架空输电线路雷击跳闸原因与防雷技术

福建永福电力设计股份有限公司 黄达洋

架空输电线路在我国电力系统中扮演了关键的角色，起到了桥梁纽带的作用，一直以来，由于架空线路整体的线路偏长，敷设地形条件复杂，还会经过一些山地、丘陵、盆地、旷野等复杂地理环境，导致线路实际运转的条件较差，并且架空输电线路长期暴露于大气环境下，易受到外界环境因素的干扰，导致线路元件破坏。架空输电线路遭雷击是引发线路开关跳闸的重要因素之一，据调查研究显示，有一半以上的跳闸事故都是由于遭受雷击引起的，频繁发生雷击跳闸事故对电网的可靠性带来了较大冲击。因此，采用科学的防雷措施提升输电线路的耐雷水平十分有必要。

1 架空输电线路雷击跳闸原因

通常，架空输电线路遭受雷击跳闸主要有反击和绕击两种形式（见表1）。当杆塔设计不当、接地电阻值过大、避雷线保护角偏大以及绝缘子选用不当时，都会对线路耐雷水平产生不利影响。

表1 反击和绕击的特点比较[1]

1.1 杆塔设计

首先，杆塔所处的位置及地理环境因素较为关键，其中位于山顶、半山坡、濒临水域以及山谷迎风气流口的杆塔极易遭受雷击；其次，杆塔的高度越高遭受雷击概率越大。通过实际调查结果可以看出，单回线路杆塔高度大于25m，双回线路大于40m，以及500kV单回线路杆塔高度大于35m，双回线路大于55m时，线路遭受雷击跳闸的概率将显著增加。这是因为当雷电击中杆塔时，未被接地通道释放掉的部分电流会顺着塔身返回杆塔横担或顶部，如果杆塔设计高度较高时，该过程耗时较长，易发生闪络故障，耐雷水平较差。另外，水泥杆塔通过内部钢芯材料接地，当雷电流经过钢芯结构，会导致水泥杆爆裂，特别是对于一些运行年限较长，材料本身已存在一定老化的杆塔遭受雷击破坏概率更大。

1.2 架空地线保护角过大

我国对不同电压等级线路的架空地线保护角有明确规定（见表2），但由于实际情况下，有多数地区还存在架空地线保护角设置不合理的现象，一些地区的架空地线保护角明显过大，导致遭受雷击概率增加。

表2 不同电压等级一般地线保护角取值

1.3 绝缘子类型选用不当

绝缘子的类型多样，目前在电力系统中以瓷绝缘子和复合绝缘子应用居多，特别是复合绝缘子质量轻、易于维护、方便检测，许多线路上包括一些雷害较多的地区都选择应用复合绝缘子。但存在以下问题：复合绝缘子在防御雷击的能力方面要弱于瓷绝缘子，这一方面是由于合成绝缘子两端均压环短接了部分空气间隙；另一方面，因为复合绝缘子伞裙直径较小，在相同串长时，与玻璃绝缘子和瓷绝缘子相比，其耐雷水平相对较低。更值得注意的是，瓷绝缘子还具有耐候性强、重合率高、自清洁性能优异等特性，由此可见，在雷害较重区域要慎用复合绝缘子，建议优选瓷绝缘子。

1.4 接地电阻过大

当杆塔接地阻值较高时，雷电流泄流时在杆塔上产生感应电动势，当杆塔电位过高击穿绝缘子后，输电线路电流会快速升高并突变为直击雷电流，一旦杆塔接地电阻值过大，不利于将雷电流引入大地。但事实上，接地电阻值是动态变化的，在输电线路实际运行中，通常由于检修、巡视工作不到位，当杆塔接地电阻过高时，没有及时采取有效措施进行技术整改，致使雷击输电线路的概率加大，引发跳闸事故。

2 架空输电线路防雷工作重点

杆塔的高度设计、接地电阻值、线路敷设地理环境、绝缘子类型等均影响着线路的耐雷水平，架空输电线路的防雷性能受自身特征参数与外部环境因素的共同作用。在工程方面，架空输电线路应基于“避雷、引雷、防止跳闸”的防雷原则，重点从改善线路结构设计以及优化线路本身参数等几方面着手考虑。

一是针对已运行的较高电压等级的重要输电线路，建议安装氧化锌避雷器；对于运行年限超过20年的线路接地装置结构改造升级，积极运用石墨烯等新型接地材料。

二是针对新建线路要结合各地区雷电情况，合理避让雷电活动频发及强烈的区域，优化架空输电线路路径选择，降低杆塔高度，增大导、地线间的绝缘距离，减小地线保护角，并适当增加绝缘子片数，当杆塔高度超过40m，可将复合绝缘子距离加长，或加装盘形悬式瓷绝缘子等措施来降低线路雷击跳闸率。

三是采用差异化防雷理念提升线路整体耐雷水平，同时实现经济效益最大化。我国线路防雷手段正向着多元化的方向发展，在实际应用中，要综合考虑输电线路所处地理位置、环境特点以及线路自身结构等因素，采用差异化防雷理念，选择事半功倍的技术方法，有策略地对架空输电线路进行差异化防雷改造，保证方案的科学性和经济性。

3 架空输电线路防雷具体措施

3.1 合理选择架空输电线路敷设路径

合理选择线路敷设路径是提高线路耐雷水平的重要基础。在线路敷设阶段，首先要考虑合理避开易遭受雷击的区域，通过大量实际运行经验得出，山口、河谷、风口处、土壤电阻率较低区域、地下水位较高以及存在导电性矿产资源的地区雷电活动频繁，容易发生雷击。因此，在线路敷设阶段选择线路路径时，要将这些因素统筹考虑，科学进行路径优化，降低雷害发生概率。

3.2 加强线路绝缘

加强线路绝缘水平是提高线路耐雷水平的关键手段之一。对于一些难以避开的雷电活动频繁地带，建议考虑通过增加绝缘子片数来加强线路绝缘水平，但基于成本方面考虑，绝缘子片数增加的同时也加大了成本的投入，结合工程实际经验，建议对不同等级电压的线路选择不同片数的绝缘子（见表3）。

表3 不同电压等级输电线路绝缘子的片数

对于一些已投入运行应用的复合绝缘子，可在接地端加装一片大盘径的绝缘子，来达到提升线路运行稳定性的目的。此外，还要加强日常维护和巡视检查，清除绝缘子片表面的污秽，提升线路绝缘性。

3.3 降低杆塔接地电阻

大量实证研究表明，杆塔接地电阻与雷击塔顶电位的高度呈正相关。根据研究报道，采用一定的降阻技术，通过对不同电压等级的输电线路杆塔进行降阻设计后，雷击跳闸率明显降低（见表4）。

表4 不同电压等级输电线路杆塔降阻前后跳闸率对比[2]

现阶段，降低杆塔接地电阻的方式多种多样，主要包括使用降阻剂、通过外引接地装置、人工改换土壤、爆破接地技术、扩大接地网面积、伸长水平接地体等，并且每种降阻方式自身都存在着一定的优势与不足之处。如使用降阻剂来降阻主要问题是易流失、时效短，外引接地长度受限，人工改换土壤工作量大，爆破接地技术和扩大接地网面积投入成本高、经济性不佳，因此在实际应用中，还要充分结合地形条件、气候特征以及杆塔周围地理特征，因地制宜，采用经济高效的降阻方式来降低杆塔接地电阻。

3.4 安装避雷针

避雷针的主要原理是在雷电放电时，当雷电流达到一定值时，电场会发生改变，避雷针可感受到电场变化，进而将雷电流转移至避雷针顶部，再将电流流入大地。安装避雷针可大大降低绕击闪络概率，并且还具有良好的经济性，避雷针的安装方式主要有两种，即安装在塔顶或塔侧。在选择避雷针时，选用金属材质的避雷针对雷电流引导作用更大，并且还具有良好的耐候性。但安装避雷针时要注意，如果安装在塔顶要选择易遭受雷击的杆塔，安装侧向避雷针主要是塔头侧针，由于侧向避雷针安装维护困难，目前较少采用。

3.5 安装避雷器

安装避雷器是提升输电线路耐雷水平的重要方式之一。对于一些山区地形条件复杂，并且降低接地电阻困难的区域，可通过安装避雷器来提升线路防雷水平。但由于避雷器的保护范围有限，通常只能对杆塔两侧一个档距起到保护作用，如果避雷器安装数量过少，防雷效果不好，如果安装数量过多，导致投资成本过高，经济性不佳。可以见得，避雷器的类型选择、安装位置以及安装密度要事先合理评估，来确定最终的安装方案，保证避雷器的防雷效果得到高效的发挥。

现阶段，应用较多的避雷器主要是氧化锌避雷器。与传统避雷器相比，氧化锌避雷器具有结构简单、经济性优异、受环境影响小、通流容量大、污秽影响不大以及不受串联间隙的制约等诸多优势，另外在安装线路避雷器时，要注意安装位置的选择（见表5）。

表5 不同类型级线路避雷器安装位置

3.6 采用并联保护间隙技术

并联保护间隙技术是一种“疏导式”的防雷手段，并联间隙结构有多种类型（见表6），并联间隙装置设计简便，易于安装，成本低廉，近年来得到越来越多的关注与实际应用。安装并联间隙装置的主要目的是减小绝缘子的破坏，进而降低雷击事故发生概率。应用并联间隙装置主要作用在于：一是减小重合闸失败的概率，以防大面积停电事故的发生；二是减小雷击跳闸率；三是保护绝缘子金具免遭雷击、闪络损坏。

表6 并联保护间隙类型及应用

3.7 架设耦合地线

架设耦合地线是最基本也是较为成熟的防雷措施之一。对于山区地带，降低杆塔接地电阻并非易事，操作起来较为烦琐，在这种情况下可选择在导线下方区域架设一条合理的地线。耦合地线的作用主要体现在两点，一是可增强导地线之间的耦合作用，降低绝缘子两端的电压差，二是起到一定的分流作用，使得线路雷击跳闸概率较大降低。实际运行经验表明，架设耦合地线这种防雷方式在山区丘陵地带体现出良好的防雷效果，但注意的是，架设耦合地线之前，要对导线与耦合地线之间的距离进行计算，并且还要加强巡视和维护力度。

综上所述，架空输电线路雷击跳闸主要受地形条件、接地电阻、线路绝缘水平以及杆塔高度等多方面因素的影响，输电线路的防雷是一项复杂而系统的工作，因此为了全面提升线路的耐雷击水平，要从多方面统筹考虑提升线路防雷特性，减少线路雷击跳闸事故的发生。与此同时，还要做好雷电的基础数据统计分析，充分结合区域地质条件和气候条件特征，分析线路以往跳闸事故发生率及原因，综合评估方案的合理性和经济性，借鉴当地原有线路运行经验，科学选择应对措施全面提升输电线路防雷性能，确保电力系统的供电可靠性。