深圳地区高压架空输电线路防雷措施

[摘  要] 高压架空输电线路因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故障的1/3 或更多。因此，寻求更有效的线路防雷保护措施，一直是世界各国电力工作者关注的课题。本文从分析深圳地区高压架空输电线路雷击跳闸故障的经验和有关研究入手，重点对综合防雷措施做了一些探讨。现场运行经验证明，深圳电网采取综合防雷措施对提高线路耐雷水平、降低输电线路雷击跳闸率是十分有效的。本文还对线路防雷用金属氧化物避雷器的保护性能以及线路避雷器的现场安装应用等有关问题提出了建议和探讨。
[关键词] 输电线路 杆塔 防雷措施 探讨

0、前言
近几年来，由于环境条件的不断劣化，雷击引起的高压架空输电线路跳闸故障也日益增多，不仅影响设备的正常运行，而且极大地影响了日常的生产、生活。深圳地区地处广东省南部，毗邻南海，属于低纬度亚热带季风区，年平均雷暴日78 天，雷暴活动剧烈，雷电强度大，系多雷区，每年都发生雷击线路跳闸故障。前些年，主要集中在东部山区线路，近几年有向西部丘陵山区转移的趋势，尤其在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的丘陵山区，雷击输电线路引起的事故率更高，雷击已成为影响深圳地区高压架空输电线路安全可靠运行的最主要因素。
为了减少输电线路的雷击故障，采取了各种综合防雷措施，如降低杆塔接地电阻、提高线路绝缘水平、采用负角保护、架设耦合地线等，取得了一定的效果。但对于分布在高土壤电阻率的部分线路，降低杆塔接地电阻难度较大，对于防治绕击雷对线路造成的故障仍没有好的对策。深圳电网所辖110kV-500kV 线路两千多公里，1999 至2004年五年来，跳闸共156 次，其中雷击跳闸90 次，占跳闸总数的56.7%，由此可见，加强输电线路的防雷措施，降低深圳电网输电线路跳闸率，是我们要做的主要工作；而运用先进科技，监测落雷情况并指导协助查找雷击故障点，更是我们要深入研究的课题。
目前，国外已广泛使用线路型合成绝缘氧化锌避雷器用于输电线路的防雷，取得了很好的效果。从1999年开始，分别在110 kV及220 kV线路上的易击段安装了线路型合成绝缘氧化锌避雷器，经过3 个雷雨季节的考验取得了明显的效果。
1、研究现状
深圳电网建设、改造的资金比较充裕。110kV 以上线路设计全部采用双避雷线，缩小保护角。在通常情况下，110kV 以上电压等级线路绝缘子片数取决于工频电压下的爬电距离要求，并符合操作过电压的要求，深圳地区采用了较高的标准。以110kV 线路为例，直线杆塔采用七片绝缘子，转角杆塔采用八片绝缘子，而且一般采用爬电比距较大的防污绝缘子。输电线路采用的接地装置基本为浅埋水平辐射式，在高电阻率地区采用放射形接地装置等等。总的来说，深圳地区输电线路的硬件水平在全国还是比较优良的。可是，在雷雨季节，雷击故障还是频频发生，这一方面说明深圳地区雷电活动比较剧烈，而且有其不可预测性；另一方面，也说明我们在防雷工作上，还有许多具体深入的工作要做。
在确定输电线路的防雷方式时，作为电力技术人员，应全面考虑线路的重要程度、系统的运行方式、线路经过地区雷电活动的强弱、地形地貌特征、土壤电阻率的高低等情况，采取综合防雷措施。
2、主要工作（线路常规的防雷保护措施与效果）
2.1 对架设避雷线的效果进行计算、分析及评价。
避雷线是架空送电线路最基本的防雷措施之一，其主要功能为①接闪雷电，防止雷直击导线；②雷击塔顶时对雷电流分流，以减少流入杆塔的雷电流，降低塔顶电位；③与导线间电磁耦合。运行经验表明，避雷线的防止雷电直击导线的效果在平原地区是很好的，可是在山区，由于地形、地貌的影响，经常出现绕击、侧击、反击等避雷线屏蔽失效的现象，本文中统计了途径深圳东部高山大岭斜山坡地形的部分线路跳闸故障，分析表明绕击占了极大的比例。我单位维护的500kV 线路，每年都发生1-2 次雷击跳闸，从跳闸记录及避雷器动作记录显示：雷击线路都集中在背靠山坡的一相，很明显，线路故障很有可能是雷电绕击产生的。
山区是多雷区，也是易绕击区，要减少绕击率，减少保护角是最有效、最经济的手段，我们做了相关计算。图1为根据DL/T620-1997规程计算的线路雷击跳闸率与杆塔高度、保护角、耐雷水平关系。从图中可以看出随着杆塔高度增高、避雷线保护角增大，线路绕击跳闸率显著增加。图2 为根据电气几何理论计算的线路最大可能绕击电流与避雷线保护角、杆塔高度关系，图中给出了220kV 线路绕击耐雷水平(一般绝缘配置情况下只有12kA)。从图中可以看出对于220kV 线路，高度在35m 以下的杆塔20 度保护角的避雷线可有效防止雷电绕击导线引起跳闸；但在杆塔高度较高或避雷线等效保护角增大的情况下，雷电确实可能绕击导线且引起线路绝缘闪络。

图1 线路雷击跳闸率与杆塔高度、保护角、耐雷水平关系(DL/T620-1997计算)

图2 线路最大可能绕击电流与避雷线保护角、杆塔高度关系

从已经送电的线路来看，受杆塔尺寸限制及停电实施困难等因素影响，在现有的铁塔上减少保护角的可行性不大，这要求建设单位应从线路工程设计开始就做此项工作。
2.2 降低杆塔接地电阻的防雷效果分析。
杆塔接地电阻是影响塔顶电位的重要参数,对于一般高度的杆塔,当杆塔型号、尺寸与绝缘子型号和数量确定后，降低杆塔接地电阻对提高架空送电线路耐雷水平、减少反击概率是非常有效的。当杆塔型式、尺寸和绝缘子型式、数量确定后，影响线路反击耐雷水平的主要因素则是杆塔接地电阻的阻值。现将按1997 年电力行业标准中的110-500kV 线路的杆塔尺寸和绝缘子的50％雷冲击绝缘水平，针对不同的杆塔接地电阻冲击值计算出的各自的耐雷水平列入表１。

表１ 110－500kV 线路耐雷水平与杆塔接地电阻的关系

由表１可见，各种电压等级，线路耐雷水平均随杆塔接地电阻的增加而降低。依据雷电流幅值累积概率分布的固有特点：低幅值雷电流出现的概率明显大于高幅值雷电流出现的概率。由此可知，随着系统标称电压的提高，杆塔接地电阻的作用将变得更加重要。表１中引入了“相对危险因数”参数。对于各种电压等级下的“相对危险因数”，均以杆塔接地电阻为７Ω 时耐雷水平的相应概率下的危险因素１.０为参考，其他杆塔接地电阻时的相对危险因数，则由该接地电阻下相应耐雷水平的相应概率与接地电阻为７Ω 时耐雷水平的相应概率之比来确定。这样110-500kV，50Ω 时的相对危险因数分别为3.5、7.7和24.1。
我们根据不同地形、土质，采取不同的改造接地网的技术方法，有效降低了所改造杆塔的接地电阻。通过计算分析表明，改善接地是很有效的防雷改进措施。
图3为220kV线路ZY1型杆塔中相与边相反击耐雷水平与接地电阻关系。

图3 220kV线路中相与边相反击耐雷水平与接地电阻关系

综合以上分析可知，通过相对危险因数可以得出线路电压等级愈高对接地电阻愈加敏感的结论，以及从图3 中可以看出随着接地电阻增加，杆塔中相与边相反击耐雷水平急剧减小，说明改善接地是提高线路耐雷水平的有效措施。
对一般高度的杆塔，降低接地电阻是提高线路耐雷水平、防止反击的有效措施。深圳处于沿海地区，很多线路位于海滩地，接地极腐蚀严重。而山区则由于水土流失，加上酸雨的影响，使暴露在空气中的接地极很容易氧化。我们建议采用φ12 的圆钢接地，提高接地网使用年限，并在基础开挖的底层实施深埋，尽量减少接地体长度。同时，一些厂家生产的防腐导电涂料，抗腐蚀性能好，可以有效延长接地体的使用寿命，设计时，也可予以考虑使用。
另外，在设备运行中，我们还发现了一些杆塔接地引下线中的过渡联板存在很大的接触电阻，这是个易被忽视的问题。接触电阻值大在防雷接地中是非常不利的，因此，从2004 年开始，我们对雷击跳闸故障比较多的线路进行接地装置改造，按照原设计接地方式重新敷设接地装置，要求接地引下线耳必须开2 个孔φ13.7（以前设计的接地引下线耳为单孔的，往往因各施工单位施工工艺不一致，从而使得联板不能可靠与铁塔连接），联板表面要打磨涂导电脂后采用防腐沥青封住联板外表面从而保证联板与主材可靠连接。同时加大对架空避雷线、接地网的巡视检查力度，及时更换锈蚀的避雷线，细致查看避雷线与铁塔、铁塔与接地装置的连接部位有无问题，降低接触电阻，确保良好接地。我们坚持周期性的运用钩式接地电阻测量仪进行测量，及时发现问题，然后对症处理。总之，保证良好的接地网及架空避雷线、接地引下线等处的有效连接，是降低接地电阻、做好防雷工作的关键措施。
2.3 避雷线有效跳通，提高泄流能力。
1999 年之前，深圳地区输电线路不考虑地线载波以及电线上电能损耗，采用全线接地。因地线挂线金具与铁塔挂线耳之间是线接触，我们发现地线与铁塔难以做到可靠接地，根据运行经验，发生过雷击的铁塔，地线挂线孔的螺栓丝扣有烧熔现象。分析后我们认为，该点对雷电流泄流来说是一个间隙。因此我们认为耐张塔两侧地线应予以跳通，且跳通后与塔体可靠连接，这样，在每个耐张段内提供泄流通道，可以提高输电线路耐雷水平。目前，深圳地区新设计的架空送电线路已采取这一建议。
2.4 加强绝缘。
加强绝缘也是提高杆塔耐雷水平的措施之一，具体措施是在杆塔尺寸允许条件下每串绝缘子增加1～2 片绝缘子。图4、表 2 为不考虑运行电压影响时220kV 线路GUT1-19 杆塔耐雷水平与杆塔接地电阻值、绝缘子片数关系。

图4 塔耐雷水平与杆塔接地电阻值、绝缘子片数关系(不考虑运行电压影响)

由图4 可以看出加强绝缘可以提高线路耐雷水平，在杆塔接地电阻比较大时效果不如改进接地电阻显著；在杆塔接地电阻为正常值5～30 欧时，加强绝缘雷电反击跳闸率可降低为原来的53.6%～70.7%；接地电阻越低，加强绝缘降低跳闸率效果越好。

表2：图4 部分计算结果

2.5 提高线路本体绝缘，更换新型绝缘子
目前，受国内陶瓷绝缘子制造水平的限制，挂网运行的绝缘子每年都有约0.3%的零值产生，我们应坚持定期检测，发现零值瓷瓶及时更换，否则，就可能发生雷雨季节零值、低值绝缘子遭雷击断串的事故。自1997 年以来，我们陆续进行了绝缘子的调爬工作，把原来运行的普通瓷质绝缘子逐步更换为防污型绝缘子、合成绝缘子及玻璃绝缘子。由于玻璃绝缘子和合成绝缘子具有免维护等瓷绝缘子不具备的优点，我们赞成优先考虑使用。如果经济能力允许的话，建议可以采用国外制造的瓷棒式绝缘子。
另外，增加绝缘子的片数也可以提高线路的绝缘水平。对增加绝缘子片数以提高雷击塔顶的耐雷能力，我们还做了一番计算。以110KV输电线路为例，在一般土壤电阻率地区，其耐雷水平为40-75KA。行业标准DL/T 620-1997 中的公式（C17）给出了它们之间的数学关系： (C17)

对某一特定的杆塔和杆塔位，其结构尺寸、导地线间的相互位置等均为定值，因此公式C17 可简化为：

A 及B 为常数

从上式可以看出，要提高耐雷水平，可以提高，也可以降低接地电阻Ri。以110KV 线路常用的双回路直线塔Z 为例计算，如悬垂绝缘子串增加2 片，即由7 片增加到9 片，可使耐雷水平 提高23%。不过在采取加片防雷措施时，应充分考虑弧垂对地距离满足安全要求。
2.6 架设耦合地线
耦合地线是架设于输电线路相导线下的接地导线，耦合地线的作用主要有两个：一是增大避雷线与导线之间的耦合系数，从而养活绝缘子串两端电压的反击和感应电压的分量；二是增大雷击塔顶时向相邻杆塔分流的雷电流。计算表明，110kV 双避雷线路，增设耦合地线后，耦合系数增大约50%。耦合地线可使杆塔雷电流分流12%～22%。
我们自2000 年起对深圳梅林、龙华一带雷害频繁的双回路、多回路架设的输电线路进行架设耦合地线的工作，防雷效果令人满意。不过，在加挂耦合地线时，应充分考虑其弧垂的对地距离及防止发生大风时导线与耦合地线碰线的短路事故。目前还有个令我们头痛的问题是，耦合地线的被盗情况比较严重，因此，如何防范被盗，是我们面临的新的课题。
2.7 同塔双回线路不平衡绝缘的防雷效果
同塔双回线路架设的输电线路在深圳电网普遍存在，但因导线垂直排列，杆塔较高，线路反击耐雷水平一般比同电压等级、导线水平排列的线路要低。国内外此种线路的运行经验表明，会产生同塔双回线路的绝缘子相继反击的现象，从而造成双回路同时跳闸。2001 年曾发生过220 kV 深水甲乙线、220 kV 龙梅甲乙线在同一个雷暴日中同塔架设的甲乙线两回线路同时跳闸的现象。日本曾在这种线路上采用过不平衡绝缘技术（一回线路绝缘较正常的另一回降低20％-30
％）。但运行经验表明，此种作法效果不大。
亦有另一种不平衡绝缘技术（一回线路比正常绝缘的另一回线路增加部分绝缘），对某110kV 同塔双回线路，应用自编程序进行过研究。该110kV 同塔双回线路原均采用110kV 合成绝缘子。对不平衡绝缘的作法是，在某一回线上每相再加２片玻璃绝缘子（LXP-70）。
根据实测的线路绝缘雷电冲击放电电压，对ZGU1-15 型塔采用不平衡绝缘后线路的雷击反击闪络概率进行了统计计算，给出了如表３所示的具体结果。

表３ 雷击塔顶时线路绝缘闪络概率

注：＊两回线路绝缘子50％雷电放电电压相差24％
上述结果表明，不平衡绝缘方式下双回线路同时闪络的概率较目前平衡绝缘方式下有降低。杆塔接地电阻越小，效果越大。
研究结果显示，在同杆双回线路的一回线路上增加绝缘子，确实可使双回线路同时跳闸的概率降低，但无法完全消除同时跳闸事故。深圳电网至今还没有采用此种防雷方式。
3、线路避雷器在高压架空输电线路防雷中的应用效果
3.1 线路避雷器防雷的基本原理
线路避雷器一般采用避雷器本体和串联空气间隙的组合结构，是利用氧化锌阀片柱具有的非线性伏安特性和通流能量大的特点制成的过电压放电器，它联结在带电导线上，在电力系统正常运行时，它呈高阻状态，电力系统与地之间几乎呈现完全绝缘状态；而当系统出现雷击过电压达到起始动作电压数值时，其电阻率骤然下降，迅速泄流，从而系统绝缘有效地得到了保护。避雷器本体基本不承担系统运行电压，不必考虑在长期运行电压下的电老化问题，在本体发生故障时也不影响线路运行。串联空气间隙有两种，一是纯空气串联间隙（简称纯空气间隙），一是由合成绝缘子支撑的串联空气间隙（简称绝缘子间隙）。两种间隙各有优缺点，纯空气间隙不必担忧空气间隙发生故障，但在安装线路避雷器时需要在杆塔上调整间隙距离，实施安装时要求高一点；情况相反，对于绝缘子间隙，由于间隙距离已由绝缘子确定，实施安装较为容易，但支撑串联间隙的合成绝缘子承担着较高的系统电压。
雷击杆塔时，一部分雷击电流通过避雷线流到相邻杆塔，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Ut-U1+Um＞U50。因此，线路的耐雷水平与4 个因素有关，即线路绝缘子的50%放电电压、雷电流强度、有无架空地线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，而在山区，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。

图5 线路避雷器及绝缘子的伏-秒特性

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邻杆塔，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，传播到相邻杆塔。雷电流在流经避雷器和导线时，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的分流的雷电流，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。从图5 中不难发现加装线路避雷器对防雷效果是十分明显的。
3.2 线路避雷器的选点
大量运行经验表明，线路遭受雷击往往集中于线路的某些地段，我们称之为选择性雷区，或称易击区。我们认为，在易击区及土壤电阻率高（而且降阻有困难）的山区，使用带外串联间隙氧化锌避雷器是技术性、经济性最佳的方案。
让我们来分析一下MOA 的保护作用：假设雷击某1 号杆塔塔顶，计算时我们要考虑相邻几组杆塔的影响，为了分析和对比采用MOA 的效果，计算三种情况：第一种，没有装MOA，杆塔耐雷水平用 表示；第二种，只在被击1 号杆塔安装一组MOA，简称一组方案，杆塔耐雷水平用 表示；第三种，除被击1 号杆塔安装一组MOA 外，还在左右相邻的2、3 号杆塔安装一组MOA，简称三组方案，杆塔耐雷水平用 表示。经计算表明，对110KV 线路而言，若1 号杆塔冲击电阻R1＜10 欧，被击杆安装一组MOA，其耐雷水平 可提高达到安全运行水平；如R1=100 欧，R2＜10 欧，安装三组MOA，其耐雷水平 也可以提高到安全运行水平。对深圳地区全线双避雷器线路而言，如R1和R2＜60 欧时，其耐雷水平 则可达到安全运行水平。由计算结论我们可以得出，被击杆塔冲击接地电阻对耐雷水平和流过MOA 电流影响还是比较大的。因此，对土壤电阻率较低的地区，根据经济情况，适当装设MOA 即可起到理想的防雷效果；而对于高山岩石高土壤电阻率地区，则相邻杆塔应分别加装MOA 才能起到理想的防雷效果。对于这类降低电阻难以达到理想防雷水平的地区，加装MOA 无疑是经济而又合理有效的防雷技术措施。因此必须综合诸多方面分析MOA 的安装地点、安装数量，以最大限度的提高整条线路的耐雷水平。实践表明，下列地段易遭受雷击：
⑴雷暴走廊，如山区风口、顺风的河谷和峡谷等；
⑵四周是丘陵的潮湿盆地，如杆塔周围有鱼塘、水库、湖泊、沼泽地等；
⑶土壤电阻率有突变的地带，土地质断层地带，岩石与土壤，山坡与农耕作地的交界区等；对于土壤电阻率差别不大时，例如有良好土层和植被的丘陵，雷易击于突出的山顶、山的向日坡等；
⑷地下有导电性矿物的地面和地下水位较高处；
4、 完善GPS 雷电定位系统，及时查找雷击故障点，加深对雷电的分析
GPS 雷电全球卫星定位系统，可以全面实时监测落雷点的位置、雷电流的强弱、离杆塔的距离等等，是省电力集团公司为我省电网分析雷害强度、查找雷害事故而设立的先进系统。学习并充分利用GPS雷电定位系统, 可以大大缩短雷击故障的查找时间，提高工作效率和事故的应变能力，尽最大限度降低因雷击故障引起的停电损失，确保电网安全运行。此外，我们还通过对输电走廊进行实时雷电监测,采集、统计和分析线路走廊的落雷密度、雷电流强度数据，我们希望在科学地监测雷电参数的基础上，通过统计输电线路分布区域的落雷密度，分析落雷点的位置及相关技术数据，来更好地指导深圳电网的防雷工作，以采取行之有效的防雷综合措施。
5、结束语
上面谈了我们为解决深圳电网的雷害事故所采取的综合防雷措施。但是经过多年的运行经验积累，输电线路常规的的防雷保护措施仅能部分的减少线路雷击跳闸次数，为大幅度降低或消除线路雷害事故，必须采取更有效的新措施。而选择加装线路防雷用金属氧化物避雷器可以防止雷直击导线或雷击塔顶、避雷线后绝缘子的冲击闪络，从而可以根本上消除线路雷击跳闸。因此我们必须充分利用有限资金以求得最佳效益，应根据运行经验，力争较准确的选择线路防雷避雷器的安装地点。采取有针对性的综合防雷技术措施，努力做好高压架空输电线路防雷保护的“四道防线”：防直击、防闪络、防建弧、防停电，达到减少输电线路雷击跳闸故障，提高供电可靠性的目的。

参考文献
［1］程学启，杨春雷，咸日常，等．线路避雷器在输电线路防雷中的应用
［2］杜澍春（中国电力科学研究院）高压输电线路防雷保护的若干问题