输电线路雷电防护策略研究

山东电工电气集团有限公司电力工程分公司 刘克军

1 引言

由于雷电是一种自然现象，在保证电网稳定的过程中，有必要对电网进行防电保护。从分析中发现，雷电流线路较多，往往影响所在位置和周围环境，防雷功能不到位。在雷电天气，输电线路会发生雷击，导致输电线路无法正常工作。电流会引起电力短路和跳闸，严重影响人们的生活，也对电力安全构成威胁。

2 输电线路雷击主要类型

一是雷直击导线。没有电流的线路最为常见，但即使有电流，火电也可以通过各种电子设备的保护，击中导体。

二是雷击铁塔或防雷线。强电流通过铁塔的接地保护，使铁塔的容量和防止电线迅速上升，当铁塔之间存在电位差 和指挥。超出电源线的电压闪络，发生绝缘体闪络，导体上出现高电压，此塔电位升高，进而使导线放电，这叫作反击[1]。输电线路雷击部位如图1所示。

图1 输电线路雷击部位

三是直击雷防过电压。直接雷击电源线、电气设备或用电设备引起的过电压。直流电过电压和感应雷电过电压造成的危害：引起线路跳闸，影响正常供电；雷电侵入变电站，雷击铁塔线路时，由于雷电通道产生的电流急剧变化，会在导体上感应出与雷电流极性相反的过电压，无有效数据。

目前规定，对于一般高度的无电流线路，感应过电压的最大值计算式为：

式中，α为感应过电压系数。

式中，k为耦合系数。

四是雷击输电线路附近大地。当雷击大地超过水平线65m 时，由于电磁场的变化在导体上感应出的过电压称为感应雷过电压。感应雷过电压形成如图2所示。

图2 感应雷过电压形成

感应雷过电压形成2基本原理（a）主放电前（b）主放电后hd-导线高度；S-雷击点与导线间的距离。

主放电前，在雷云释放的第一阶段，有一个先导放电过程建立到大地，线路处于雷云与先导通道之间的电场中，由于静电感应，带电。 Ex 区域沿线强度 末端的正电荷和雷电空气被吸引到靠近导引通道的一段导线上成为电荷束缚，由于Ex 的电阻，导线的负电荷向两端移动，从线路的漏电导和系统的中心点流入大地。由于驱动通道的发展速度不大，金属的电荷强度也很慢，由此引起的导线中的电流很小。电线对地的电导，电线的容量将不同于远离雷云的电线的容量。

主放电后，当雷云离开线路附近的地面时，导频通道中的负电荷迅速被中和，导频通道产生的电流迅速减小到低电平，使导线的正电荷被释放，正电荷随着导线的释放，两侧的运动成为干扰雷电过电压，称为感应过电压的静电分量。同时，雷电通道中的雷电电流在通道周围的空间中产生了强大的磁场，这种磁场的变化也会在金属上感应出高电压，这种电压称为感应电磁分量。

2.1 线路上感应过电压的最大值

根据理论分析与实测结果，规程建议，当雷击点离开线路的距离S ＞65m 时，导线上感应雷过电压的最大值为：

式中，hd 为导线悬挂的平均高度（m）；S 为雷击点离线路的距离（m），感应过电压Ug 的极性与雷电流极性相反。

由式（3）可知，感应过电压与雷电流的幅值和金属悬空的平均高度成正比，平均高度越高，导线对地电容越小，对地电容越高高度。感应电荷产生的电压；感应过电压与雷击点与线路的距离S 成反比。S 越大，感应过电压越小。雷电击地时也很大，电流幅值通常不超过100kA。经实测证明，感应过电压一般不超过500kV，对35kV 及以下的水泥电杆线路会造成某种事故；对于110kV 及以上的线路，由于绝缘性高，往往会产生热应力，不会引起闪络问题。

2.2 雷击塔顶时的过电压和抗雷等级

当闪电击中铁塔顶部时，铁塔和导体上的负电荷和正电荷很快被中和，从而产生火电。正雷电流值等于三个负电流波之和，绝缘线路的过电压就是这4个电流波引起的。当塔顶电位为Utd时，塔顶连接的灯泡也有相同电压。由于避雷导体与导体之间的耦合作用，会在导体上产生耦合电压kUtd，与雷电流极性相同。此外，由于雷电通道电磁场的作用，导体上还存在感应过电压αhd（1-k），与雷电流极性相反，所以导体的电位幅值Ud为：

绝缘子线路的电压幅值Uj 随雷电流的增大而变化。当Uj 大于串绝缘子的相关闪络电压时，串绝缘子就会发生闪络，由于此时杆塔的容量高于导体的容量，这种闪络称为“反击”。

提高雷击塔杆的耐雷水平，最常见的措施是降低塔的接地电阻Rch。降低接地电阻可以降低顶部塔的容量，提高防雷水平，避雷导体与导体之间的耦合系数k，自愿降低绝缘子串的电压，减少感应过电压，可以提高避雷等级。

3 输电线路防雷指标

一是传输线的电阻是通过耐压等级和输出电压来衡量的。二是防雷，雷击出线路使绝缘线路不闪络的最大雷电流幅值，单位kA。电压保护等级越高，线路闪络的发生越小，线路的防雷性能越好。三是雷击跳闸，每年每100km 线路被雷击跳闸的次数，是衡量线路防雷能力的一般指标。

4 输电线路的防雷策略

4.1 架设避雷线

防止雷电直接进入电线；对光电流有分流作用，降低塔顶容量；在电线之间有连接并降低绝缘电压。闪电击中塔时绳索，对电线有保护作用，可降低电线上的感应电压。为了减少电子设备在正常工作和使用中进行通讯时电路中电流的附加损耗，电路中的电可以通过小间隙与地绝缘。向下，避雷针接地。

4.2 降低铁塔的土壤电阻

在土壤电阻较低的地区，应充分利用铁塔的土壤基础，并采用与线路等长的地下延长线来降低。接电压，有效减少子塔顶电荷，提高对雷击的反应水平。在接地电阻较高的地区，当一般方式难以降低电阻时，可采用许多辐射状接地体，或采用接地体自愿续接，或采取一些良好的保护措施，以降低土壤电阻。输电线路杆塔避雷线工频接地电阻详见表1。

表1 输电线路杆塔避雷线工频接地电阻

4.3 改进接地

经验表明，接地对减少雷电放电是有效的。当难以降低接地电阻时，用于改进导体：

一是增加避雷导体与导体之间的耦合作用，以降低绝缘子串的电压。二是增加雷电的分流效果。三是绝缘不相等。同极的两个回路，顺序原则：两个回路的导线数量不同，这样绝缘子串少的回路会在第一时间闪络防雷击，闪络后的导线与地线形成耦合作用，与另一回路的导线产生耦合作用，提高另一回路的防雷能力，防止闪络的发生，保证另一回路的连续性。一般认为，两个电路的绝缘水平之差应为电压水平（平均值）的两倍。四是安装自动重合闸。雷电引起的闪络，大部分在跳闸后能自行恢复绝缘，因此恢复成功率也较高；据统计，我国110kV 及以上电力线路恢复率为75%～95%，35kV及以下线路恢复率约为50%～80%五是采用消弧线圈接地方式。其适用条件为雷电活动强烈，土壤电阻难以降低的地区，作用原理：当相地闪络发生时，消弧线圈阻止其发展成持续电流。当发生两相或三相对地闪络时，第一相闪络不会引起跳闸，最先闪络的导线相当于电阻丝，引起分流耦合作用参数。闪络级，使非闪络级绝缘级的电压下降，从而提高线路的抗雷击等级。六是安装管式检测器。管式避雷器只用于过电压特别大或绝缘薄弱的线路上作防雷用。可避免绝缘线路的闪络效应，使建弧值降至0。管状探测器只安装在电力线路相交处和高压线与连接线的交叉处，隔河隔塔，在变电站的防御侧。七是加强绝缘。对于大中高多段输电线路，雷电路径增加，塔高等效电感大，电位高，塔顶高，感应过电压也高；屏蔽时最大雷电流幅值大，屏蔽值高。这增加了线路的雷击跳闸率。为了降低出行成本，可在杆塔上增加绝缘子串的数量。法律规定，总高度超过40m 且设有防雷线的铁塔，每增加10m 高度必须加装绝缘子；对于总高度大于100m 的铁塔，绝缘子的数量宜。根据工作计算确定。八是采用线路金属氧化物检测仪。在特别容易发生雷电活动和土壤电阻率较高的地区，可以使用线型金属氧化物探测器来防雷。避雷器采用复合绝缘护套，重量轻，安装方便。并联在绝缘子串的两端，当绝缘子串的电压达到一定值时动作，从而避免了绝缘子串的闪络，降低了线路的电压线路跳闸值。该方法的缺点是检测器的检测和维护难度大，成本高[2]，线路避雷器应用如图3所示。

图3 线路避雷器应用

5 结语

为保证输电线路的安全稳定运行，必须不断完善电网的防雷设备，防雷设备运行复杂，涉及因素多，需要采用各种技术，但为提高输电线路的防雷性能，应根据土壤和地质过程采取相应的措施，减少供电运行中短路的发生，保证连接线路的运行。