雍文涛 安徽省黄山市供电公司线路工区 

1、概述

1.1项目背景

　　输电工程伊始，架空输电线路和雷击跳闸一直是困扰安全供电的一个难题，雷害事故几乎占线路全部跳闸事故1/3或更多。因此，寻求更有效的线路防雷保护措施，一直是电力工作者关注的课题。

　　黄山电网处于安徽电网末端的皖南山区，山峦起伏、地形剧变、峰高谷深，现有的35-220KV线路长度达650余km、杆塔2022基，约85%均分布在山区。线路所经地区为多雷区，黄山地区年均雷暴日达55-70之间。由于黄山电网处于系统未端，主电源线路为两条220KV宁万2895、2896线及110KV陈太484、绩金916线路，黄山市作业国际性的旅游都市，每年政治保电、接待任务繁重，其特殊性对黄山电网的安全运行提出了更高的标准。而地处皖南的黄山电网，线路雷击跳闸是整个电网跳闸的重要原因，经常占到跳闸总数的80-90%。且由于线路大多处于高山大岭，降低雷击跳部率对于日常线路设备的运行维护人员来说将大大降低劳动强度，因此如何有效防止雷击故障的发生，对防雷措施进行综合研究，尽量降低雷击跳闸率，其效益是不仅仅用金钱来衡量的。山区线路防雷综合措施主要分成三个方面，它们是：安装线路避雷器、杆塔接地电网改造和安装可控放电避雷针。这些措施将从防止直击雷跳闸、反击雷跳闸两个方面对线路防雷起到综合作用。

1.2行业现状

　　目前输电线路本身的防雷措施主要依靠架设在杆塔顶端的架空地线，其运行维护工作中主要是对杆塔接地电阻的检测及改造。由于其防雷措施的单一性，无法达到防雷要求。而以前所推行的安装耦合地线、增强线路绝缘水平的防雷措施，受到一定的条件限制而无法得到有效实施，如通常采用增加绝缘子片数或更换为大爬距的合成绝缘子的方法来提高线路绝缘，对防止雷击塔顶反击过电压效果较好，但对于防止绕击则效果较差，且增加绝缘子片数受杆塔头部绝缘间隙及导线对地安全距离的限制，因此线路绝缘的增强也是有限的。而安装耦合地线则一般适用于丘陵或山区跨越档，可以对导线起到有效的屏蔽保护作用，用等击距原理也就是降低了导线的暴露弧段。但其受杆塔强度、对地安全距离、交叉跨越及线路下方的交通运输等因素的影响，因此架设耦合地线对于旧线路不易实施。因此研究不受条件限制的线路防雷措施就显得十分重要，将安装线路避雷器、降低杆塔接地电阻、安装可控放电避雷针进行综合分析运用，从它们对防止雷击形式的针对性出发，真正做到切实可行而又能收到实际效果。

1.3项目目标

　　通过进行安装线路避雷器、降低杆塔接地电阻、安装可控放电避雷针三种措施的综合运用，有效降低线路跳闸率。从而大大提高黄山电网的安全可靠运行水平，确保城市旅游业及工农业、生产生活用电。

1.3.1雷击跳闸分析

　　高压送电线路遭受雷击的事故主要与四个因素有关：线路绝缘子的50%放电电压；有无架空地线；雷电流强度；杆塔的接地电阻。高压送电线路各种防雷措施都有其针对性，因此，在进行高压送电线路设计时，我们选择防雷方式首先要明确高压送电线路遭雷击跳闸原因。

1)高压送电线路绕击成因分析

　　根据高压送电线路的运行经验、现场实测和模拟试验均证明，雷电绕击率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及高压送电线路经过的地形、地貌和地质条件有关。对山区的杆塔，计算公式是：

　　山区高压送电线路的绕击率约为平地高压送电线路的3倍。山区设计送电线路时不可避免会出现大跨越、大高差档距，这是线路耐雷水平的薄弱环节；一些地区雷电活动相对强烈，使某一区段的线路较其它线路更容易遭受雷击。

2)高压送电线路反击成因分析

　　雷击杆、塔顶部或避雷线时，雷电电流流过塔体和接地体，使杆塔电位升高，同时在相导线上产生感应过电压。如果升高塔体电位和相导线感应过电压合成的电位差超过高压送电线路绝缘闪络电压值，即Uj ＞ U50%时，导线与杆塔之间就会发生闪络，这种闪络就是反击闪络。

　　由以上公式可以看出，降低杆塔接地电阻Rch、提高耦合系数k、减小分流系数β、加强高压送电线路绝缘都可以提高高压送电线路的耐雷水平。在实际实施中，我们着重考虑降低杆塔接地电阻Rch和提高耦合系数k的方法作为提高线路耐雷水平的主要手段。

2 .高压送电线路防雷措施

　　清楚了送电线路雷击跳闸的发生原因，我们就可以有针对性的对送电线路所经过的不同地段，不同地理位置的杆塔采取相应的防雷措施。

　　⑴ 加强高压送电线路的绝缘水平。高压送电线路的绝缘水平与耐雷水平成正比，加强零值绝缘子的检测，保证高压送电线路有足够的绝缘强度是提高线路耐雷水平的重要因素。我们在设计高压线路时充分比较各种绝缘子的性能，分析其特性，认为玻璃绝缘子有较好的耐电弧和不易老化的优点，并且绝缘子本身具有自洁性能良好和零值自爆的特点。特别是玻璃是熔融体，质地均匀，烧伤后的新表面仍是光滑的玻璃体，仍具有足够的绝缘性能，所以设计中我们多考虑采用玻璃绝缘子。

2.1 线路避雷器安装

　　运用高压送电线路避雷器。由于安装避雷器使得杆塔和导线电位差超过避雷器的动作电压时，避雷器就加入分流，保证绝缘子不发生闪络。我们在雷击跳闸较频繁的高压送电线路上选择性安装避雷器。

　　线路避雷器一般有两种：一种是无间隙型；避雷器与导线直接连接，它是电站型避雷器的延续，具有吸收冲击能量可靠，无放电时延、串联间隙在正常运行电压和操作电压下不动作，避雷器本体完全处于不带电状态，排除电气老化问题；串联间隙的下电极与上电极（线路导线）呈垂直布置，放电特性稳定且分散性小等优点；另一种是带串联间隙型，避雷器与导线通过空气间隙来连接，只有在雷电流作用时才承受工频电压的作用，具有可靠性高、运行寿命长等优点。一般常用的是带串联间隙型，由于其间隙的隔离作用，避雷器本体部分(装有电阻片的部分)基本上不承担系统运行电压，不必考虑长期运行电压下的老化问题，且本体部分的故障不会对线路的正常运行造成隐患。

　　线路避雷器防雷的基本原理：雷击杆塔时，一部分雷电流通过避雷线流到相临杆塔，另一部分雷电流经杆塔流入大地，杆塔接地电阻呈暂态电阻特性，一般用冲击接地电阻来表征。

雷击杆塔时塔顶电位迅速提高，其电位值为

Ut=iRd+L.di/dt(1)

式中　　i——雷电流；

Rd——冲击接地电阻；

L.di/dt——暂态分量。

　　当塔顶电位Ut与导线上的感应电位U1的差值超过绝缘子串50%的放电电压时，将发生由塔顶至导线的闪络。即Ut-U1＞U50，如果考虑线路工频电压幅值Um的影响，则为Ut-U1+Um＞U50。因此，线路的耐雷水平与3个重要因素有关，即线路绝缘子的50%放电电压、雷电流强度和塔体的冲击接地电阻。一般来说，线路的50%放电电压是一定的，雷电流强度与地理位置和大气条件相关，不加装避雷器时，提高输电线路耐雷水平往往是采用降低塔体的接地电阻，在山区，降低接地电阻是非常困难的，这也是为什么输电线路屡遭雷击的原因。

　　加装线路避雷器以后，当输电线路遭受雷击时，雷电流的分流将发生变化，一部分雷电流从避雷线传入相临杆塔，一部分经塔体入地，当雷电流超过一定值后，避雷器动作加入分流。大部分的雷电流从避雷器流入导线，传播到相临杆塔。雷电流在流经避雷线和导线时，由于导线间的电磁感应作用，将分别在导线和避雷线上产生耦合分量。因为避雷器的分流远远大于从避雷线中分流的雷电流，这种分流的耦合作用将使导线电位提高，使导线和塔顶之间的电位差小于绝缘子串的闪络电压，绝缘子不会发生闪络，因此，线路避雷器具有很好的钳电位作用，这也是线路避雷器进行防雷的明显特点。鉴于上述原理，在分析黄山电网雷击跳闸资料的基础上，有选择的在110kV陈太484线29#、110kV苦太911线17#、110kV万岩922线22#塔共计安装了9只带串联间隙的YH10CX-95/300型金属氧化物避雷器、在110kV黟祁941线2#、110kV岩金918线77#塔安装了6只无间隙的HY10WZ-108/281型金属氧化物避雷器挂网同时运行。线路工区结合巡视工作，每年雷季前进行避雷器动作情况检查，雷季结束进行记录。自挂网运行以来，黟祁941线2#无间隙避雷器发现有动作次数记录，分别是：A相动作一次、C相动作两次。说明避雷器对防止雷击跳闸起到了一定的作用，但由于其费用较高，且安装区段与历年来的雷击记录点密切联系，故综合考虑后未进行行推广运用。

2.2杆塔接地网改造

　　降低杆塔的接地电阻。高压送电线路的接地电阻与耐雷水平成反比，根据各基杆塔的土壤电阻率的情况，尽可能地降低杆塔的接地电阻，这是提高高压送电线路耐雷水平的基础，是最经济、有效的手段。对于土壤电阻率较高的疑难地区的线路，则应跳出原有设计参数的框框，特别是要强化降阻手段的应用，如增加埋设深度，延长接地极的使用，就近增加垂直接地极的运用

　　由于我局部分线路是七八十年代投运的老线路,杆塔接地网在建设时使用的材料质量差、截面小和埋设深度不够等原因，接地电阻值长期以来偏大，特别是经历了多年的运行，大部分接地体锈蚀严重，降低了线路的耐雷水平。因此在2002年进行安全性评价的机会，对35-220kV线路杆塔接地网进行行了一次普测接地电阻，并与设计资料进行比较，分析总结进行了244基杆塔接地网进行统一改造。为确保改造工作方便实施，对不同的杆塔型式我们采用φ12的园钢进行了接地网统一设计、统一加工，并热镀锌，避免了高山大岭上进行施工焊接造成工艺质量不合格等的可能，同时也减少了野外工作量，大大降低劳动强度，加快改造速度。通地改造使杆塔地网的接地电阻值大幅度降低，从而使线路的耐雷水平从理论上得到大大提高。特别是一次性对110kV绩金918线路8-77#全线七十年代的杆塔进行了统一改造，对提高该线路整体防雷水平起到了一定的作用。该线路在改造后的2004年至今近两个雷雨年度里未发生过雷击故障。这次改造是很成功的，也说明了降低地网接地电阻是防雷较为有效的措施。

2.2.1设计接地网改造型式

　　方案：利用绝缘摇表采用四极法进行土壤电阻率的测试，以及采用智能接地电阻测试仪,直测土壤电阻率。根据测试的土壤电阻率的结果进行比较再根据设计时所给予的接地装置的型式，确定最终的接地体的敷设方案。

　　有架空地线路的线路杆塔的接地电阻

（一）、接地放射线

　　1、土壤电阻率在1000欧·米及以下的杆塔：采用四根放射线不小于27米的φ12圆钢（热镀锌）进行敷设并焊接。

　　2、土壤电阻率在1000~2000欧·米的杆塔：采用四根放射线不小于55米的φ12圆钢（热镀锌）进行敷设并焊接

　　3、土壤电阻率在2000欧·米以上的杆塔：采用六至八根放射线不小于80米的φ12圆钢（热镀锌）进行敷设并焊接。

（二）、杆塔接地装置埋深：在300<ρ≤2000欧·米的地区，一般采用水平敷设的接地装置，接地体埋深不得小于0.5米；在ρ>2000欧·米的地区，可采用6~8根总长度不超过500米放射形接地体，或连续伸长接地体，放射形接地体可采用长短结合的方式，接地体埋深不得小于0.3米。

（三）、接地电阻值不能满足要求时，可适当延伸接地体射线，直至电阻值满足要求为止，个别山区，如岩石地区，当射线已达8根80米以上者，可不再延长。

（四）、放射形接地体每根的最大长度，应根据土壤电阻率确定：

ρ（欧·米）≤500≤2000 ≤5000

最大长度（米）4080100

（五）、接地体的连接：采用搭接方式，两接地体搭接长度不得小于75mm。

（六）、防腐：焊接部位必须处理干净再做防腐处理。

（七）、为了减少相邻接地体的屏蔽作用，水平接地体之间的接近距离不得小于5米。

四、采取的措施：

　　1、对110kV岩草915线路安评中测出的接地电阻不合格的杆塔的接地电阻进行重新测试；并测试土壤电阻率。

　　2、对安评中查出的接地电阻不合格的杆塔接地放射线进行开挖检查，如只有两根放射线，应重新对本杆塔的未敷设放射线侧进行重新敷设，并进行焊接。

　　3、对检查中发现已烂断或无接地引下线的杆塔接地装置进行焊接，并对接地电阻重新测试，不符合规定的重新进行敷设。

　　4、对被浇灌在保护帽内的接地引下线，采取的方式可为将引下线从保护帽内敲出，再重新浇灌保护帽或将引下线锯断重新进行焊接。

　　5、对重新敷设的接地电阻不合格的杆塔,再次使用降阻剂进行改造。

　　3.3 使用可控放电避雷针

　　该针以变化缓慢的小电流上行雷闪放形式释放雷云电荷，避免强烈的下行雷闪放电危害为设计基础。通过数千次高压放电试验证实它引发的是上行雷，具有保护可靠性提高、范围大，且不受保护物高度影响等特点。经专家评议认为：原理正确，设计思想新颖，保护性能好，是一种有广泛应用前景的直击雷保护设置。

　　可控放电避雷针的保护原理

　　雷云对地面物体放电不外乎以下两种方式：上行雷闪和下行雷闪。

　　一般来说，下行雷闪时，先导自上而下发展，主放电过程发生在地面附近，所以电荷供应充分，放电过程来的迅猛，造成雷电流副值大，陡度高；上行雷闪，一般没有自上相下的主放电，它的放电电流由不断向上发展的先导过程产生，即使有主放电因雷云向主放电通道供应的电荷困难，所以放电电流副值小，且陡度低。

系统特色

　　根据尾部带金属线的火箭比高层建筑更容易引发上行雷的经验分析得出，要成功地引发上行雷，针头需要达到以下要求：在引发的上行雷发生之前，针头附近的空间电荷应尽量少，以便于自主针针尖向上发展放电脉冲。当需要引发上行雷时，针尖处的电场强度应足够高，以迅速产生放电脉冲。

保护特性

　　为了验证可控放电避雷针是否达到设计目的，我们用正极性操作波和直流分别进行了一系列试验。

　　在等同条件下用正极性操作波放电获得的可控放电避雷针与富兰克林避雷针的保护曲线。试验时模拟雷云电极离地面高度为8.5m为了严格的考核可控避雷针的保护性能，操作波试验时没有附加直流电场，可控放电避雷针的保护特性明显优于富兰克林避雷针，就主要参数绕击概率和保护范围而言，是令人满意的。

1、绕击方面

　　可控放电避雷针有一个相当大的几乎不遭受绕击的保护区域。例如当绕击概率不大于0.001%时(显然在这样的绕击概率下,被保护对象遭绕击的可能性时相当相当小的)保护角高达55°,相比之下富兰克林避雷针实际上几乎没有不受绕击的区域。

2、保护范围

　　当被保护对象遭受绕击概率允许达到0.1%(目前规程规定的允许值)时,可控放电避雷针的保护角达到66.4°,而富兰克林避雷针保护的保护角远远低于此值(因此,在雷电活动强的地方沿用富兰克林避雷针保护是笔经济的,被保护物遭雷击的可能性也还存在)

通过实验表明:

1）可控放电避雷针的放电时间比富兰克林避雷针平均提前13.3us。

2）在模拟电场比较低时,可控放电避雷针的电晕电流比富兰克林避雷针低的多,几乎处于完全抑制状态。

3）在模拟电场增加盗能够启动可控放电避雷针时,可控放电避雷针产生的脉冲式电晕放电电流,其电晕电流幅值比富兰克林避雷针大好几十倍,但电晕电流的平均值比后者小,这有利于从电晕向先导电弧的转化。

5 结束语

　　在总结了送电线路防雷工作存在的问题和如何运用好常规防雷技术措施的基础上，我们认为雷电活动是小概率事件，随机性强，要做好送电线路的防雷工作，就必须抓住其关键点。综上所述，为防止和减少雷害故障，设计中我们要全面考虑高压送电线路经过地区雷电活动强弱程度、地形地貌特点和土壤电阻率的高低等情况，还要结合原有高压送电线路运行经验以及系统运行方式等，通过比较选取合理的防雷设计，提高高压送电线路的耐雷水平。雷电活动是一个复杂的自然现象，需要电力系统内各个部门的通力合作，才能尽量减少雷害的发生，将雷害带来的损失降低到最低限度。