输电线路防雷设计和接地研究

输电线路防雷设计和接地研究

钟海光

溧阳瑞源电力有限公司   江苏常州     213000

摘要：

随着电压等级的提高，杆塔的引雷面积和绕击概率随之增大。避雷装置的设计主要考虑以下几个因素：保护角、屏蔽效应、耐压水平和绝缘配合。保护角是指避雷装置与导线之间所形成的最大夹角，在该角度范围内，导线可以免受直击雷的威胁。屏蔽效应是指避雷装置对导线产生一定程度的静电感应作用，使得导线上产生与外界场相反方向的感应场，在一定范围内抵消外界场对导线造成危害。耐压水平是指避雷装置能够承受并放出高压放电而不损坏或者击穿绝缘子串或者其他设备。绝缘配合是指在选择绝缘子串时要考虑其与避雷装置之间以及与杆塔之间是否匹配，以免造成过度绝缘或者欠绝缘。本文以德龙不锈钢有限公司220kV线路为依托对高压输电线路的防雷和接地进行了一些探讨。

关键词：输电线路设计；过电压；防雷；接地

0 引言

通过对防雷影响因素的分析比较，提出本工程线路防雷保护的综合措施及防雷保护推荐意见：合理选择线路路径， 针对本工程招标路径方案的实际情况及特点，分为3段进行路径优化。加强线路绝缘水平，根据线路污秽等级及耐雷水平合理选择绝缘配置。降低杆塔接地电阻。新型接地材料比普通钢筋接地接地材料要减少20%，接地电阻要低70%~80%，结合基础施工，提高了接地施工效率和经济效益。改变线路避雷线保护范围，随着杆塔增高相应增加绝缘子片数。本工程中凡是塔高超过70m的再继续增加绝缘子片数。

1 全线雷区确定

根据雷电活动的频率强度，通常把雷区分做强、多、少区。根据电网公司下发的雷区分布图纸，本工程全线雷害风险属于Ⅰ级区域。

2 高压输电线路的防雷保护原理

输电线路防雷保护主要是雷电会对输电线路和设备造成损坏，所以需要采取一些措施来防止或减轻雷电过电压的影响；雷电过电压有两种来源：直击雷和感应雷，它们分别产生不同的效应和危害；直击雷是指雷击杆塔、避雷线或导线时产生的高压脉冲，它会在绝缘子上引起闪络或击穿，导致跳闸或烧毁设备；感应雷是指由于静电感应和电磁感应而产生三相相等且持续时间较长的感应过电压，可能造成绝缘子串放电或损坏。为了防止直击雷过电压，在个别杆塔上安装无间隙金属氧化物避雷器 (EGLA)等。为了防止感应雷过电压，常用的措施有：架设避雷线、降低导、地之间距离或增加导、地之间角度、采用不接地或经消弧圈接地方式、在变、配电站入口处安装金属氧化物避雷器 (MOA)等。雷击跳闸率如表2-1。

2-1 雷击跳闸率 (次/100km.a)

3影响线路雷击跳闸率的因素

3.1杆塔接地电阻对雷击跳闸率的影响

送电线路对不同杆塔接地电阻各自的耐雷水平如表3-1。

表3-1 杆塔耐雷和接地电阻的关系

3.2地形、气候、雷暴日等因素影响

在选线时应尽量避开高地、山顶、水面等易受雷击的地方；气候对线路走向也有一定的影响，主要是通过温度和降水量来划分气候区。不同的气候区有不同的植被分布和农业上的差别，这些会影响线路对自然环境和水资源的利用和保护。在选线时应考虑气候区划和气候变化对线路运行和维护的影响；雷暴日是指一年中出现雷暴现象（即伴有雷声和闪电）的天数。雷暴日数反映了一个地区受雷击危险程度的大小。一般来说，热带和亚热带地区由于温度高、水汽多、对流强烈而导致雷暴日数多；而寒带和温带地区由于温度低、水汽少、对流弱而导致雷暴日数少。在选线时应根据不同地区的雷暴日数来确定耐雷水平和防雷措施[1]。

4避雷线的架设

架设避雷线，利用其高于导线的位置和较低的击穿电压来吸收或分流雷击电流，减小导线上的过电压，是输电线路防雷设计常用方法。避雷线应与导线保持一定距离，防止雷电绕过避雷线直击导线。避雷线与导线错开的距离反映了避雷线对导线的保护能力；防雷接地极应设置在杆塔附近，并与主接地网连接。防雷接地极可以采用埋入土中的金属棒、金属板、金属网等形式43。防雷接地极的工频接地电阻不宜大于10Ω。

5避雷装置的检验

避雷装置的设计主要考虑以下几个因素：保护角、屏蔽效应、耐压水平和绝缘配合。保护角是指避雷装置与导线之间所形成的最大夹角，在该角度范围内，导线可以免受直击雷的威胁。屏蔽效应是指避雷装置对导线产生一定程度的静电感应作用，使得导线上产生与外界场相反方向的感应场，在一定范围内抵消外界场对导线造成危害。耐压水平是指避雷装置能够承受并放出高压放电而不损坏或者击穿绝缘子串或者其他设备。绝缘配合是指在选择绝缘子串时要考虑其与避雷装置之间以及与杆塔之间是否匹配，以免造成过度绝缘或者欠绝缘。避雷装置的检验主要包括避雷针、避雷线、绝缘子串等部件的安装质量、位置、数量、参数等方面。具体方法有现场观察、测量、试验等。例如，可以通过测量避雷针或者避雷线与导线之间的距离和角度来判断其是否满足保护角要求；可以通过试验仪器对绝缘子串进行耐压水平和绝缘性能的测试；可以通过观察杆塔上是否有金属部件与避雷装置相连或者相接近来判断其是否存在过度绝缘或者欠绝缘现象。

6防雷效果的评估

防雷效果的评估主要是根据架空输电线路运行情况和历史数据来分析其在不同气象条件下受到雷击跳闸事故发生率和影响程度，并与其他类似线路进行比较，以判断其是否达到预期目标。具体方法有统计分析法、模拟计算法等。例如，可以根据架空输电线路所在区域的年平均闪电密度和年平均降雨量来计算其年平均受到直击雷次数和感应过电压次数，并与实际运行数据进行对比；可以根据架空输电线路结构参数和工作状态建立数学模型，并利用计算机软件模拟不同类型的雷击过程，并分析其对导线和设备造成危害程度。

7杆塔接地措施

石墨接地采用石墨为主材加工而成，由于石墨耐腐蚀的特性，是输电线路杆塔接地的良好材料。且由于其散流的特性，可快速将雷电流引入大地。石墨接地可以用于输电线路杆塔的接地装置，通过仿真分析和实验验证，发现石墨接地装置可以有效降低杆塔的雷击风险和反击雷水平[2]。

图7-1石墨接地体结构图

7.1与传统接地比较分析

接地实施方案，以高电阻率平原地区为例，普通钢接地与软体石墨接地接方案如下：

图7-2普通钢接地方案与材料用量

图7-3软体石墨接地方案与材料用量

7.2接地电阻对比

以平原高电阻率地区为例，结合上述接地方案选取6及铁塔进行对比，结果如下：

对比试验结果，可以得出：通过材料量统计，可以看出软体石墨接地比普通钢筋接地接地材料要减少20%，而在土壤电阻率高达1000~1300Ω的情况下，接地电阻反而要低70%~80%。

7.3接地装置的检验

接地装置的检验主要包括接地网、接地体、连接部件等部件的安装质量、位置、数量、参数等方面。具体方法有现场观察、测量、试验等。例如，可以通过测量接地网或者接地体周围土壤电阻率来判断其是否符合设计要求；可以通过试验仪器对接地系统进行接地电阻测试，并与标准规范进行比较；可以通过观察连接部件是否牢固可靠，是否有腐蚀或者损坏现象。

7.4本工程接地型式选择

经收资，本工程所处地区为华北平原地区，土壤电阻率较小，普遍不超过50Ω·m，根据表5.2.1确定，杆塔接地电阻控制在10Ω以内。

图7-4垂直接地体示意图

垂直接地体接地电阻计算如下：

对于本工程土壤电阻率不大于50Ω·m的情况，经计算当采用两根长为3m，直径Φ12的软体石墨接地极垂直接地时，接地电阻为8.75Ω。

结语

通过对防雷影响因素的分析比较，提出本工程线路防雷保护的综合措施及防雷保护推荐意见：1、合理选择线路路径。2、加强线路绝缘水平：根据线路污秽等级及耐雷水平合理选择绝缘配置。3、降低杆塔接地电阻-采用新型接地型式：软体石墨接地。比普通钢筋接地接地材料要减少20%，接地电阻要低70%~80%，结合基础施工，提高了接地施工效率和经济效益。4、调整避雷线与导线的距离，避雷线与边导线形成的角度不大于15°。

参考文献：

[1]王垒.110kV高压交流输电线路雷击危害及防雷技术[J].中国高新科技，2021，32(1): 51-53

[2]蒋正虎.石墨覆铜柔性接地材料及其接地特性[J].电力设备管理，2020，58(2): 66-67

作者简介：

钟海光，男，本科，注册电气工程师（发输电），从事输电线路设计研究