输电线路“差异化”防雷治理的技术措施综述

赵远强，吴慧芳

（1.广西电力工业勘察设计研究院，广西 南宁 530023；2.广西电力职业技术学院，广西 南宁 530007）

输电线路“差异化”防雷治理的技术措施综述

赵远强1，吴慧芳2

（1.广西电力工业勘察设计研究院，广西 南宁 530023；2.广西电力职业技术学院，广西 南宁 530007）

针对居高不下的雷击跳闸率，广西电网积极推广“差异化”防雷策略。在此背景下，探讨了目前国内外常用的输电线路防雷措施，指出由于各防雷措施的防雷原理不同，技术经济指标不同，在工程实践中，应选择合适的雷电治理方法，并对各种防雷措施在以往工程实践中的经验教训进行了总结分析。

输电线路；防雷；雷电反击；雷电绕击

0 引言

架空输电线路地处旷野，缺少屏蔽，绵延成百上千公里，极易遭受雷击。从国内外目前的运行情况来看，雷击仍然是输电线路非计划停电的重要原因。广西是强雷暴地区，2009—2011年，广西电网110 kV及以上输电线路发生雷击跳闸次数，分别占全年跳闸总次数的70%以上，在2009年占比更高达77.15%[1]。

近年来，广西电网推广“差异化”防雷策略，认为输电线路的雷击治理不应该是所有输电线路、所有杆塔不加区别地全面铺开，而应根据运行经验，并结合雷电定位系统查找雷电易击区、易击杆塔，输电线路的防雷应“有选择、有侧重、有针对、有差别”。为使得“差异化”雷害治理更有针对性，并提高经济技术指标，本文对目前国内外常用的输电线路防雷措施进行分析讨论和归纳总结。

1 减少铁塔保护角

通过地线的垂直平面与通过地线、受保护导线的平面两者之间的夹角，就是地线的保护角。地线对导线的保护效果，受保护角影响，通常保护角越小，地线保护范围越大，导线遭受雷电绕击的概率越小。因难以预先提高局部地段的线路保护角，在设计阶段，线路保护角一般按设计规程取统一值。当线路投运并发现问题后，却又顾及到减少线路保护角的改造工作量大、改造成本高、线路停电时间长，并且即使较小的保护角也还存在屏蔽失效等原因，而较少将此法落实到防雷改造中。

根据《南方电网220 kV～500 kV电网装备技术导则》（征求意见稿），在无冰区，今后的220 kV、500 kV电网，保护角均比《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》 （GB 50545—2010）缩小了5°（即500 kV不大于5°，220 kV不大于10°），在新建线路中已经大幅度缩小了全线路保护角。因此，“差异化”防雷治理中，减少铁塔保护角的方法，应用的机会不大。

2 降低杆塔接地电阻

雷击杆塔（或地线）时，杆塔的接地电阻直接影响杆塔（或地线）电位，一旦电位过大，会击穿线路绝缘造成绝缘子串的沿面闪络或导致地线对导线放电，产生“反击”。杆塔接地电阻对输电线路遭受“反击”的几率有决定性影响，因而应尽量降低杆塔接地电阻。

杆塔接地电阻高，有接地网年久失效或塔位本身就处于高土壤电阻率地区两类原因。

接地网年久失效的重要原因是接地网锈蚀。对于盐酸碱腐蚀较严重的地段，宜采用耐腐蚀性能更好的镀铜圆钢。根据武汉高压研究所的试验，性能良好的降阻剂对接地圆钢的腐蚀影响很轻微，但降阻剂施工工艺不当，却会严重加快接地圆钢锈蚀速度。降阻剂包裹接地体不严密、降阻剂凝固后断裂、接地体埋深不够等都会造成接地体锈蚀加快。

部分塔位地处高土壤电阻率地区，特别是广西百色一带的石山区，地表土质少，塔位多位于风化岩上，很难采用常规手段降低电阻率，可以考虑采用爆破接地技术。广东220 kV韶郭线曾经用此法将杆塔接地电阻从270Ω（注：270Ω不是土壤电阻率，是接地装置敷设后的杆塔接地电阻）降到10.4Ω[2]。这种方法是在塔位附近开挖若干个小孔，装入炸药，对地表爆破制裂，再用压力机将低电阻率材料压入爆破裂隙中，可很大范围地可改善土壤导电性能。

降低杆塔接地电阻是减少反击的最有效方法之一，“差异化”防雷治理中应充分重视降低杆塔接地电阻。

3 避雷针的采用

线路在沿挡距方向遭受雷电绕击的概率是不同的[3-5]：在紧靠杆塔附近的区域内，导线被杆塔屏蔽保护，较少发生绕击；在离杆塔稍远的区域内，杆塔引起的电场畸变将产生引雷作用，而位于此区域内的导线却不能得到杆塔的有效屏蔽保护，容易遭受绕击；而更远的区域内，杆塔对电场的影响很小，且由于导、地线的弧垂效应，挡距中间的地线对导线的保护角更小，绕击一般较少发生。因此，一般在每根架空地线距离杆塔10～50m内等距离安装若干支水平横针（水平横针增大了地线弧垂，也不宜全挡安装），并在杆塔上安装2套侧针,如图1所示。水平横针减小了保护角,同时利用尖端放电原理，将有可能引起绕击的雷云接闪到架空地线，避免绕击导线。

水平横针在国内已经获得较为丰富的运行经验，保护效果也较为理想[6-9]，从运行经验看，使用水平横针存在问题大体有两个：运行一段时间后发现，水平横针固定端松弛，针体向地面倾斜扭转，效果降低的同时也可能损伤风偏摆动的导线；目前光杆复合架空地线大量应用，安装水平横针后，是否会带来振动问题，影响光纤通信，从文献[6]介绍来看，这两个问题，都已经解决。

安装避雷针减少了线路遭受绕击的几率，但是避雷针的尖端放电有引雷作用，使得线路落雷几率增大，绕击减少而反击几率增加，实际上是以绕击换反击，由于杆塔接地系统的泄流作用，一般雷击不足以导致110 kV及以上高绝缘配置的线路产生反击。

如果在“差异化”防雷治理中发现引起绝缘子闪络是较小幅值的雷电流，则有很大几率是绕击，此时采用安装水平横针的方法，可望降低线路绕击跳闸的几率。

图1 杆塔安装2套测针示意图

4 架设避雷线以及耦合地线

架设避雷线（通称地线，为与耦合地线区别，改称避雷线）是线路防雷最常见的手段，避雷线架设在导线上方，对导线形成屏蔽，并且将各个杆塔的接地系统相连，加快了雷电流的分流速度。目前，国内110 kV及以上线路基本都架设避雷线，且一般都是双避雷线，区别只是各电压等级对避雷线的保护角要求不同。因此，在“差异化”防雷治理中，主网（110 kV线路及以上）不需考虑增加避雷线的问题。

耦合地线能有效提高线路的反击耐雷水平，特别在杆塔接地电阻较大又不易降低的地区。耦合地线通常利用线路现有杆塔，架设在导线下方（也有架设在导线两侧，此时兼作为屏蔽线防绕击，较为少见），典型的耦合地线架设如图2所示。当雷击塔顶时，耦合地线加入分流(据华东电力试验研究院实测，耦合地线约分流12～22%)，一方面减少了杆塔电位的升高，另一方面耦合地线对导线感生的雷电压抬高了导线电位，因此减小了绝缘串承受的压差，降低闪络的几率[10,11]。对于图2，当雷击塔顶时，线路绝缘上承受的电压（相电压）Vp为

式中：Vp——线路绝缘上承受的电压（相电压）；

Vt——雷击时杆塔顶部电压；

Vd、Vo——避雷线、耦合地线上流过的雷电流通过电磁感应反应到导线上的感应电压，与Vt同极性；

Vi——导线上的静电感应过电压，与Vt极性相反。

早在20世纪80年代之前，部分国内供电局[12]曾将耦合地线作为一种常见的防雷手段用于线路中，并且效果较为显著。然而耦合地线也存在一些问题，除了增加杆塔荷载、减少电线对地距离、耦线终端塔易受雷击等问题外，较为严重的问题是导线—耦合地线之间的风偏工频闪络[12]。此外，目前输电线路大量跨越林区，一般不砍伐通道，耦合地线很难跨越树木。因此，此法只能作为一种“差异化”防雷治理中的后备选择。

图2 耦合地线架设图

5 采用避雷器

线路避雷器可以减少线路被雷击时的危害，降低雷击跳闸率。避雷器的导通电压比绝缘子串的闪络电压低，当雷击（反击或绕击）导致塔—导线间出现高压差时，避雷器先导通泄放雷电流，电压差减少，避免绝缘子串闪络，如图3是安装在终端塔上的避雷器。氧化锌避雷器是目前常用的避雷器，氧化锌具有良好的非线性伏安特性，正常工作电压时流过避雷器的电流极小（μA或mA级）；当雷击产生过电压作用时，电阻急剧下降，泄放雷电流，达到保护的效果。

当用于改善绕击耐雷水平时，因绕击的发生与地形地貌、微气象、保护角等较多因素相关，应根据运行经验针对性装在曾遭受或容易遭受绕击的相导线（如单回路塔的边相）。

当用于改善反击耐雷水平时，情况相对复杂，主要争议在于当反击不可避免时，究竟哪相导线是最容易闪络的。文献[13]根据EMTP-ATP仿真结果，认为避雷器应安装在反击反生时的最容易闪络相，避雷器的安装方法是：单回路塔安装在边相（每塔2支），双回路塔安装在中下相或上下相（每塔4基），不建议所有相全装（防雷效果相差不大）；但文献[14]则认为，由于工频电压的存在，三相导线的反击概率是相同的，合理的安装方法是三相全装。文献[15]根据EMTP-ATP仿真结果，认为上相横担的绝缘子更容易发生闪络，与文献[13]的结论刚好相反。鉴于安装方法尚缺乏权威的结论，保守意见应三相全装，但这势必增大投资。

安装线路避雷器，可有效降低绕击、反击引起的故障跳闸，但避雷器价格较高，建议在“差异化”雷害治理中和其他防雷措施进行经济技术指标的综合比较，选择最优方案。

图3 线路避雷器

6 增强线路绝缘

无论线路遭受反击或绕击，如果线路绝缘足够强，即绝缘子U50%＞雷电U50%，则线路一般不会发生雷击闪络，因此，理论上通过增加绝缘子片数来增强线路绝缘，可获得令人满意的耐雷水平。采用此法存在的问题是，绝缘子长度增大会减小风偏时的空气间隙，只能有限度地增长。由于铁塔的塔头规划时，一般考虑较大的容许摇摆角，以适应相对不利的地形，因此，大部分的塔位应存在摇摆角富余供调整串长，图4是输电线路最常见的酒杯塔左横担部分，在满足导线端对塔头具有最小的空气间隙R后，由于实际摇摆角θ1相比设计摇摆角θ2小，其容许绝缘子串长度L1要比设计绝缘子串长度L2更长。

当绝缘子串实际摇摆角和杆塔容许摇摆角接近时，可以在绝缘子串上增加重锤抑制风偏角度。

采用增强线路绝缘的方法，可同时提升线路的绕击、反击耐雷水平，并且经济代价较轻，施工方便，应作为“差异化”防雷治理的优先选择。

图4 输电线路酒杯塔横担

7 并联间隙的采用

并联间隙是疏导型绝缘子雷击保护装置，国外多称招弧角，一端装设在绝缘子低压端并接地、一端装设在绝缘子高压端并与导线等电位，典型的并联间隙如图5所示。并联间隙对绝缘子的保护原理与避雷器有类似之处，在工频电压下，并联装置高、低压端靠空气间隙与导线断开电气连接，雷击发生且雷电流足够大时，冲击电压击穿两端电极将导线、大地导通，泄流了雷电流。

图5 并联间隙安装图

并联间隙两电极之间的空气间隙长度整定非常重要，过大时雷击不易击穿，绝缘子沿面闪络仍然发生，起不到保护作用；过小时，较轻的雷击甚至系统的内过电压都将其击穿，导致线路跳闸率升高。国内工程报告[16]提到，按日本的运行经验取0.75倍绝缘子串绝缘高度选取招弧角间隙长度可获得96%以上的保护效果。文献[17]通过大量试验，总结出并联间隙空气间隙长度L与空气间隙雷电冲击放电电压U50%的关系式，在110 kV线路中有U50%=0.537 7L +54.645，在220 kV线路中有U50%=0.549 5L+72.107。

理论上，只要绝缘子串的雷电冲击闪络电压绝缘子U50%＞空气U50%，则雷电击穿发生在并联间隙，绝缘子不会放生沿面闪络，但考虑到放电电压的分散性和保护的可靠率，空气U50%应该比绝缘子U50%小一定数值，两者的配合比，本文建议参考规程《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T620—1997）的工频配合比0.85并略微减小，减小程度以可承受的雷击跳闸率为已知条件，经计算得到。

并联间隙价格便宜，并且绕击、反击均有效，在国外已经获得大量的运用。由于并联间隙是以线路跳闸率增加来换取绝缘子免遭闪络，国内供电公司对其使用比较谨慎。随着线路自动重合闸装置的普及，以及目前对供电公司已经逐步取消跳闸率考核，并联间隙推广的时机已经成熟。

8 消雷器

消雷器企图通过针尖放电与雷云电荷中和来防止雷击发生，但其工作原理究竟是“消雷”还是像避雷针一样的“引雷”，在防雷工程界存在很大的争议，正反两方面的意见都有，但是倾向于认为其防雷效果与避雷针近似，不能表现出比普通避雷针更好的防雷效果[17]。

消雷器分为导体消雷器和半导体消雷器。在1997年的大讨论中[17]，基本形成共识，导体消雷器即使没有消雷效果，但还可作为避雷针使用，但半导体消雷器技术从目前来看不成熟，缺乏足够的理论支撑。另据文献报道[18]，半导体消雷器的针体不耐雷击，雷击后容易损坏。从浙江省电网的运行效果看[19]，消雷器出现针尖烧溶现象，且消雷器的总体消雷、避雷效果较差。

综上所述，在“差异化”防雷治理中，对消雷器应慎重采用。

9 广西电网实施“差异化”防雷策略的实践经验和效果

广西百色供电局220 kV百德II线，处于强雷暴地区（年雷暴日100 d以上），线路于2007年9月投运，之后连续3个雨季里累计发生雷击跳闸7次（大部分是绕击），每年每百km的线路雷击跳闸率高达3.78次。技术人员充分调查该线路落雷的特点，计算得出线路超过39.8%杆塔存在高绕击风险，22.7%的杆塔存在高反击风险[20]，其中部分杆塔同时存在高绕击、高反击风险。经过综合考虑，对部分雷击闪络风险高的杆塔装设70支线路避雷器，220 kV百德II线“差异化”防雷改造后，在随后连续几个雷雨季节中，没有再发生一次雷击跳闸，防雷效果良好。

2011年以来，广西电网500 kV岩沙线、220 kV海竹线、220 kV佳社线、110 kV高前线、110 kV西蒙石线、110 kV瑞金木线等十余条雷害频繁的输电线路相继进行“差异化”雷击治理。技术人员依托雷电定位系统的检测数据，结合现场勘查情况和线路特征，计算查找出高雷击风险的杆塔，以及雷击类型，再进行各种防雷策略的技术经济比较，最终确定防雷治理重点杆塔和雷击治理策略。由于防雷治理有针对性，不但节约了数百万元投资，并且效果显著，在防雷治理完成后的雷雨季，上述输电线路雷击跳闸率下降非常明显，其中有数条线路未再发生雷击跳闸。

10 结论

文中介绍分析了8种典型的防雷策略，部分策略在广西电网的工程实践经验较为丰富（如降低杆塔接地电阻，装设避雷器），也有部分运行经验较少（如加装耦合地线，使用并联间隙），从技术经济上看，各有优缺点，其中增强线路绝缘、减小线路保护角、架设避雷线可视为“堵塞型”防雷方法，它们直接提高了线路雷电冲击闪络电压或减少了线路雷击闪络的几率；其余方法，包括降低杆塔电阻、采用耦合地线、避雷器、并联间隙属“疏导型”防雷方法，即在雷击已经发生后，加快泄放雷电流速度，减小雷击危害。消雷器在防雷工程界争议很大，挂网运行效果也不理想，应慎重采用。

在工程中，需充分了解输电线路雷害的类型、原理，对各种防雷手段进行综合技术经济比较，择优选取，“差异化”雷害治理才能取得良好的效果。

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Review of Technical M easures for Transm ission Lines Differentiation Lightning Protection

ZHAO Yuanqiang1，WU Huifang2
（1.Guangxi Electric Power Industry Investigation Design and Research Institute，Nanning，Guangxi 530023，China；2.Guangxi Electric Polytechnic Institute，Nanning，Guangxi 530007，China）

Due to high lightning trip-out rate，Guangxi Power Grid actively implemented Differentiation lightning protection strategy.Under this background，the transmission line lightning protectionmeasureswhich were commonly used home and abroad were discussed.This paper points out thatappropriate lightning protectionmethod should be chosen according to different lightning protection principles.Thearticlealso summarized the experience from a variety of lightning protectionmeasures in engineering practice.

transmission line；lightning protection；lightning back-striking；lightning shielding

TM863

A

1671-0320（2015）01-0041-05

2014-10-20，

2015-01-10

赵远强（1981），男，广西南宁人，2007年毕业于广西大学电气工程学院电力系统及其自动化专业，硕士，工程师，主要研究方向是高压输电线路经济设计、电力系统最优规划和运行；

吴慧芳（1981），女，广西南宁人，2007年毕业于广西大学电气工程学院控制理论和控制工程专业，硕士，大学讲师，主要研究方向是输电线路雷害治理、电力系统自动控制。