架空地线在输电线路中的作用

架空地线在输电线路中的作用

刁闯

(云南电网有限责任公司红河供电局,云南红河661100)

摘要：架空地线在线路中有着十分重要的作用，它并不是可有可无。而是真实存在这它独特的作用。架空地线由于不负担输送电流的功能，所以不具有导线相同的导电率和导线截面积，通常是由钢绞线组成。本文介绍了架空地线在实际中的应用，包括电气部分及机械部分，电气部分主要研究架空地线如何防雷击，机械部分简单阐述了安全系数的配合，并且对于一些地线断线事故做了简单的分析。

关键词：红河电网；输电线路；防雷技术；机械性能

1.引言

当前，输电线路的架空地线已经广泛应用，架空地线目前不仅仅简单充当避雷线，有时还会充当通讯线，这样成本就会降低很多，而架设地线的方式也有很多，按照现行规程对各级电压线路架设架空地线的要求有如下规定：（1）、330kV及500kV线路应沿全线架设双避雷线；（2）、220kV线路应沿全线架设避雷线。在山区宜架设双避雷线，但少雷区除外；（3）、110kV线路一般应沿全线架设避雷线。在雷电活动特别强烈地区，宜架设双避雷线。在少雷地区或运行经验证明雷电活动轻微地区，可不沿全线架设避雷线，但应装设自动重合闸装置。（4）、66kV线路，负荷重要且所经地区年平均雷暴日数为30天以上者地区，宜全线架设避雷线；（5）、35kV及以下的输电线路一般不在全线架设避雷线，只在进出线1—2公里长度内架设避雷线，主要是因为这些线路的绝缘水平较低，即使加装上避雷线来截住直击雷，往往仍难以避免发生反击闪络，因而效果不好。在无避雷线的线路段，且多雷区及易受雷击点或在山顶高位的杆塔，可以在杆塔顶部装设避雷针作为防雷保护，但应改善杆塔的接地电阻。

本文就红河州地区实际情况，对避雷线的实际应用进行了分析，并通过其原理，理解其特质特性，红河州地区线路基本处于多山地区，多山地区易发生雷雨天气，所以此地区110kV以上线路都要全线架设双根架空地线。

2.架空地线在输电线路中的作用

2.1红河电网输电线路的特点

红河州地处云贵高原西南部，地形起伏变化较大，地势总体西北高，东南低，最高海拔3074.3米，最低海拔76.4米。

红河州所处位置在云南省属于雷暴密集地区，红河局输电线路处于山区多，分布在雷区线路较多，以2010年为例，全年雷暴日达88个，其中每年的5月至10月为雷雨季节，是雷害多发时段。

红河电网输电线路较长，到2011年底，红河供电局所辖输电线路总长3628km，包括110kV及以上线路145条，6117基杆塔，具体数据如表1所示。

表1红河供电局线路概况

红河电网架空输电线路分布广泛，而且输电线路较庞大，遍布整个红河州地区，大部分地区为山区，所以遭遇雷击的机率也较大。

2.2架空线路在线路中的电气性能作用

首先讲到架空地线在线路中的电气性能作用，大致来说便是防雷作用，雷电是一种大自然放电现象，它具有巨大的破坏性。架空输电线路输送功率大，线路长，杆塔位置高，位于旷野或高山上，受雷击的机会较多。架空输电线路一般采用架设架空地线的方法降低雷击跳闸率，并取得了较好的效果。

2.2.1架空地线防直击导线技术

避雷线装设在导线上方，且直接接地，雷云首先对避雷线放电，雷电流沿避雷线经接地装置泄人大地，使线路绝缘所承受的雷击过电压值降低。运行经验表明，避雷线可以降低雷击跳闸率50%以上。

架设避雷线是输电线路防雷保护最基本和最有效的措施。避雷线的主要作用是防止雷电直击导线，因此，对交流电气装置的过电压保护和绝缘配合规程DL/T620-1997做出了强制性规定。

架空地线也称避雷线，其主要作用是防止雷直击导线，同时还具有以下作用：

a、雷击杆塔时避雷线对雷电流的分流作用；

b、避雷线与导线间的耦合作用；

c、避雷线对雷电荷的屏蔽作用；

d、避雷线对绕击的拦截作用。

通常来说，线路电压愈高，采用避雷线的效果愈好，而且避雷线在线路造价中所占的比重也愈低。因此，110kV及以上电压等级的输电线路都应全线架设避雷线。

由于红河局所辖输电线路所经之处以山区为主，由此决定了红河局目前110kV及以上电压等级的架空输电线路都必须采用两根架空线来实现防雷，且须全线架设。为了提高避雷线对导线的屏蔽效果，减小绕击率，避雷线对边导线的保护角应做得小一些，一般采用20°～30°。

2.2.2架空避雷线防雷作用机理分析

a、分流作用

可以减小流经杆塔的雷电流，从而降低塔顶电位。

避雷线分流系数可按下式计算:

b、耦合作用

通过对导线的耦合作用可以减小线路及绝缘子的雷击过电压。由于架空地线与导线之间有电容耦合存在，使得雷击线路时避雷线的高电位通过避雷线与导线间的耦合电容把避雷线的高电位传递到导线上，使绝缘子两端的电位同步升高，绝缘子串不易闪络。因此，避雷线可以极大提高线路的耐雷水平。

导线和避雷线间的耦合系数k因电晕效应而增大，可按下式计算:

k=k1k0

式中:k0--导线和避雷线间的几何耦合系数，决定于导线和避雷线的几何尺寸及其排列位置

k1--电晕效应校正系数。

c、屏蔽作用

在没有架空避雷线时雷云电荷在导线上会感应出异性电荷，两种电荷产生的场强互相正叠加，使导线上方的空气场强升高，提高了线路的落雷概率。当导线上方挂有接地的避雷线时，避雷线电位为零，电荷大部分被避雷线截住，即避雷线的屏蔽作用使避雷线下方的导线感应电荷几乎为零。因此，避雷线或导线附近空气的场强仅由雷云电荷产生，没有避雷线时相比场强大幅度降低，使线路落雷概率大幅度降低。

d、防止绕击作用

输电线路在绕击条件下的耐雷水平是极低的。在数量上等于绝缘子50%闪络电压百分之一。架设避雷线可以大幅度降低导线的绕击概率。这是架空避雷线能够大幅度提高线路耐雷水平的重要作用之处。

2.2.3由架空地线联想到的其他提高耐雷水平

运行经验证明，11OkV输电线路雷击跳闸率要比220kV输电线路的雷击跳闸率要高。这主要由于前者线路杆塔多数采用单避雷线保护，避雷线对边导线的保护角较大;而后者线路杆塔采用双避雷线保护，避雷线对边导线保护角较小。采用单避雷线保护的线路，运行的安全度比较低。

现在一般的输电线路的杆塔的架空地线是双根并列的，如果在双地线的中间再增设一根架空地线，就成为三根地线。我们便可得出，三根地线可显著增加分流和耦合作用，大大增加架空地线的屏蔽效果，减少绕击率，有利于降低绝缘子上的雷击过电压。

对于已经建成的输电线路，我认为，杆塔型号已经决定了架空地线的高度以及架空地线的根数以及保护角大小，若要改造，需要花费大量的人力物力财力，总体经济性不高。所以，对于已建成的输电线路想通过减小架空地线保护角来改善防雷效果已经不能现实。

耦合地线的防雷效果，通过计算表明，可减少雷击跳闸率50%左右，经全国多个地区的运行调查统计，实际减少雷击跳闸率水平达46%，效果十分显著，该项技术是由我国首先发明并使用的，在国际范围获得广泛的应用，甚至在500kV线路也运用了耦合地线。这是十分成功的实例。

2.3架空线路在线路中的机械性能作用

架空地线在线路中的机械性能作用主要有：

平衡断线时的张力，当倒杆断线的时候架空地线可以承载一些机械强度，避免事故再次扩大。

均衡不平衡张力

凡杆塔左右两邻档因架空线张力不等而承受的张力差，均称为不平衡张力。断线杆塔所承受的断线张力，属事故情况下的不平衡张力；线路中正常运行、安装、检修情况下，也都会使直线杆塔承受不平衡张力，所以架空地线在正常和检修情况下会均衡不平衡张力；

导线的安全系数与架空地线安全系数相配合

为保证架空输电线路的安全运行，规程规定导线的设计安全系数不应小于2.5，考虑到地线多采用钢绞线，易腐蚀，其设计安全系数宜大于导线的设计安全系数。控制微风振动的年均气温气象条件下的年均运行应力，在采取防振措施的情况下，不超过架空线抗拉强度σp的25%，即此时的设计安全系数不应小于3.0。在校验稀有风速或稀有覆冰气象条件时，弧垂最低点的最大使用张力不应超过综合拉断力的70%，悬挂点的最大使用张力不应超过综合拉断力的77%.架设在滑轮上的导、地线，还应计算悬挂点局部弯曲引起的附加应力。在任何气象组合条件下，架空线的使用应力不能大于相应的许用应力。

3.架空地线在输电线路中的问题及风险

3.1架空线路的断线原因分析

3.1.1220kV红大III回线

输电管理所接到群众电话通报，在鸡街小芭蕉白坡村附近发现断线，检查发现系220kV红大Ⅲ回线#33～#34号杆右相架空线断线。断线点距#33塔约200米左右。在断线点与#33塔之间有一压接点，该压接点距距断线点约150米，断落架空地线从两带电导线中穿过，距带电导线约2米左右，未造成线路跳闸。

（1）断线原因分析。220kV红大III回线全线长度为28.576KM,共73基杆塔，于2007年4月份投运，设计单位为云南电力设计院、施工单位为红电送变电公司，架空地线使用铝包钢LBGJ型号，具体使用情况为：

LBGJ-100-40AC型铝包钢绞线（#0～#6杆）

LBGJ-70-40AC型铝包钢绞线（#6～#21杆）

LBGJ-50-20AC型铝包钢绞线（#21～#63杆）

LBGJ-100-40AC型铝包钢绞线（#63～#74）

断线点#33—#34杆档距：893米；该耐张段长为：5487米（#25—#37）；代表档距：634米。

断线点（#33—#34）使用的LBGJ-50-20AC型架空地线结构为7/3.00;最小破坏拉力为59.67KN。

从断点情况看，有6股铝包钢线被明显熔断和1股铝包钢线被明显拉断外，所以可以判定本次断线和设计使用条件关系不大，同时没有发现其他地方有工频续流灼伤痕迹，如有工频续流灼伤痕迹必将引起线路两侧保护动作，并同时结合雷电查询结果，在断线点附近有过幅值为58.9KA的雷电流，因此，可初步判断本次断线为雷击架空地线引起。雷电作用于架空线，造成本次断线，应该是雷电的电弧效应（电弧本身温度极高，在弧脚处短时就能使金属熔化）、机械效应和架空线本身的张力效应综合作用造成的，而绝非雷电的热效应。因为58.9kA的雷电流要使钢绞线软化（约500℃），必须作用至少9秒钟，而要使钢绞线熔断（约1500℃），则必须至少作用23秒钟，对于波头仅为微秒级的雷电波来讲，这显然是不可能的。

此次事件雷电并没有直接击伤地线或者杆塔，主要是雷电的电弧热效应说产生的瞬时高温使地线熔断，解决此问题的方法是：①减小保护角，增加保护角的作用。②通过安装防绕击避雷器的方法。安装防绕击侧针就是一种减小保护角的重要方法。避雷器主要是引雷作用，可减少在导地线周围形成雷电弧的几率，从而减少或者避免类似此次时间的发生。

4.结束语

输电线路的架空地线，一直都是线路中一个重要组成部分，因为这直接关系到电网的安全稳定运行和供电可靠性。架空地线的好坏，直接影响到防雷效果的好坏，做好送电线路的防雷工作，就必须抓住其关键点。为防止和减少雷害故障，不仅仅需要架空地线的配合，更需要在设计中便要全面考虑高压送电线路经过地区雷电活动强弱程度、地貌地形和土壤电阻率的高低等情况，还要结合原有高压送电线路运行经验以及系统运行方式等，提高高压送电线路的耐雷水平。

总之，影响架空输电线路良好运行的因素很多，所以我们要从实际出发，因地制宜，综合治理。在采取检修措施之前，要认真调查分析，充分了解地理、气象及线路运行等各方面的情况，必须考虑可行性、经济效益及效果等，才能良好的保持电网的安全运行。

参考文献：

[1]罗锡恩.35kV朝固线几种防雷保护的应用.内蒙古电力2002.No.1.

[2]张启林、杨保珍.滇东地区110kV、220kV输电线路综合防雷装置运行总结，云南电力技术.

[3]电力工程高压送电线路设计手册.东北电力设计院.

[4]鲁志伟.提高线路耐雷水平的一项有效措施一一架设藕合地线.吉林电力技术.1999.No.1.

[5]何善庆.输电线路综合防雷保护装置的设计与运行经验分析.电力技术，1998.No.5.

[6]应顺湖.避雷装置保护范围研究的进展[J]，高电压技术，1994,20(3):83-87.

[7]架空送电线路设计手册(SDJ3-79)[S].水利电力出版社,1979.

[8]解广润.电力系统过电压[M]，北京，水利电力出版社，第一版，1985.6.

作者简介：

刁闯（1988-12），男，汉族，红河蒙自，大学本科，助理工程师，主要研究方向：高压输电线路运检。