架空输电线路防雷技术研究及差异化防雷

架空输电线路防雷技术研究及差异化防雷

吕诚、武军

 (中广核新能源投资（深圳）有限公司内蒙古分公司，呼和浩特赛罕区010020)

摘 要： 随着公司在建、在运项目逐渐增多，输电线路长度也在逐步增加，伴随着输电线路雷害问题凸显明显。本文从雷击的机理、分类及其危害进行分析，发现输电线路遭受雷击和闪络的影响因素是复杂的，主要有：塔型（地线保护角、塔高、呼高等）、线路绝缘配置（绕击、反击）、地形（山区、平原等）、地质（土壤电阻率、矿藏等）、雷电活动情况（雷电日、地闪密度、雷电流概率分布）、杆塔接地电阻、线路档距、工作电压等等。从而进一步研究雷电监测系统，其包括雷电定位、雷电预警、雷击故障定位与辨识、及其他雷电参数测量等。提出差异化防雷，通过雷击故障风险分析，确定区域风险级别，针对不同区域、不同风险、不同电压等级，采取差异化防雷措施，最终达到优良的防雷效果

关键词： 雷击； 影响因素； 雷电监测系统；差异化防雷。

1 雷击机理、分类及危害

1.1雷击机理

雷电一般起于对流发展旺盛的雷雨中。感应起电理论认为，在晴天大气电场下，电场方向自上而下，在垂直电场中下落的降水粒子被电场极化后，上部带负电荷，下部带正电荷。云中的小冰粒或是小水滴在同这些较大的降水粒子碰撞后，就获得了正电荷，然后会随着上升气流向上走，从而发生电荷的转移。如图1-1。

图1-1 小水滴和小冰粒与极化的降水粒子碰撞获得电荷示意图

在雷电发生之前，带有不同极性和不同数量电荷的雷雨云之间，或是雷雨云与大地物体之间会形成强大的电场，如图1-2。随着雷雨云的运动和发展，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时，就可能在雷雨云内部或雷雨云与大地之间发生发电现象，伴随发光、发热和轰隆声，即产生雷电。如图1-3

图1-2 雷雨云内部和雷雨云与地面物体电场分布示意图

图1-3 雷电形成示意图

1.2雷击分类

根据形成原因，输电线路雷击过电压可分为感应雷过电压和直击雷过电压。感应雷过电压是雷击线路附近大地由于电磁感应在导线上产生的过电压，而直击雷过电压则是雷电直接击中杆塔、地线或导线引起的线路过电压。从运行经验来看，35Kv及以下电压等级的架空线路，感应过电压可能引起绝缘闪络。

由于架空输电线路长期暴露于自然环境中，所处之地大都为旷野、丘陵或高山，且线路距离一般较长，杆塔高度较高，因此遭受雷击的概率很大。图1-4为输电线路雷击物理过程。

雷雨下行先导到达地面一定距离时，输电线路铁塔、地线、导线、地面其他物体产生迎面先导，这些迎面先导会竞争和雷云下行先导连接，决定着最终回击路径和雷电集中点。根据这一物理过程，输电线路的雷击形式可大致分为绕击和反击。

图1-4（a）雷云下行先导向地面物理发展    图1-4 （b）铁塔或地线、导线产生迎面先导

图1-4 （c）雷云下行先导击中铁塔或地线    图1-4（d）雷云下行先导击中导线

1.3雷电的危害

（1）大电流。雷电的放电电流很大，平均25kA至45kA，大雷暴可达200kA。短时间大热量，温度可达30000K，而太阳表明的温度只有60000K。如此大的电流在短时间内可导致极度发热。

（2）二次效应。雷击点的地电荷相对是空穴，周围区域有较多电荷冲向雷击点，地电流能在通过间隙处产生电弧。如果电弧发生于易燃物质中，将引起火灾和爆炸；如果电弧发生在电机轴承的间隙中，将烧伤轴承，引起轴承的过早磨损。

（3）电磁效应的危害。云对云和云对地雷击时，电磁感应会在临近的电线或其他导体中产生感应电压。雷击时的通—断、通—断作用，引起雷击点周围的电磁场的产生和消失（即产生电磁振荡），此作用在电话线、电源线和设备内电路中产生感生电流，导致设备损坏。

2雷电的影响因素

输电线路遭受雷击和闪络的因素是复杂的，主要包括：塔型（地线保护角、塔高、呼高等）、线路绝缘配置（绕击、反击）、地形（山区、平原等）、地质（土壤电阻率、矿藏等）、雷电活动情况（雷电日、地闪密度、雷电流概率分布）、杆塔接地电阻、线路档距、工作电压等等。下面主要讲解绕击、反击耐雷性能影响。

2.1绕击耐雷性能影响因素

绕击耐雷水平和绕击跳闸率是表征架空输电线路绕击特征的主要参数，是受地线保护角、地形地貌等因素影响。

（1）地线保护角

对于相同电压等级的交流输电线路，地线保护角越小，线路的绕击跳闸率越低，这是由于保护角减小后，线路的暴露弧面减小，遭受绕击的概率变小，进而使得绕击跳闸率减小。

（2）地形地貌

从雷击故障点分布看，地线地貌对线路雷击跳闸应先明显。山区地段由于地形起伏较大，气流活动特殊，导致落地雷密度较平原地区高，山顶、山坡雷击故障次数高于平原地区。线路绕击故障约70%出现在山区、丘陵，其中又以山顶和山坡外侧雷击故障为主。线路大跨越山谷也会导致两侧的暴露面明显增大，增加导线绕击率。

2.2反击耐雷性能影响因素

反击耐雷水平和反击跳闸率是表征架空输电线路反击特征的主要特征参数，主要影响因素为杆塔接地电阻。对于同一电压等级的架空输电线路，随着杆塔接地电阻阻值的增加，反击耐雷水平显著降低，反击闪络率显著增加，这是由于当杆塔接地电阻增加时，雷击塔顶时塔顶电位升高程度增加，绝缘子承受过电压增加，降低了线路的反击耐雷水平，提高了线路雷击跳闸率；在杆塔接地电阻阻值相同的情况下，随着电压等级的增加，由于架空输电线路绝缘水平不断提高，其反击耐雷水平也逐渐增加，反击跳闸率降低。

2.3耐雷性能综合影响因素

耐雷综合影响因素主要有杆塔呼高、线路档距等，这些因素对输电线路的绕击和反击耐雷性能均会有一定影响。

（1）杆塔呼高

线路雷击故障和杆塔呼称高度有一定的关联性，杆塔呼高对线路引雷次数有影响，杆塔呼高过高，导致导线离地面高度较高，从而减小了地面对导线的屏蔽性能，有可能导致线路绕击数量增加。

（2）档距

一般情况下，档距增大，分流作用降低（含相邻杆塔的分流、雷击档距中央的分流），线路的雷击闪络率增高。

3差异化防雷

3.1雷击故障风险分析

依据不同电压等级、不同区域线路的重要程度，选择合适的雷击风险分析方法。

3.1.1差异化雷击风险分析法

一般线路，采用传统雷击风险分析法。该方法是以某一区段线路典型杆塔在传统雷电参数和典型地形地貌下计算得到的雷击跳闸率作为评价指标。该区段线路的雷击跳闸率计算值P=𝑷1（典型杆塔的反击跳闸率）+𝑷2（典型杆塔的绕击跳闸率）。该方法无法反映线路沿线各个区域的雷电活动特征、地形地貌特征等差异性，无法达到预期效果，已很少采用。

核心骨干网络，采用差异化雷击风险分析法：

表1 计算参数及方法

差异化雷击风险分析法是针对不同区域、不同电压等级、不同重要性线路雷击特性的差异性，通过计算线路某一区段逐基杆塔的雷击跳闸率来分析该区段线路的雷击风险。该区段线路雷击跳闸率计算值P由下式确定：

P=

式中：n——该区段线路杆塔的总基数；——第k基杆塔的反击跳闸率； ——第k基杆塔的绕击跳闸率。

计算方法应综合考虑线路走廊的雷电活动特征、地形地貌特征、杆塔结构特性和绝缘配置等因素，选择合适的计算方法，计算该区段线路逐基杆塔的反击和绕击跳闸率。

3.1.2感应雷风险

感应雷破坏本质是感应过电压，通常我们称之为电涌。电涌可以通过导体直接传播，也可以通过多种耦合途径传播。耦合途径传播途径有电阻耦合、电磁耦合、电容耦合，其危害程度主要取决于电气设备防雷效果及站用防雷电涌措施是否得当，跳闸率一般很难统计分析计算。

3.1.3绕击跳闸率计算

采用改进电气几何模型（EGM）法计算，宜考虑以下因素：

1）雷电先导入射角θ的分布概率P(θ) ，计算公式为：

=

式中：

——系数，一般取0.75。

2）雷电先导对大地的击距与对导、地线击距不同，可依据导线对地的平均高度，雷电先导对大地的击距采用相应的击距修正系数β进行修正。

= 0.36+0.17（43-）   ＜40m

0.55     ≥40m

式中：——导线对地平均高度，m；

3）地形的影响。采用地面倾斜角等效地形的影响，当地面倾角为时，雷电先导对导、地线的最大击距可按下式计算。

=

式中：

——避雷线平均高度；——线平均高度；——保护角；——地面倾角。

3.1.4反击跳闸率计算

EMTP法或行波法将雷电波传播的过程等效为电阻性网络电路模型，计算实际电路的波过程。该过程充分考虑了雷电波过程，与实际电路了的波过程吻合较好，在反击雷跳闸精确计算中得到广泛的应用。

EMTP法宜考虑下列因素：

（1）考虑工作电压的影响。工频电压对双回线路的影响比较复杂，它与线路运行电压的相角有关，当工频电压相位角在～变化时，工频电压的幅值为：

=

式中：——工频电压幅值，kV；——线路最高运行电压， kV 。

（2）考虑感应电压的影响：

感应电压分量的近似计算公式为：   =2.2（1-）

式中： ——导线对地平均高度，m；——避雷线对地平均高度，m；——导线和避雷线间的耦合系数。

（3）空气间隙闪络的判据。一般采用相交法作为空气间隙闪络的判据：

（4）考虑土壤电阻率及流过接地体的电流对冲击阻抗的影响，接地电阻采用杆塔冲击接地电阻模型。

=

式中：——工频接地电阻；——通过接地电阻的电流；——土壤电离化的最小电流。

=

——土壤电离时的场强，一般取300kV/m～400kV/m；——土壤电阻率， Ω•m 。

3.2一般线路的差异化防雷措施

3.2.1风险级别的确定

以计算区段线路雷击跳闸率设计指标为雷击风险分析指标，结合雷害分布图和运行经验，以50%、100%、150%为分级点，将雷击风险级别分为A级、B级、C级、D级，并将该区段新路的雷击跳闸率计算值P与设计指标进行比较，分析该区段线路的雷击风险，根据分析结果，给出区域线路防雷措施：

4.2.2差异化防雷措施

以“差异化防雷”的思想指导线路防雷，依据雷害风险级别分布确定绕击、反击发生概率较高区段或杆塔，结合相关标准及原则制定防雷改造方案。对这些杆塔进行有针对性的防雷设计、改造。

3.2.3差异化防雷装置的典型选择

（1）导体多短针雷电放散装置

众所周知：尖端周围的电场强度越高越容易放电，而电场强度取决于如下因素

E=Q/4πε

由上式可看出，同一空气介质中，在电荷量Q一定的情况下，尖端的曲率半径越小，电场强度越高。多短针雷电放散装置的放电尖端极细（直径0.2mm），因此在积累电荷量很少的情况下，电场强度就已很高，尖端开始放电；同时，其放散电极很多（从几万到十几万不等），可以保证积聚到杆塔顶端的大量电荷得到及时放散，故不宜与云层步进先导接通，因此不易引发雷击。

（2）三位一体集中接地网

1）接地网面积大。将风机终端杆、箱变、风机三台设备的接地网连在一起，扩大了接地网面积，提高雷击的均压、泄流和散流能力；

2）提高接地体与接地极耐腐蚀。采用铜质、铜覆钢（铜层厚度不小于0.25mm）具有防腐性能优越材质的接地网；

3）采用复合接地体、放热焊剂，使用先进的放热焊接方法，有效降低工频接地阻抗。

（3）线路避雷器

（1）通流容量大。选用标称放电电流为10kA的避雷器，提高大电流冲击耐受能力。

（2）带支撑间隙的线路避雷器。对于带间隙线路避雷器，由于间隙的隔离作用，避雷器本体承受的长期工频电压较低，氧化锌电阻片的老化问题不突出，运行维护工作量小；即使避雷器本体发生故障（如短路），一般也不影响线路的正常运行；同时避雷器本体几乎不承受操作过电压和工频过电压，仅需考虑雷电过电压的冲击能量。

（4）复合外套避雷器

复合外套一般由有机合成材料制成，如乙丙橡胶、高温硫化硅橡胶。与瓷外套避雷器相比，复合绝缘式避雷器具有耐污能力强、体积小、重量轻和不易破碎等优点。

参考文献

[1]. 电气工程师手册编辑委员会.《电气工程师手册》.北京.中国电力出版社.2008

[2]. 国家电网公司运维检修部.《输电线路六防工作手册—防雷害》.中国电力出版社. 2015.7

[3]. 玛斯特系统防雷技术

[4]. DL/T 1481. 《架空输电线路故障风险计算导则》.国家能源局.2015年发布

作者简介：

1.吕诚（1984.09-），男，工程师，主要从事变电运维技术管理研究。通讯地址：内蒙古呼和浩特市如意和大街财富中心A13层；邮编：010020 ；联系电话：15904744733（手机）；邮箱：11765808@qq.com。

2.武军，（1989-），男，工程师，工科学士，长期从事变配电设备检修工作。通讯地址：内蒙古呼和浩特市赛罕区如意和大街乌兰财富中心A13层；邮编：010020；联系电话： 15849119092（手机）；邮箱：495413987@qq.com。