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输电线路的防雷研究论文
论架空输电线路防雷技术
一、概述
电力线路是电力网的主要组成部分。
输电线路是发电厂向电力负荷中心输送电能及负荷中心之间相互联络的线路，输送容量大，送电距离远，线路电压等级高，是电力网的骨干网架。
赣西供电公司位于电网的中西部，北与连供电公司接壤，南与供电公司毗连，处于连接南北电网的重要位置。
近年来由于220KV线路故障较多，严重危及了电网的安全运行。
针对输电线路在运行过程中承受工作电压、操作过电压或大气过电压时，都可能会发生绝缘闪络事故。
近几年来因治理污闪事故的调爬等措施使线路的绝缘水平得到提高，线路在工作电压作用下的可靠性也明显提高。
由于输电线路所经地区的地形、地貌、雷电活动情况（包括气候条件）以及线路自身的防雷设计和绝缘水平不同，雷击引起的故障率有很大的差别。
我国线路防雷规程中以40日/年的雷暴日作为线路防雷设计和运行考核的标准。
雷电活动与地球大气环境密切相关，分散性和随机性很大，只有通过长期观测和分析，才能正确掌握某个区域围的雷电活动统计规律。
我国电力系统从上个世纪六十年代开始，专业技术人员采取在线路杆塔下埋设磁钢棒的办法记录线路落雷的情况。
当前正在应用“雷电观测与定位系统”。
这个系统可以实时地将地闪雷电流的极性、幅值、落雷点的经、纬度以及准确到微秒级的落雷时间等雷电参数探测并实时记录下来。
经过分析计算和积累，可以准确地掌握该系统所覆盖围的雷电活动规律。
杆塔的接地电阻是影响雷击跳闸率的重要因素，计算表明：
杆塔的接地电阻如增加10～20Ω，雷击跳闸率将会增加50%～100%。
为此，为提高供电可靠性，投入大量的人力和财力进行杆塔接地电阻的改造，使所有线路杆塔的接地电阻满足防雷设计的要求，保证了雷击跳闸率满足规程的要求。
表2杆塔耐雷水平与接地电阻的关系
接地电阻（Ω）
7
15
30
交流220kV耐雷水平（kA）
110.2
75.7
47.7
输电线路穿越山区时，由于地形引起线路保护角的变化，屏蔽失效的区间增大，雷击跳闸率比平原地区的输电线路高得多。
在杆塔的保护角相同的情况下，高度愈高，雷击跳闸率也愈高。
合理配置线路杆塔的绝缘水平和布置方式，会提高杆塔的耐雷水平，尤其是提高线路遭受绕击时的耐雷水平，从而降低雷击故障跳闸率。
雷直击塔顶或避雷线会造成对线路绝缘的反击，我国防雷与接地规程推荐用下式计算杆塔承受反击的耐雷水平：
式中：
U50%——绝缘子串50%冲击闪络电压，kV；
K——导线线间耦合系数；
Ko——导线与地线间的耦合系数；
K1——电晕效应校正系数；
β——杆塔分流系数；
Ri——杆塔冲击接地电阻，Ω；
Lt——杆塔电感，μH；
Hg——地线平均高度，m；
hc——导线平均高度，m；
ht——杆塔高度，m；
ha——横担对地高度，m。
从表2所列杆塔的耐雷水平看，当接地电阻为7Ω时，220kV交流线路杆塔的耐雷水平为110.2kA，超过这个幅值的雷电流出现概率仅为1%。
当接地电阻相同时。
因此，只要杆塔的接地电阻降低到上述水平以下，杆塔就有足够的耐受水平防止反击。
另一方面，由于地质条件不好，接地虽几经改造仍达不到设计要求或因接地腐蚀、外力破坏使接地电阻变大，杆塔的耐雷水平会因此而降低到较低水平，防止反击造成绝缘损坏便成为需要研究采取技术措施的问题了。
雷绕过避雷线的屏蔽，击于导线称为“绕击”。
由于影响发生绕击的因素比反击要复杂得多，人们对它感兴趣的程度和研究深度也较反击为多。
针对这种情况，我们在输电线路防绕击方面做了大量的工作，如采取增强杆塔绝缘提高其绕击耐雷水平；减小边导线保护角，甚至采用负保护角或加装塔顶拉线、在横担处装侧向避雷针、装设耦合地线及旁路架空地线等措施，增强对导线的屏蔽作用，降低绕击概率。
在避雷线上加装侧向短针的方法，其机理是适当将可能发生的绕击引向避雷线，如能引发雷击短针，则可将绕击转化为反击。
二、输电线路的几种常见过电压
架空输电线路中常见的过电压有以下两种，第一种是：
架空线路上的感应过电压即雷击发生在架线路的附近，通过电磁感应在输电线路上产生的过电压；第二种是直击雷过电压，即雷电直接打在避雷线或是导线上时产生的过电压。
1、架空输电线路上的感应过电压
当雷击线路附近的地面时，会在架空线路的三相导线上出现感应过电压（感应雷）。
这种感应过电压的形成过程如下。
在雷电放电的先导阶段，在先导通道中充满了电荷，它对导线产生了静电感应，在负先导通道附近的导线上积累了异号的正束缚电荷，而导线上的负电荷则被排斥到导线的远端。
因为先导的发展速度很慢，所以在上一过程中导线的电流不大，可以忽略不计，而导线将通过系统的中性点或泄漏电阻而保持其零电位（如果不计工频电压的话）。
2．架空输电线路上的直击雷过电压
雷直击于有避雷线的输电线路分为三种情况，a、雷击杆塔顶部；b、雷击避雷线中央部分；c绕过避雷线击于导线。
a、当雷击于导线时，导线的电位可按下式计算：
式中的是雷击点左右两则导线波阻并联的结果，是雷击于波阻（）近似于等于雷电通道波阻（Z0）时的雷电流比雷击零欧时减半的缘故。
即使以绝缘很强的330~500kV线路来说，不难算出在10~15kA的雷电流下也将发生闪络，而出现等于及大于这一电流的概率是很大的（81~73%），因此，采用避雷线来大大减少雷击于导线的情况是很重要的措施。
b、雷击线路杆塔顶部
雷击线路杆塔顶部时，有很大的电流igt流过杆塔入地。
对一般高的杆塔，塔身可用等值电感Lgt代替，其冲击接地电阻为Rch，于是塔顶电位为
在一般情况下冲击接地电阻Rch对Ugt起很大的作用，而在山区或高阻区，Rch可达上百欧，此时它对Ugt的值将起决定性的作用。
至于杆塔电感只有在特高塔或大跨越时才会起决定作用。
c、雷直击于档距中央的避雷线。
当雷直击于档距中央的避雷线会产生很高的过电压，可用下式计算：
式中Lb为半档避雷线的电感，a为雷电流陡度。
从世界各国运行的情况看在档中发生相地线间的闪络是很少见的。
三、架空输电线路防雷的基本原则及措施
线路防雷的基本任务是采用技术上与经济上合理的措施，将雷击事故减少到可以接受的程度。
以保证供电的可靠性与经济性。
为此，一般设有四道防线：
第一道防线是保护导线不受或少受雷直击，为此可采用避雷线、可控放电避雷针、消雷器或改用电缆。
目前采用避雷线仍然是架空线路防雷的首选措施，这已是被长期工程实践所证实了的行之有效的防雷措施，当然在某些线段由于特殊的地理环境造成绕击率偏高，或是由于接地电阻降不下来造成雷击跳闸率偏高，为提高线路的安全运行水平可采用可控放电避雷针（它的原理将在下节中详细说明），改用电缆在经济上是难以接受的。
第二道防线是雷击塔顶或避雷线时不使或少使绝缘发生闪络。
为此需提高线路的耐雷水平或线路的绝缘水平。
最经济实用的办法是降低接地电阻来提高线路的耐雷水平。
在山区当降低接地电阻很困难时，可采用可控放电避雷针，加装耦合地线、接地拉线，或适当加强绝缘，或是在个别杆塔上采用线路型避雷器。
采用可控放电避雷针时由于绕击率很低，而且主放电电流很小（平均为7kA）一般线路杆塔的耐雷水平都大于此值，所以它能大大降低线路的雷击跳闸率，提高线路的安全运行水平。
加装耦合地线在山区实施时难度很大，一般情况下很少采用。
加装接地拉线，就是在塔顶的避雷线处并联一接地拉线，这样可以提高雷击时的分流系数从而实现降低雷击跳闸率，但这种措施的效果不是很显著（有计算表明，接地拉线可提高分流系数约10%）.
任何一种加强线路绝缘水平的措施，都是一种实施起来很困难的措施。
最近几年在部分线路上使用线路型避雷器，从防雷效果上看是肯定的，但它也存在以下问题：
1、它的造价较高，特别是在超高压线路，更是如此，如在220kV线路每基塔的费用达6-7万元，2、它的运行维护是一大问题，由于它的安装地点都在丛山峻岭之中，而且是在线路塔上，它的运行工况不易被监测，每年的预放性试验是一个大问题，现场无法做，只能是拆下运回，做完试验后重新安装，这样运行部门的运行维护工作量将成倍地增加。
3、它的保护围也很有限，只能有效地保护本基杆塔。
第三道防线是当绝缘发生闪络时，尽量减少由冲击闪络转变为稳定电力电弧的概率，从而减少雷击跳闸率，为此应减少绝缘上的工频电场强度，或电网中性点采用不直接接地方式。
采用这种方法应谨慎，因为改变中性点的接地方式，将改变系统的运行方式和系统参数，搞不好会出大事故。
第四道防线是即使跳闸也不中断电力的供应，可用自动重合闸或用双回线以及环网供电。
当然，不是所有线路都要具备以上四道防线，而是要因地制宜，合理采用，把雷害引起的停电事故次数减少到可以接受的程度。
四、杆塔的接地
对架空线路杆塔的接地电阻和型式在电力行业标准DL/T620---1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、DL/T621----1997《交流电气装置的接地》中都提出了具体的要求。
是设计、安装和改造架空线路杆塔接地的依据。
1、杆塔的接地电阻
⑴有避雷线线路杆塔的接地电阻。
有避雷线的线路，每基杆塔不连避雷线时的工频接地电阻，在雷季干燥时，不宜超过表4所列数值。
雷电活动强烈的地方和经常发生雷击故障的杆塔和线段，应改善接地装置，适当提高绝缘水平或架设耦合地线。
表4有避雷线的线路杆塔接地电阻
土壤电阻率（Ω·m）
≤100
>100~500
>500~1000
>1000~2000
>2000
接地电阻（Ω）
10
15
20
25
30
注：
如土壤电阻率超过2000Ω·m，接地电阻很难降低到30Ω时，可采用6~8根总长不超过550m的放射形接地体，或采用连续伸长接地体，其接地电阻不受限制。
⑵无避雷线线路杆塔的接地电阻。
对于中雷区及多雷区35kV及66kV无避雷线线路，宜采取措施，减少雷击引起的多相短路和两相异地接地引起的断线事故，钢筋混凝土杆和铁塔宜接地，其接地电阻不受限制，但多雷区不宜超过30Ω。
钢筋混凝土杆和铁塔应充分利用其自然接地作用，在土壤电阻率不超过100Ω·m或有运行经验的地区，可不另设人工接地装置。
需要说明的是，作为通用行业标准，对杆塔接地电阻的要比较宽松的。
在多雷区，如是联络线路或重要线路，杆塔接地电阻最好能处理到10Ω以下，因为只有这样才能提高线路的耐雷水平，有效地限制雷击跳闸率，从而保证电网的安全稳定运行。
2、杆塔接地型式
DL/T621—1997《交流电气装置的接地》的6.3条还对高压架空线路杆塔接地装置的型式做了具体的要求如下：
⑴在土壤电阻率的潮湿地区，可利用杆塔和钢筋混凝土杆自然接地。
对发电厂、变电站的进线段应另设雷电保护接地装置。
在居民区，当自然接地电阻符合要求时，可以不设人工接地装置。
⑵在土壤电阻率的地区，除利用铁塔和钢筋混凝土杆的自然接地外，并应增设人工接地装置，接地极埋设深度不宜小于0.6m。
⑶在土壤电阻率的地区，可采用水平敷设的接地装置，接地极埋设深度不宜小于0.5m。
⑷在土壤电阻率地区，可采用6~8根总长不超过500m的放射形接地极或连续伸长接地极。
放射形接地极可采用长短结合的方式。
接地极埋设深度不宜小于0.3m。
⑸居民区和水田中的接地装置，宜围绕杆塔基础敷设成闭合环形接地装置。
⑹放射形接地极的最大长度，应符合表5的要求。
表5杆塔放射形接地极每根的最大长度方式
土壤电阻率（Ω·m）
≤500
≤1000
≤2000
≤5000
最大长度（m）
40
60
80
100
⑺在高土壤电阻率地区采用放射形接地装置时，当在杆塔基础的放射形接地极每根长度的1.5倍围有土壤电阻率较低的地带时，可部分采用引外接地或其他措施。
⑻雷电活动强烈的地方和经常发生雷击故障的杆塔和线段，应改善接地装置，架设避雷线，适当加强绝缘或架设耦合地线。
⑼钢筋混凝土
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