就会产生非常严重的高热效应，以及产生非常强的高压效应，还会产生静电感应以及电磁感应现象，都会严重危害输电线路以及相关设备，如果发生线路断裂、跳闸的问题，会影响居民用电需求，给社会带来不必要的影响，因此必须要做好防雷工作，多措并举，切实提升线路雷电防护的有效性，减少雷击的概率，意义重大。

2 雷电对输电线路伤害类型以及严重危害

2.1 雷击伤害类型

雷电是一种常见的自然现象，而220kV 输电线路在我国分布非常广泛，因为输电线路，线路杆塔由电阻小的金属材料构成，雷电往往是朝着电阻小的线路走，并且雷电和输电线路可能会有电磁感应，这导致雷电击打输电线路的可能性提升，也就需要动用相应的措施，来降低雷击的概率。对于雷击伤害来说，主要有两种，一种是直击雷，另一种是感应雷[1]。直击雷，顾名思义就是雷电直接击打在线路杆塔上，对线路杆塔造成破坏，直击雷按伤害类型也可分为反击故障和绕击故障。反击故障指的是，直击雷击打在线路杆塔上，产生强大的电效应，击穿线路绝缘，发生线路跳闸，而绕击故障则指的是，雷电避开避雷线直接击打在导线上，这也就意味着避雷线的屏蔽作用失效了。而感应雷则指的是没有直接集中线路杆塔，而是击中了线路杆塔周围的地面，瞬间会产生强大的感应电压，感应电压对线路杆塔造成了严重的伤害，击穿了线路绝缘层。

2.2 雷击线路杆塔严重危害

雷电击打在线路杆塔上，会造成严重的危害，主要危害有高热效应、高压效应以及电磁感应等三个方面[2]。首先，雷电击打在线路杆塔上，会产生非常严重的高热效应，因为雷电电压极高，电流极大，高电流值会产生非常强的高热效应，因此可能发生爆燃、爆炸等情况，线路可能被熔断，甚至杆塔也可能因此倒塌。

其次，雷电如果击中输电线路就会产生电涌和强大的电应力，产生高压效应，电压几十千伏到几百千伏不等，电流十几千安到几十千安，如果雷电防护不当，那么线路会瞬间被击穿，相关设备如变压器也会被高电压损坏，泄放电荷也会对线路杆塔以及周围设施造成严重伤害。

最后，雷电击中输电线路，会产生较强的静电感应和电磁效应，产生强大的交变电磁场，会沿着输电线路传输很广，同样会对线路杆塔造成严重伤害，集成电路或各类型电子元件受到电磁效应（EMP）危害的原理很简单，它的持续时间只有数十微秒，但波长范围很广、峰值电压很高，接收到它的线路或者设备会产生短时间的强大电流，超过元件的承受能力就会导致损坏。因此，做好雷电线路杆塔的防雷保护，意义重大。

输电线路防雷是全球输电行业都在关注的问题，每年投入的研究试验费用在输电成本中占比较大，但仍有未攻克的难关，雷击故障是输电线路故障的主要类型。目前，主要的防雷手段是降低线路高度、减少接地电阻、增加避雷线保护角、采取主动安全引流设备、增设耦合线等方式。

3 防雷技术分析

3.1 安装接闪装置

接闪装置也就是避雷装置，对于220kV 输电线路来说，避雷针以及避雷线是一种基础性的但很有用的防雷技术措施，主要由避雷针（线）、引下线、接地装置组成[3]。一是沿线架设避雷线，常常采用保护范围更广的双避雷线。

二是在个别重要的杆塔上装设避雷器，装设避雷器能够有效地将雷电力量引导宣泄出去，但是避雷器的造价较高，因此通常选择在比较危险、雷击频发的线路杆塔上设置。

三是在杆塔的侧面安装避雷针，测针的造价相对便宜。接闪装置主要原理并非避雷，而是引雷，在雷电天气来临时，主动去接受雷击，避雷设备的顶端处电场发生畸变，电场强度增高，为引雷创造条件，从而把雷电产生高电流引导到大地，形成放电回路。但雷电发生时空气绝缘被击穿造成的雷击到避雷线上，大地是导体还可以消耗电能，一般意义上是说将电能导入到大地，但实际中，要根据位置以及环境的各种指标来定，需要具有足够的深度才能保证引雷有效，或者在地下安装接收设施，接地装置埋深也要注意。

3.2 降低接地电阻

实际情况表明，输电线路的接地电阻越高，雷电击打产生的反击跳闸率就会越高，因此对于输电线路的接地电阻来说，应尽可能减小[4]。对此输电线路接地电阻设计有着标准化的规定，一般来说220kV 输电线路要不小于4Ω，越小越好，可采用对土壤进行化学处理（利用降阻剂）、局部换土、增加接地体埋深和数量、延长接地体等方式来降低接地电阻，对重要的电子元件，可采用高密度铜网和高密度钢网构成的方式，钢网节地，内部铜网悬空，隔离增加电容容积，进而起到滤波效应。同时，在输电线路运行中，也要时常进行检查，确保输电线路接地电阻符合国家及行业规范要求。

3.3 架设耦合地线

架设耦合地线是一种有效降低线路反击跳闸率的防雷措施，其本质也是降低接地电阻的一种措施。接地电阻大小与接地极的规格、大小、埋深有关，和土壤湿度、质地、坡度等地理环境有关。如果220kV 输电线路杆塔降低电阻存在困难，则可以通过假设耦合地线的方式来达成降低接地电阻的目的。具体来说是在导线的下方架设地线（也就是耦合地线），强化两线的耦合作用，在发生雷电击打状况的时候，能减少绝缘子串上的过电压。

3.4 并联间隙

并联间隙是允许有一定的过电压存在，并设法消减过电压所造成的影响，要求避雷线与大地绝缘且安装间隙，并联加装在输电线路绝缘子上一对金属电极。正常情况下是绝缘的，发生雷击时，因为并联间隙的放电电压是小于绝缘子串的放电电压的，所以会优先放电，避免绝缘子串遭到过电压损害的情况，进而保护线路。其保护效果也有一定的限制，当雷击所造成的过电压太高，就算并联间隙会优先放电，但是绝缘子串也不可避免地会放电，还是有可能让绝缘子串遭到过电压影响烧毁。因此，并联间隙仅能应用于超高压输电线路，这一技术对于220kV 输电线路的作用较小，相信未来会有更好的发展。

3.5 减小避雷线保护角

避雷线起到引雷、保护导线的作用，避雷线的保护角就是避雷线和导线间与垂直线的夹角，如图1所示，图1中的25°角，即为图片所示模型中的保护角。在避雷线防雷技术中，为避免绕击，避雷线的保护角越小，其对导线的屏蔽作用越强，雷电就会越不容易击打到导线上，那么在实际设计和规划上，就需要尽可能地减少避雷线的保护角，对于220kV输电线路来说，多设置双避雷线，覆盖范围更广，同时保护角设置在20°～30°，而对于一些特殊的、雷击危险的地方，要因地适宜减少避雷线保护角，采用0保护角甚至负保护角[5]。

图1 避雷线保护角简图

3.6 提高线路绝缘水平

常采用“分段绝缘，一点接地”的方式，每段绝缘地线仅存在一个接地点，限制了地线上的感应电压幅值，地线感应环流及环流损耗都很小，电力系统的实际运行经验表明，地线采用此种接地方式与杆塔接地情况相比，并不降低其保护性能。或者从绝缘子串的材料性能入手，提高主要是提高线路绝缘子耐压水平，研发新科技，从而提升绝缘子串的保护功效[6]。除此之外，就是要注意减少“污闪”问题，在绝缘子设计安装的时候可能出现问题，会受到雨水、污秽、盐分等影响，可能造成保护性能减低的问题，甚至造成闪络，绝缘子表面被做成波纹形的，如图2所示，雨水、污秽、盐分等附着在上面的可能性减少，波纹行的层数、角度都是根据电压等级经过精确计算的，就能保证其性能，减少污闪问题。另外，绝缘子的位置、垂直度、高度、形态等都有影响，可以将绝缘子设计成粗细不均的形状，在长度差不多的情况下，粗细不均的形态可增加爬距。

图2 波纹形绝缘子

4 对线路综合防雷的建议

4.1 优化设计安装

目前，防雷的主要手段无外乎架设接闪装置、降低线路高度、减少接地电阻、增加避雷线保护角、架设并联间隙、增设耦合线、保证线路绝缘水平等方式。在220kV 输电线路设计安装方面，要注意根据当地区域的实际情况来进行优化，科学合理的设计综合防雷措施，对于一些老旧的输电线路，加大改造力度，进行检验并改进，如对检测出不符合标准的接地设备或接地电阻设定，要及时更换设备，或者及时制定措施来调整，比如绝缘子的选择，要考虑到安全裕度选择适合的绝缘子设备，保证防雷技术能够落实到位。

4.2 做好维护管理

除了设计安装之外，也需要做好日常维护管理，输电线路的防雷设备在日常使用中难免会产生耗损，导致防雷性能下降的问题。要做好维护管理，定期进行检查、检测，保证防雷设备性能达标。要构建完善的检查维护机制才行，建立健全各项规章制度，划分责任并落实到班组或人，以此来保证维护管理的质量。

4.3 利用信息化技术与维护

随着信息化技术的发展，利用信息技术来智能化监测精密的电子元件，分析其性能，并根据分析结果作出科学判断，充分利用大数据、工业AI 算法等先进技术，通过深度数据挖掘和机器学习，能够让防雷设备的维护管理更加高效，让防雷设备发挥出它应有的作用。例如接地装置，因为接地装置深埋地下，可能因土壤腐蚀产生锈迹，造成接地电阻增加，电流泄放能力减弱，影响其接闪效能，而对于接地设备的监测是不容易的，那么可以架设接地电阻在线监测仪，实时测量接地电阻值。

5 结语

综上所述，雷击会对输电线路造成非常严重的危害，必须要高度重视线路的防雷措施，通过架设接闪装置、降低线路高度、减少接地电阻、增加避雷线保护角、架设并联间隙、增设耦合线、保证线路绝缘水平等方式，尽可能减少雷击事件或降低雷击危害，意义重大。