220kV雷击架空地线断线原因分析

220kV雷击架空地线断线原因分析

阮超群

国网吕梁供电公司， 山西 吕梁 033000

摘要：架空输电线路与普通输电线路具有一定的区别，尤其多处于山区并且范围广，长期暴露在荒野中，经常会产生众多雷击事故。因此在输电线路的地线设计中要优化设计，采取相应措施进行相应维护，提高线路的防雷以及抵抗自然灾害能力，保证输电的正常进行，从而保证生活用电以及工业用电。 关键词：输电线路；雷击；原因及防雷措施

大量的理论与实践研究结果均充分证实了：配电网运行过程当中，架空线路的绝缘化处理有着相当重要的意义与价值：①配电网借助于对绝缘性导线线路的应用，能够避免在运行过程当中因接地或碰线因素而导致的短路故障。同时，由于导线具有绝缘性性能，因而即便出现导线断线落地的问题，也能够在安全性方面有所保障；②绝缘化的配电网架空导线线路能够使相间距离明显缩短，避免相间线路过多的占用空间，具有对用地资源加以节约的目的；③对比常规意义上的电缆线路而言，绝缘化架空导线线路的整体投资相对较小，且由于导线架设过程当中不需要对道路进行开挖，因而施工难度以及施工周期均相对较小。但配电网架空绝缘导线也存在大量的问题与隐患，而雷击断线则正是其中固有、且频繁发生的问题之一，具有相当大的隐患。因此，需要相关工作人员积极展开针对配电网架空绝缘导线雷击断线下的有效防护措施及方法，以促进配电网的安全运行。 1、雷电防护概述 雷电防护有一套专门的理论。比如，雷电产生的机理，要研究大气物理学，用物理学的方法探讨雷电产生的原因。雷电对电子设备的雷害机理，需用大气电学的方法。研究雷电的防护方法，又涉及电工学，微电子学和材料学。雷电流的大小、雷电的波形研究，一般通过理论推导和现场实测，将现场实测的波形和理论推导拟合，这就需要用统计学的知识合概率论的知识。雷电科学还是一门试验科学，由于雷电机理的研究对雷电成因的解释许多出于假说，必须通过现场试验和模拟试验验证。同时，防护设备的好坏必须通过实验室模拟试验和现场对比试验两个环节，才可初步判断其好坏，最后，还要用统计学知识，对现场试验作出科学判断。 2、雷击跳闸率 对架空输电线路而言，防雷保护工作的目的是尽量避免导线不受雷击或雷击之后尽量使绝缘子不闪络，从而避免因产生工频电弧造成跳闸。也就是说线路遭受雷击而不跳闸，不影响系统的正常供电就是架空输电线路防雷的根本目的。而架空线路地处旷野，绵延成百上千公里，而在雷电多发区经常遭受雷击的线路，即使加装了各种防雷措施也做不到完全不跳闸，目前衡量某条线路雷击跳闸情况采用雷击跳闸率（定义：架空输电线路在规定长度和规定雷暴日下因雷击引起的事故跳闸次数），防雷设计就是要求出某条线路的雷击跳闸率，尽量降低雷击跳闸率。 3、雷击架空地线断线原因探讨

在配电网的运行过程当中，当幅值水平较高直击雷或者是感应雷过电压直接作用于配电网架空绝缘导线，并导致导线绝缘子、以及绝缘层出现闪络事故、击穿事故的情况下，绝缘层上的击穿点分布特征为针孔形态[1]。在此基础之上，由于周边绝缘层表现出了极为显著的阻凝特征，因而导致接续工频续流电弧弧根无法有效且灵活的移动，仅在针孔位置进行持续燃烧。而特别是对于电压等级的配电网运行系统而言，由于其架空导线线路的绝缘性能相对较弱，雷击作用力会导致导线呈现出两相对地闪络或者是三相对地闪络方面的问题。受到此因素的影响，相对低电弧受到热应力作用力以及电磁力作用力的共同影响，弧腹会面向配电网负荷侧的上空漂移，电弧交汇反应的情况下形成相间电弧。由此不难得知：由于电弧弧根的温度相当高，并且仅集中在针孔位置进行燃烧，因此架空导线线路势必会在较短的时间内被烧断，这种现象即称之为雷击断线现象。 3.1雷电流的热效应 雷击架空地线时，雷击点的电流密度最大，温度最高，雷电弧的温度可达数千K。虽然雷电流在通过导体时，其热效应是不大的，但是当雷击导体时，在直接与放电通道相接触的地方却可能受到高温的作用，有时可以使金属熔化达几毫米的深度。这个现象很可能是有些架空地线不正常断股的原因。 3.2雷电流的冲击效应 曾有记载雷电劈开百年大树和将钢筋混凝土击出一个大洞的现象，这说明雷电有较大的机械冲击力（即雷电流的冲击效应），当导地线遭受雷击时，如果雷电冲击波的冲量大于导地线所能耐受的冲量，导地线将被打断。雷电冲击波的冲量决定于雷电流的幅值和波长，导地线所能耐受的冲量决定于它的结构和状态。 3.3工频短路电流的热效应 雷击架空地线断线的同时几乎伴随着绝缘子闪络放电，由于地线一杆塔系统的阻抗（电阻）远小于被雷击放电接地的杆塔，在雷击放电接地的杆塔，大部分的工频续流分流到架空地线上。设杆塔平均接地电阻Rav=15Ω，地线平均档距电阻rav=3.7/1000*300=1.1Ω，则每侧杆塔数大于20每侧的地线一杆塔系统的的接地电阻R=（Rav* rav）1/2=4.1Ω，有44%的短路电流流过雷击点架空地线。由于雷击瞬间使架空地线的温度骤升，电阻大为增加（即Rθ增加），进一步使温升提高。由于短路电流的作用时间长（0.2s以上），虽然短路电流值比雷电流小，但作用时间长，能量大于雷电流能量，在其共同作用下，进一步提高了雷击点的温升。镀锌钢绞线的短路允许温度为+400℃。 3.4高温下架空地线的张力作用 雷电流和工频短路电流的热效应使雷击导线温度升高。在高温下，架空地线的抗拉强度降低，钢的熔化温度为1560℃。由于雷电流的热效应、冲击效应和工频电流的热效应以及抗拉强度下降的架空地线的张力共同作用下，架空地线断落。 3.5设计规程和设计考虑欠妥 设计规程只对短路电流的热稳定作出要求，没有对雷电流和短路电流共同作用下的热稳定作出要求。而设计部门在设计时，通常按照地线与导线的最小配合进行地线设计，没有认真按照规程进行地线的热稳定校验。 4、输电线路雷击架空地线断线的防雷措施   输电线路架空地线容易出现不同的问题，影响了整个电力系统的稳定性，技术人员采取有效措施做好防雷击安全保护工作能够降低架空地线断线问题的产生。技术人员要做好防雷击保护工作，将输电线路的电流电压数值控制在合理的范围内，选取合规的塔型，适当调控杆塔高度，起到了避雷分流的效果。双避雷线要大于单股态势下的避雷线，能够有效降低故障问题的产生，在110kV-220kV输电线路操作过程中技术人员要定期检测输电线路的运行状态，对存在的不安全因素进行分析探究，确保线路装置的电阻值符合规定的标准，从而消除安全隐患。对于雷击比较频繁的地形区域，需要在输电线路上安装避雷器，能够有效降低雷击对输电线路带来的损害，确保人们的生命财产安全。 4.1合理规划输电线路路径 根据实际运行经验，供电线路遭受雷击较为集中的区域往往是某些特定的区段（选择性雷击区）。通常情况下，如下几种地形容易形成雷击：（1）雷暴走廊，该类地区主要是顺风的峡谷、河口以及山口等；（2）盆地，尤其是地处湿润地区的山区盆地，杆塔周围有水库、水塘以及沼泽地等，这些地区容易发生雷击；（3）土壤电阻率出现突变的地带，例如地质断层区域，土壤和岩石、岩石与农田之问的交接地带，这些都是雷击频繁发生的区域；（4）地下土壤存在导电性矿藏、地下水位较高的地区；（5）虽然土壤电阻率变化不大，但是处于山顶或向阳的坡地，也容易发生雷击作用。所以，在输电线路规划过程中，首先要采取相应的技术措施，尽量避开上述5种地形，这样可以为后续输电线路防雷击工作创造良好的条件。 4.2提高输电线路的绝缘水平 在选择供电线路的绝缘子时，要重点考虑采用新技术设计制造成的绝缘子，尤其要注重后期绝缘子的检修、维护以及更换工作，保证其高可靠性。通常而言，输电线路目前主要采用有机合成的绝缘子。虽然从理论上讲，有机合成绝缘子在绝缘性能方面比陶瓷、玻璃绝缘子的性能差，但是由于其采用了不击穿的结构，当出现雷击放电作用时，可以有效地防止不可逆现象的发生，使得线路具有明显的绝缘优势。所以，在大部分雷击频繁区域，甚至雷击很强烈的区域，都可以采用普通型的有机合成绝缘子。但是，要注意使用的前提条件是保证绝缘子的耐雷击水平满足其使用区域的雷击水平要求。 4.3加装塔顶防雷拉线 防雷拉线有分流和屏蔽的作用。在雷击杆塔顶部时，一部分雷电流经杆塔入地，一部分雷电流经防雷拉线入地，可以起到分流的作用，降低反击电位，减少反击的可能性。根据对某条线路雷电流幅值近20年的实测，在雷击杆塔顶部时，塔顶防雷拉线使塔身分流系数下降了1.5倍，即耐雷水平至少提高了1.5倍：当雷电流绕过杆塔顶部的避雷线，在直击导线时，首先会触及防雷拉线，可以起到屏蔽作用，减少绕击的可能性。 4.4应用雷电定位系统 雷电定位系统是一种全自动实时雷电监测系统。当线路发生雷击跳闸时，雷电定位系统能准确定位雷击杆塔，帮助巡线人员及时查找故障点，大大节省巡线人员的故障巡视时间，使线路及时恢复供电，确保线路的供电可靠性。同时，通过对雷电定位系统的统计分析，能及时掌握雷电活动的规律、特性和有关数据，对防雷工作大有裨益。

4.5安装架空地线 架空地线的作用，主要是将幅会很大的雷电过电压转化为电流，经很低的杆塔接地电阻排泄出去，从而大幅度降低雷电过电压，使导线得到保护。这在绝缘水平很高的1及以上电压等级送电线路是作为防雷的主要措施。配电网绝缘水平较低，雷击架空地线后极容易造成后击穿闪络，仍然会发生工频续流烧断绝缘导线。但是根据统计，配电线路遭受直接雷击或是绕击的概率很小，约占雷害事故的15%以下，配电线路上85%以上的雷电过电压故障是感应过电压。因此，架空地线只能在直击雷频繁的区域使用，如农村、田野、山区等。 4.6安装线路避雷器 配电线路具有网络结构复杂，绝缘水平低的特点，一般不装设避雷线。通常采取的防雷措施是安装线路避雷器，限制入侵波过电压的幅值，将雷电流泄入大地，从而防止绝缘导线雷击断线，因此可在该配电线路的易击段安装线路避雷器，并且对加装避雷器的线路附近杆塔设计接地装置来保证避雷器的泄流效果，降低雷电冲击电阻、减小线路遭受感应雷以及直击雷时的雷电过电压峰值，进一步保证配电线路及设备的安全稳定运行。 4.7安装引弧跳线 为防止绝缘导线断线事故的发生，关键是切断工频续流，加速熄弧。因此可在绝缘子两侧，横担下方安装引弧跳线，并使得跳线与横担的间隙小于绝缘子上方导线与横担的间隙，以便将电弧引到横担与跳线之间，这样就相当于对横担产生屏蔽作用，根据电磁感应定律可知磁场将改变电弧中电子的方向，有利于熄弧[3]。 4.8调整绝缘子安装结构 在满足电网三相平衡的前提下，可适当调整绝缘子的安装结构，增大绝缘导线与柱式绝缘子之间的夹角，从而减小由于绝缘导线剪切疲劳所引起的绝缘层损伤，保护绝缘导线的绝缘层。 4.9整定继电保护装置动作时间 根据该配电线路的实际运行情况，可对该线路上运行的继电保护装置的动作时间进行重新整定，适当缩小继电保护装置的主保护动作时间，从而保证在绝缘导线熔断之前，继电保护装置能迅速动作，防止绝缘导线断线事故的发生。 4.10用新的架设方式——集束绝缘导线架设方式 从一些文献资料了解，在日本、韩国的非市区及东南来一些国家多数采用集束绝缘导线架设。由于上述国家多数土地为私有制，线路通道受到限制，采用集束绝缘导线架设解决通道问题。采用此方法架设可以提高防雷水平，因为绝缘导线线路基本上全线靠钢绞线挂装有绝缘间隔（50*50）的集束绝缘导线；在耐张杆（如分支、柱上开关、柱上隔离刀闸等）装设小型避雷针。此方法只适用于新规划建设的线路，优点是全线防雷水平高，直线杆塔紧凑，钢材使少；缺陷是在档中补杆塔、和带电引接比较困难。 4.11绝缘导线与裸导线混合架设 在配电网中，有一部分是要经过空旷的田野和树林区，像这样的区域我们可以采用绝缘导线与裸导线混合架设，把绝缘导线架设在下层，用于解决“树线”矛盾，上层采用裸导线架设，最大程度防止下层绝缘导线受雷直击，减少因绝缘导线雷击断线机率；也可在城区公园、树木较多街道。

4.12采用NXL型耐张线夹 架空绝缘导线收到雷击时损伤的部位大都发生在绝缘导线的固定处，距离电杆200～500毫米，我们一般采用安装避雷器的方法。 而耐张金具的选用对断线事故的发生有一定的影响，最常用的一种是剥皮的NXL型的耐张线夹：NXL楔型（剥皮）耐张线夹的优点有以下三点：一是由于地面或树木被雷击的反击电压在导线上，不剥皮线夹与导线是绝缘状态，绝缘导线承受很高的残压而击断导线。剥皮线夹由于是厚实的金属导体，起到水库容量及散热的作用，承受的残压由耐张线夹自身承受，这和在直线针式绝缘子上安装带间隙的避雷器或安装长闪络避雷器是同等道理。二是，当我们用剥皮耐张线夹和不剥皮耐张线夹在240mm2绝缘导线上分别做试验，在拉力逐渐加大的情况下，剥皮的NXL型楔型耐张线夹始终没有抽筋的现象，直到拉力超过3.5吨时，导线才被破坏。而不剥皮的NXJ型耐张线夹，当拉力达到1.7吨时，绝缘外皮就与铝芯线分离，发生抽筋现象。

4.13 防雷金具 防雷金具在原理上与钳位绝缘子相同。在绝缘导线固定处剥离绝缘层，加装特殊设计的金属线夹。当雷电闪络引发工频续流时，工频续流在该金属线夹上燃弧直至线路跳闸以熄灭工频续流，从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。 氧化锌避雷器可以限制感应过电压幅值，在雷击闪络后吸收放电能量，阻止工频续流起弧，达到保护导线的目的。但避雷器有效保护距离有限，安装避雷器存在着安装密度问题。经查阅资料表明，每隔三档安装避雷器，对防止直击雷和感应过电压事故是最理想的。 缺点：① 保护范围较小：只能够保护附近的电气设备免受雷害。 ② 长期承受运行电压：加速了电阻片的劣化而损坏。 ③ 在消弧线圈接地系统中，如果发生避雷器击穿，将会造成长接地。 5、结语 高压输电线路距离长、跨度大、地理分布广，气象条件十分复杂，所以遭受雷击的概率很高，雷击事件时有发生。据电网故障分类统计资料表明，雷击引起的高压输电线路跳闸次数占总跳闸次数的40%～70%。雷害事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占有很大的比重。特别是伴随着科学技术的发展，开关和二次保护的产生，电力系统内部过电压的降低及其导致的事故的减少，雷击引起的线路跳闸事故占据日益主要的地位，不仅影响线路、设备的正常运行，而且极大地影响了日常的生产、生活。线路的雷击事故在电力系统总的雷电事故中占有很大的比重。据不完全统计，因雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的60%以上。输电线路故障跳闸直接影响功率的输送，同时也对电网的安全、稳定运行构成了重大威胁，采取有针对性的防范措施，尽最大可能降低输电线路跳闸率，是线路运行单位追求的目标，也是构建“坚强智能电网”的前提和根本。 参考文献： [1]黄瑞梅.输电线路防雷接地技术研究[J].水电能源科学.2014（5） [2]叶福深.高层建筑防雷接地问题探讨[J].科技资讯.2015（29）