金华送变电工程有限公司 浙江省金华市 321000
摘要：输电线路降低杆塔接地电阻是防反击雷最有效的措施，而对防绕击雷则效果不大，因此在这里提出一些综合防绕击的措施：在杆塔周围30m内的在避雷线上或塔顶、横担头加装侧向短针、多针系统、侧向避雷针或带空气间隙的氧化锌避雷器等，阐述有关防雷设备、防雷措施、雷击跳闸原因，解释了处在斜山坡的杆塔下山侧边导线防雷保护角增大的原因。
关键词：反击，绕击，侧向避雷针，防雷措施，雷击跳闸原因
一、引言
随着我国电网建设范围不断扩大，输电线路杆塔免不了会建设在一些复杂的、雷电出现频繁的区域，电已经成为最重要的资源之一，如何保证电力的可靠供应对于国民经济发展和人民生活水平的提高都有非常重要的意义。从当前电力系统运行状况来看，因雷击而导致输电线路短路跳闸、变电所失压的恶性事故时有发生。如何防雷显得十分重要，在实际中，输电线路的防雷保护是一个系统工程，需要因地制宜，根据不同区域的地形地貌和气候特点，合理地选择防雷保护措施，不但可以减少由于雷电击中输电线路而引起的跳闸次数，还可以有效保护变电站内电气设备的安全运行，是维持电力系统持续、可靠供电的重要环节。
二、输电线路防雷的防雷设备及防雷措施
（一）避雷针和避雷线保护作用的原理
避雷针（线）的保护原理可归纳为：当雷云的先导向下发展到离地面一定高度时，远远高出地面的避雷针（线）顶端会形成一个局部电场强度集中的区域，从而有可能在避雷针（线）顶端产生局部放电并形成向上的迎面先导，这将影响下行先导的发展方向。由于受避雷针、避雷线的向上先导的引导，雷电的向下先导将直接击中避雷针（线），然后通过与其相连的接地装置把巨大的雷电流直接泄入大地，从而使避雷针（线）周围的设备免遭雷击破坏。避雷针比较适宜于为发电厂和变电所这些相对比较集中的保护对象提供保护；而像架空线路这样伸展很广的保护对象，则通常应采用避雷线来进行保护。为了使雷电流顺利泄入地下和降低雷击点的过电压，避雷针和避雷线必须有足够截面的可靠接地引下线和良好的接地装置，其接地电阻应足够小。
（二）避雷器的分类
1、保护间隙
2、排气式避雷器（管式避雷器）
3、阀式避雷器（普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器）
4、金属氧化物避雷器
（三）输电线路防雷设备及防雷措施
输电线路的各种防雷措施都有其针对性。现对线路运检部门常用的输电架空输电线路防雷措施简述如下：
1、架设避雷线
避雷线是高压和超高压输电线路最基本的防雷措施，其主要目的是防止雷直击于导线。
2、降低杆塔接地电阻
这是在提高线路耐雷水平、防止反击中，通常处于最优先考虑的常用主要保护手段。杆塔的工频接地电阻一般为10~30Ω。
3、加强线路绝缘
主要有加绝缘子串的片数、改用大爬距悬式绝缘子、增大塔头空气间隙等。
4、架设耦合地线
可以加强地线的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，从而提高线路的耐雷水平。
5、采用消弧线圈
适用于35kV及以下的线路，可大大降低冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率，减少线路的雷击跳闸次数。
6、装设自动重合闸装置
自动重合闸是减少线路雷击停电事故的有效措施，各种电压等级的线路应尽量装设自动重合闸。
7、采用不平衡绝缘方式
不平衡绝缘方式就是使两个回路的绝缘子串片数有差异，雷击时绝缘子串片数少的回路一定会先发生闪络，闪络后的导线相当于一根地线，从而增加了对另一回导线的耦合作用，提高了另一回的耐雷水平，使之不会再发生闪络，这样就保证了该回路可以继续供电。
8、装设避雷器
避雷器是用以限制由线路传来的雷电过电压或由操作引起的内部过电压的一种电气设备，它实质上是一种放电器，并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器即先放电，限制了过电压的发展，从而保护了其它电气设备免遭击穿损坏，因此它的动作并不会引起线路跳闸。
9装设输电线路分布式故障诊断装置
输电线路分布式故障诊断装置可以自动监测、采集、存储输电线路各种故障情况下的行波电流波形数据，并能自动区分雷击故障和非雷击故障，且精确地定位故障位置，在电气故障发生后发送短信及事故的诊断结果，极大减少过去事故抢险工作花费在寻找故障点的大量的人力物力及时间上，可以为以后有关的线路设计或改造提供依据。
三、输电线路雷害故障分析
（一）雷电定位系统监测到线路雷害故障多为小幅值雷电流引起的
输电线路地处野外，途径农田、高山，跨江河水库或峡谷等，由于其突出地面几十米甚至上百米，又输送着电能，一直以来都是雷害侵袭的重点，按DL/T620第6.1.3条规定，在多雷区（平均雷暴日超过40个但不超过90个的地区）设计线路耐雷水平执行以下规定：
有避雷线的线路杆塔耐雷水平表
我省各电压等级的输电线路耐雷水平均按规程的要求设计架设。过去人们一直认为220 kV及以上电压等级线路，特别是500kV线路，由于绝缘水平高，线路的耐雷水平也高，对照雷电流的概率，雷击应该是次位的，操作过电压在绝缘配合中占主导地位，因此线路一旦雷击跳闸，线路运检单位一般不进行雷害故障现场调查和计算分析。事实上为降低雷击跳闸率而花大力气进行降低杆塔接地电阻的做法是防反击雷最有效的措施，而高电压等级线路经常发生雷害故障多数由绕击雷引起的。
摘录某省雷电定位系统2017年、2018年的监测数据：17年全省雷电日365个，雷电小时7353小时，共探测到896528个雷电数据（不包括回击雷和云闪雷），平均落雷密度为8.719个/km2，50%负极性雷电流概率值为17 kA；18年全省雷电日361日，雷电小时6243小时，共探测到822956个雷电数据（不包括回击雷和云闪雷），平均落雷密度为8.004个/km2，50%负极性雷电流概率值为23 kA。虽然监测到得雷暴日比规程中的多雷区雷暴日要多的多，但220kV及以上运行线路的设计耐雷水平都在90 kA ~150 kA之间，远比17~18两年中监测到的10%负极性雷电流概率值38 kA~42 kA高，充分说明220kV及以上线路雷害故障几乎由绕击引起。这点可以从我局的雷击跳闸后计算分析中得到验证，雷害故障杆塔的反击耐雷水平远高于其绕击耐雷水平。根据我们的分析表明：在相对较小的雷电流状态下，保护角失效造成雷电绕击带电导线是220kV及以上输电线路雷击跳闸的主要原因。
（二）绕击雷害多发生在山区斜坡的下山侧边相上的原因
输电线路绝大多数的导线排列方式为水平排列，地处平地上的架空线路，上方雷云是垂直于地面，假设此时架空地线保护角为30度，则两个边相的保护角基本上也在30度左右。
当山坡的坡度为10度时，雷云仍然垂直于地面，此时架空地线相对于上山坡侧的边相保护角应为30-10=20度，而下山坡侧的边相保护角就等于30+10=40度了。由于地形高差及斜山坡角度的影响，斜坡地上的架空线路下山侧的导线暴露弧线明显增大，失去了避雷线的有效屏蔽。即使完全屏蔽区外的空间仍有绕击线路的可能，因此绕击下山坡导线的概率也明显增加了。地面倾角θ =300上的线路绕击率是地面倾角θ =00上线路绕击率的5.73~8.79倍。
根据DL/T620中的C19公式解释和实践证明：山区线路的绕击率约为平地线路的3倍，或相当于地线保护角增大80的情况。
（三）采用V串设计降低雷击跳闸率
我国输电线路塔头绝缘配合，一般按Ι串绝缘子在最大风偏下的空气间隙击穿电压与绝缘子串闪络电压的0.85配合比设计控制塔头间隙。线路Ι绝缘子串即110 kV配7片（146mm高度）、220 kV配13片和500 kV配28片（155mm高度）盘形绝缘子结构高度。由于Ι型（铰链）悬挂，设计必须考虑导线对塔窗的风偏摇摆控制，即空气间隙+绝缘子串风偏摇摆距离=带电体与塔身间距，加大了导线荷载对杆塔基础的力矩。同时上述配置无法采用招弧角来保护瓷绝缘子串免受电弧烧伤瓷釉的技术措施。又因Ι绝缘子串的塔头间隙控制，随着环境污染加重，无法靠增加绝缘子片数来提高污秽等级。
由于空气间隙击穿电压远大于绝缘子串沿面闪络电压，致使输电线路的故障次数占电网全部故障的80%左右，据统计我国输电线路沿绝缘子串闪络跳闸与由塔头空气间隙击穿放电的跳闸比在10：1 ~12：1之间，而统计到的几次空气间隙击穿放电其实是跳线风偏摇摆安全距离不足引起的。
针对Ι串的塔头绝缘配合设计不足，以及环境污染对输电线路的安全运行威胁越来越大的情况，线路设计将原Ι串悬挂，在最大设计风偏下的空气间隙击穿电压与绝缘子串闪络电压0.85的配合比减小到0.5 ~0.7左右（即可增加绝缘子串片数），为减小配合比后不增加铁塔的呼高，可将铁塔两边相横担加长，三相绝缘子串均按V串布置，塔头的最小空气间隙仍按规程要求的外过电压值校核，使按V串布置的空气间隙绝缘与原先设计理念一致，从而使新建线路外绝缘的有效泄漏比距可达到4.5~5.0cm/kV以上，基本免除了绝缘子串的清扫工作。虽然V串形式增加了绝缘子片数，但其整串的沿面闪络电压仍然比外过电压控制的空气间隙放电电压低，从而能大幅度降低线路雷击闪络跳闸的几率。
复合绝缘子采用V串布置时，在导线受横向风压力情况下，它不同于盘形绝缘子的每个铰链结构将受力位移分解，从而发生W（R）销变形失效钢脚脱出等事故。复合绝缘子在500kV线路上，实测导线第一个伞裙的分布电压在32kV~37kV之间，为防止超高压复合绝缘子高压端因场强高而引发的硅橡电蚀或树枝状贯通等造成的钢脚、碗头脱出、芯棒别断掉串事故，可采用玻璃与复合绝缘组合方式，经过实际测量，这种组合方式的高压端第一个伞裙的分布电压已降到25kV左右（低于电晕起始电压值），从而即分解了横向风压对V串复合绝缘子的压力，又降低了复合绝缘子高压端强电场超标隐患。
四、提高输电线路防绕击雷害的措施
（一）安装防绕击装置
220kV及以上输电线路的耐雷（反击）水平处在90kA~150kA之间，因此这类线路发生反击雷害跳闸的情况比较少，特别是500kV线路，几乎都由绕击雷害造成的，而输电线路的绕击区一般在杆塔周围30米左右范围内，所以在避雷线或塔顶、横担头加装侧向短针、多针系统或侧向避雷针等综合防绕击装置，是将绕击雷害转化为吸引到塔身上并形成下泄释放或反击雷害，因为线路的反击耐雷水平大大高于绕击耐雷水平，而造成220kV及以上线路绕击雷害的雷电流仅为15~30 kA（220kV耐绕击水平为12 kA，500kV耐绕击水平为21.4kA），即使将此类较小雷电流的雷引到杆塔周围的避雷线上侧向短针、塔顶的多针系统或横担侧向避雷针，也不会引起杆塔绝缘子串的反击闪络跳闸。
（二）安装带空气间隙线路避雷器
对于雷电活动比较强烈、土壤电阻率高、地形复杂的线路杆塔，应该考虑安装带空气间隙的线路避雷器，这样就可以降低雷击跳闸率。线路避雷器一般安装在线路容易遭雷击的地段，但在选择安装线路避雷器地点时，应结合本地区近几年来的线路雷击跳闸情况、运行经验，还有线路经过的地形。综合考虑以上各种因素之后，再确定线路避雷器安装的最佳地点。
下面将介绍我局管辖的某110kV线路安装了线路避雷器后的效果：某110kV线路大部分线段位于山地，多年来经常发生雷击跳闸故障。根据这种情况，我们单位就在这条线路上安装了3组避雷器，共9只。
该线全长25.75公里，2014年投入运行，据统计该线路在2015年和2016年共有7次雷击跳闸，其中23#~28#段就有3次雷击跳闸。为此，我们对该线路的有关数据进行分析，发现该线22#~30#位于山的向阳坡上，经过测量杆塔的接地电阻，测出接地电阻值要大于设计值。考虑到这几种因素，我们决定在该线23#、25#、27#各安装3组共9只避雷器，运行至今已有3年时间，在这几年时间里，该线路没有发生过雷击跳闸故障。
根据线路雷害易击点的实践安装情况说明，安装带空气间隙的线路独立避雷器，在防止线路无论是雷害绕击导线或雷击塔顶、避雷线时的反击方面都是非常有效的。
五、输电线路雷击跳闸原因分析实例
（一）、线路跳闸、故障查询情况
表1 线路跳闸情况表
（二）、线路概况
溪太4395线，于2008年11月27日投运，由XX变电所至XX变电所。线路全长24.146公里。运行号为1#～70#段，共70基铁塔。导线型号：2*LGJ-400/35，2*LGJ-400/50；地线型号：JLB35-150，OPGW。相关跳闸杆塔参数如下：
表2 杆塔参数表
（三）、故障杆塔闪络点
（图1）18#A相跳线闪烙照片（跳线侧）（图2）18#A相下横担
（四）、地形地貌
（图3）18＃所处地形（18＃小号侧）（图4）18#所处地形（18＃大号侧）
1、故障点18＃塔位于高山区段。
2、18#塔A相位于山脊的下山侧，地势起伏较大，两侧跨山坳。
（五）、故障塔耐雷水平计算
根据经验公式计算得出溪太4395线18＃的耐雷水平
表3 耐雷水平计算参数表
（六）、跳闸原因分析
1、雷电定位系统统计及性质分析：
溪太4395线跳闸时间07月24日18：33分35秒（GPS时间数据从丹溪变询得）
2、应用雷电定位系统时间段为在18：31分~18：35分，查询范围查询范围以故障杆塔18＃塔为中心，半径5公里，查询结果如下：在此时间及空间的范围共查询得58个雷电数据，系统显示，数据大小为（18.8～66.4kA），考虑雷电定位系统的计算误差，雷电数据实际取值约为10KA～70kA，远小于18＃塔的反击耐雷水平（本次计算数据为149 KA），因此雷电流强度不足以引起反击，此次雷击跳闸性质为绕击。
2、通过地形及杆塔参数对雷击性质的分析
正常状态下（平地），线路导线由于受到地线的保护及地面和地面建筑物的保护，而避免受到雷电流直击，18＃塔位于山丘顶部，大小号侧均跨越山坳，地形起伏较大，故障相导线位于下山侧，失去地面及山体的保护，雷电流可在此区域绕过地线直击导线。
（七）、存在问题
计算耐雷水平的经验公式是在平地线路基础上建立并应用的，用于高山区域杆塔的计算有一定的局限性，如在计算中无法正确取得导地线平均高度，使计算数据误差较大。
（八）、反措
综合以上分析溪太4395线18＃塔雷击跳闸主要是由于区域段的落雷超过绕击耐雷水平，落雷密度大，考虑如改变线路路径不符合电网实际，而采取增加绝缘或架设偶合地线等措施又有其局限性，故拟采用的措施为在13#~23#段安装氧化锌避雷器，从而降低雷击跳闸率。
六、结束语
综上所述，线路发生雷击跳闸的原因是多方面的，在选择线路防雷措施时，应综合考虑系统的运行方式，线路的电压等级和重要程度、线路经过地区的雷电活动的强弱、地形地貌特点、土壤电阻率的高低等自然条件，参照当地原有线路运行经验，采取针对性的措施，提高输电线路的整体防雷性能。
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论文作者:施文华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/20
标签：线路论文; 雷电论文; 绝缘子论文; 杆塔论文; 雷害论文; 避雷器论文; 导线论文; 《基层建设》2019年第24期论文;