线路避雷器在高海拔地区输电线路防雷中的应用

线路避雷器在高海拔地区输电线路防雷中的应用

尹俊 1 、张驰 1 、邱宗奎 1、罗刚 2、何乐锋 3

1四川电力设计咨询有限责任公司， 2国网西藏电力有限公司， 3中国安能集团第二工程局有限公司

【摘 要】总结高海拔地区输电线路的雷击威胁种类，分析线路避雷器的基本原理和优势，提出输电线路加装避雷器的选型和典型安装方式，以西藏阿里联网工程为例，得出空气间隙型避雷器电极间隙距离调节和控制的计算公式。

【关键词】输电线路防雷、线路避雷器、选型、典型安装方式、计算公式

Application of Line Arrester in Lightning Protection of Transmission Line in High Altitude Area

YinJun¹ 、Zhang Chi¹ 、Qiu Zong Kui ¹、Luo Gang²、He Le Feng³

(1.PowerChina SiChuan Electric Power Engineering Co.,Ltd；2.State Grid Tibet Electric Power Co., Ltd；3.China Aneng Group Second Engineering Bureau Co. Ltd)

Abstract：The lightning threat types of transmission lines in high altitude areas are summarized, the basic principles and advantages of line lightning arresters are analyzed, and the selection and typical installation methods of lightning arresters installed on transmission lines are proposed. Taking the Ali Electirc power networks project in Xizang as an example, the calculation formula of regulating and controlling the electrode gap distance of air gap lightning arresters is obtained.

Keywords：Transmission line lightning protection, line lightning arrester, selection, typical installation, calculation formula

1 引言

四川西部及西藏电网地处高海拔地区，各大区域的地形地貌差异很大，高山峡谷区、高山草原、草原湖泊、丘陵风化沙石带、终年冰川雪山等易形成复杂多变的雷电灾害，给电网造成极大安全威胁，是电网主要跳闸原因之一。为提升线路工程雷电防御水平，减少后期线路运维工作量，需在输电线路上加装避雷器。

本文根据输电线路常见的雷击故障类型，对线路避雷器的原理、选型进行了论述，结合四川和西藏地区多个工程使用的经验，提出了线路避雷器的典型安装方式。

2 输电线路雷击故障类型

输电线路雷击主要有雷击杆塔塔顶、雷击避雷线档距中央、雷电绕击于导线三种情况。雷击杆塔时雷电流超过绝缘子的绝缘水平，就会引起线路闪络，即“反击”。雷击避雷线档距中央时，雷击点会出现较大的过电压，但工程运行经验表明，按规程规范设计的输电线路导地线间净空距离较大，一般不会引起档距中央避雷线与导线空气间隙发生闪络。另外装设避雷线的线路仍然会有雷电绕过避雷线击于导线的可能性，在超过绝缘子耐雷水平的情况下，往往会引起线路绝缘子的闪络。

综上所述，输电线路雷击引起跳闸主要有绕击跳闸和反击跳闸两种。

绕击：绕击通常发生在110kV-500kV输电线路上，其主要故障特点是：故障线路都架设有避雷线；发生故障相通常是垂直排列的中相和上相，或者水平排列的边相。故障一般都发生在容易出现绕击故障的同相或者是单基单相。

反击：反击通常发生在35kV-220kV输电线路上，其主要故障特点是：发生故障相通常是垂直排列的中相和下相，或者水平排列的中相。故障点一般是多基多相，或者是一基多相点处。

线路绕击的概率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及线路经过地区的地形地貌等因素有关；如果线路经过山地，杆塔位于山坡，那么靠近山顶的线路由于受到山顶地面的保护而不易绕击，远离山顶的线路由于地面倾角的影响而易绕击。电压等级越高，线路绝缘就越强，反击不易发生，线路绕击闪络占线路雷击闪络的比例就越大。

3 线路避雷器的原理及选型

3.1 线路避雷器的原理及发展

本文研究的线路避雷器指交流输电线路用复合外套金属氧化物避雷器，为并联连接在线路绝缘子的两端，用于限制线路上的雷电过电压的复合外套金属氧化物避雷器（以下简称线路避雷器）。金属氧化物避雷器是以氧化锌（ZnO）基压敏电阻（非线性电阻）组成的。

在正常运行电压下，氧化锌电阻片呈现极高的电阻，通过他的电流只有微安级；当系统出现危害绝缘子的过电压时，由于氧化锌电阻片的非线性，避雷器两端的残压被限制在允许值之下，并且吸收过电压能量，从而保护线路绝缘子，保护线路安全运行。

复合外套氧化锌避雷器是集合复合绝缘子与氧化锌避雷器的优点而迅猛发展起来的。70年代发展起来的氧化锌避雷器，以其优异的非线性、大通流容量等优点，取代了当时大量使用的碳化硅避雷器；与之同时开发成功的复合绝缘子，其重量轻、耐污性能好等优点为避雷器所利用。

自1980年开始，国外提出了在线路上安装氧化锌避雷器来减少雷击故障的需求。美国和日本先后成功地将避雷器应用于线路上。我国从1993年开始研制和应用线路型避雷器，目前，复合外套氧化锌避雷器已在110kV至500kV输电线路上广泛应用。

3.2 线路避雷器的选型

国内外生产的线路避雷器基本为避雷器本体加串联间隙方式。带串联间隙的优点为：可通过选择间隙距离，使串联间隙只需在雷电过电压下击穿保护线路绝缘子，而在工频过电压和操作过电压下，间隙不动作，从而减少避雷器不必要的动作次数。同时，因为有串联间隙，避雷器的电阻片几乎不承受工频电压作用，大大减少了避雷器的老化和定期维护工作量。此外，如果避雷器电阻部分（即避雷器本体）发生故障，串联间隙可以隔离故障，不影响线路正常运行。

我国目前有2种间隙结构：一是串联绝缘子支撑间隙型避雷器（见图2-a）；二是串联纯空气间隙型避雷器（见图2-b）。日本一般采用串联纯空气间隙型避雷器，美国等采用绝缘子支撑间隙型避雷器。两种间隙各有优缺点。下文将介绍两种避雷器结构型式、安装方式、优缺点比较以及间隙距离的调节和控制。

1. （b）

图2 线路避雷器结构

4 线路避雷器的结构和安装方式

4.1 串联绝缘子支撑型避雷器典型结构和安装方式

以阿里联网工程220kV线路避雷器为例，串联绝缘子支撑型避雷器结构如图2-a所示，安装方式见图3.1和3-2。

图3.1 串联绝缘子支撑型避雷器安装示意图（直线塔）

图3.2 串联绝缘子支撑型避雷器安装示意图（耐张塔）

避雷器上端通过夹具和连接金具与铁塔横担钢材连接，计数器安装在夹具上。绝缘子支撑型避雷器的间隙是指支撑绝缘子两端间隙环之间的距离。该距离也需要根据安装点海拔高度提前确定，厂家生产时直接按间隙值加工，支撑间隙一次成型。

图3.1的安装方式适用于直线塔，避雷器安装在横担内侧，一般高海拔地区直线塔横担较长，避雷器本体下端距塔身距离一般都能满足3.5m以上的要求，若横担较短，则应采用图3.2的安装方式。图3.2的安装方式也适用于耐张塔，因耐张塔带角度，故避雷器安装在横担外侧，采用支架固定，支架长度可调。安装时可根据转角度数的大小调节支架长度，确保避雷器安装后自然呈铅垂状态。串联绝缘子支撑型避雷器典型安装照片见图3.3和3.4。

图3.3 单回路直线塔绝缘子支撑型避雷器安装照片

图3.4 阿里联网工程220kV单回路耐张塔绝缘子支撑型避雷器安装照片

4.2 串联空气间隙型避雷器典型结构和安装方式

以阿里联网工程220kV线路避雷器为例，串联空气间隙型避雷器结构件图2-b。

串联空气间隙型线路避雷器均安装在直线塔上，安装避雷器的位置可以是直线塔边相也可以是中相。避雷器本体通过避雷器支架悬挂于导线上方，确保导线无风偏情况下避雷器末端电极中心位于导线正上方，安装完成后，避雷器本体需呈铅垂状态。空气间隙距离通过避雷器安装支架进行调节，安装支架可分为平型支架和加高型支架两种，加高型对避雷器支架进行了加高，适用于悬垂串长相对较短、导线下倾角较小的塔位，对间隙距离要求大的可采用加高型支架。串联空气间隙型避雷器典型安装照片见图3.5。

图3.5 阿里联网工程220kV单回路直线塔串联空气间隙型避雷器安装照片

4.3 两种避雷器结构和安装方式比较

4.3.1 串联绝缘子支撑型避雷器优缺点

串联绝缘子支撑间隙型避雷器优点是安装方便，不受环境制约，串联绝缘子支撑间隙型避雷器上端挂于铁塔横担构件上，挂点位置可随意调节，下端通过悬垂线夹与导线相连，安装方便。和避雷器本体相连的均压环与导线带电部分，支撑绝缘子和塔身的间隙距离都可以灵活调整，容易满足。

缺点是支撑绝缘子连接部分受力问题和复合绝缘子本身有老化问题。支撑绝缘子为芯棒结构，若安装在高海拔高寒地区，遇特别重的覆冰后担可能出现弯曲变形的情况；同时复合绝缘子无法避免有老化寿命短的问题。可对绝缘子芯棒进行加粗设计，对支撑绝缘子和避雷器本体连接金具采用低温耐磨金具，碗头加装护套防脱落等措施，还可开展硅橡胶材质研究，提高复合绝缘子防紫外线辐射能力。

4.3.2 串联空气间隙型避雷器优缺点

串联空气间隙型避雷器采用空气间隙作为避雷器的放电间隙，为自然间隙，不受覆冰等环境影响，也不存在老化隐患，运行可靠，维护检修方便，为最理想的避雷器安装方式。缺点是避雷器尾部电极对导线的空气间隙距离受地形（导线下倾）、铁塔结构布置影响，耐张塔安装时空气间隙难以实现满足要求，一般只在直线塔上安装。

5 结束语

本文分析了输电线路常见的雷击故障类型，对线路避雷器的原理和发展进行了分析，提出了串联绝缘子支撑型和串联空气间隙型两种线路避雷器的典型结构和安装方式，为输电线路防雷设计加装线路避雷器提供了指导。

作者简介

尹俊 大学本科，高级工程师，四川电力设计咨询有限责任公司 输电电气专工

张驰 大学本科，高级工程师，四川电力设计咨询有限责任公司 电网分公司副总经理

罗刚 大学本科，工程师，国网西藏电力有限公司建设管理分公司 部门主任

何乐锋 大学本科，工程师，中国安能集团第二工程局有限公司 项目经理

参考文献

国网西藏电力有限公司电力科学研究院，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司《阿里联网工程高海拔雷电防护技术研究及试验—雷害风险分布特征及综合防护策略研究》，2019年3月