架空输电线路的防雷及运维措施_时志明.pdf

工 程 技 术产业创新研究 2023.7 第14 期144作者简介：时志明，男，江苏江阴人，助理工程师；研究方向：变电运行。架空输电线路的防雷及运维措施时志明（国网江苏省电力有限公司江阴市供电分公司，江苏无锡 214400）摘要：电力资源是日常生活与生产建造中不可或缺的动力资源，而雷击事故则是引发电力系统中架空输电线路跳闸的主要因素之一。因此，需要根据区域情况合理布设防雷措施及相关运维措施，进而保障整体输电线路安全、稳定运行。基于此，本文简单分析架空输电线路防雷与运维措施，并深入探讨实例分析，以供参考。关键词：架空输电线路；防雷措施；运维措施架空输电线路是电力工程中最为常见的线路布设形式，由于大部分设施的布设高度较高且长期暴露在外，难免会因受到雷电影响而引发故障。因此，需合理布设相应的防雷措施，制定科学合理的运维方案，以保障整体输电线路的安全。一、架空输电线路防雷措施常用的防雷设备有避雷针、架空地线、避雷器等，可降低被保护设备所受的雷过电压，减少因绝缘被损坏而引起的跳闸危险，其中接地装置就是把雷电流引入大地的设备。（一）布设避雷线（架空地线）布设避雷线作为一种传统的防雷保护措施，其可有效避免雷电直击并将雷电流进行合理疏导，进而为架空线路导线构建一层屏蔽层。通常来讲，架空地线材料造价成本较低，主要采用钢绞线和铝包钢绞线（带通讯功能）或其他小线径导线制作。针对部分山区地段的雷击事故多发区，若输电线路电压超过 110kV，则一般采用构建全线双线避雷线进行防雷；若输电线路电压在 35kV 及以下，则一般采用单线全线架空地线或只需将架空地线布设于变电站附近 2 公里内的区域即可。当然，以上布设方式多出于工程经济性方面考虑，若想进一步增强整体线路避雷效果，则可根据实际情况重新调整线路布设方案。此外，架空地线保护角大小是防止线路直接遭受雷击的关键所在，雷击导线的概率随着保护角减小而降低，导线悬挂点与架空地线两者间所设置的保护角越小，防直击雷的效果越高。保护角的大小，通常取决于导线横担与地线横担之间的设计结构，大部分输电线路会将保护角的角度设定在10-25 范围内。对于 110kV-220kV 高压线路防雷，通常会布设双避雷线并将保护角的角度设定为不大于 20，而针对超过 500kV 的超高压、特高压的架空线路，通常保护角的角度不高于 15。但对重覆冰地区线路保护角可适当加大，以防止导线落冰跳动引起安全距离不足。（二）降低接地电阻降低接地电阻是电力线路防雷措施中有效的方法，输电线路在每基杆塔下一般都设有接地体，并通过接地引下线（铁塔为本体）与地线相连，在接地装置中，各接地体的连接要牢固可靠，保持通道良好，在周围有腐蚀性的情况时，接地体可采用表面镀锌或改用不锈钢材质。需要根据杆塔接地体布设区域土质中的实际电阻率情况，采取合理方法来降低杆塔设施接地电阻值。不同土质区域的土壤电阻率各不相同，如杆塔接地体埋设区域主要以沙质土壤为主，通常会适当增加接地体布设数量的方式来降低接地电阻。应至少将其埋置于基面以下 0.61.0m 深度或采用接地体水平和垂直敷设相组合方式。若接地体处于岩石层，则合理运用化学降阻方式对其实施长久性控制，或用接地带引至附近较低土壤电阻率处再做集中接地。运行规程要求处于雷电事故集中区的工频接地电阻不得高于 10。（三）加强线路外绝缘水平部分跨越江河的输电线路杆塔，其设计高度较高，且因江河周围区域地形较平坦，在遭受雷电冲击过程中会导致杆塔顶部电位不断增高，大气过电压也会不断增大，进而大幅度增加杆塔设施遭受的雷电冲击概率。可以根据实际情况增加绝缘子布设数量，增强输电线路的绝缘能力。通常来讲，大跨越杆塔设施整体绝缘能力必须超过其他同线路杆塔设施。而在实际应用中增加绝缘子片数（合成绝缘子考虑长度和表面积）能较大幅提高线路耐雷水平，降低雷击跳闸率。工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究145（四）采用不平衡绝缘方式由于我国电力线路走廊空间相对紧张，且建设费用普遍较高。采用同塔双回输电线路布设方式，能够节省大量走廊和杆塔设施建设方面的资金投入。尤其针对部分电压超过500kV 的超高压输电线路，由于其整体布设长度相对较长且占地面积相对较大，目前国内对于此类输电线路均已采用双回路方式设计实施。但双回路同杆塔电力输电线路通常在实际运行过程中，在遭遇雷击时所引发的同时跳闸频率相对较高。因此布设此类线路工程时，引入了采用不平衡绝缘方式来保障整体稳定运行。也就是双回同电压等级同杆塔线路采用不同绝缘强度布设，这样雷击杆塔或线路时，弱绝缘的一回线路先闪络，闪络后的导线又相当于增加了一路地线，增加了对强绝缘回路导线的耦合作用，进一步提高强绝缘回路的耐雷水平，使其不跳闸，保证有一回路能连续供电，提高双回线路的供电可靠性。经过一系列研究实践发现，此方法在双回线路中保障其中一回路免受雷击故障相当有效。二、架空输电线路防雷运维措施（一）针对性巡视检查和维护架空输电线路防雷措施巡检和维护方面，主要包括以下几点：第一，定期巡视检查杆塔的接地引下线是否完好，如有损坏应及时修复并定期进行防腐处理。第二，定期检查接地螺栓螺丝是否生锈，与接地体的连接是否完好，保证可靠的电气接触。第三，检查接地装置是否遭外力破坏，是否被雨水冲刷外露地面，并按周期进行开挖检查其腐蚀情况。第四，每年在冬季土壤干燥时组织测量杆塔接地装置的接地电阻，并按要求进行季节系数换算，如换算后接地电阻值超过设计值应及时改造。（二）布设远程监控系统大部分架空线路防雷设施布设涉及范围较广且结构复杂，为全面保障整体防雷系统持续稳定运行，需加大对防雷设施系统安全巡视方面的人力、物力和资金投入。随着信息化时代来临，许多现代智能技术被应用于工程监控系统建设当中，比如我们近年来在力推的线路通道可视化和电缆终端实时监控。可以充分利用各种网络技术构建远程电力系统监控平台，对区域防雷装置运行及故障进行实时监控，一旦发现异常情况便可通过网络监控装置，在第一时间内确认故障发生点位和故障类型，进而便于防雷装置故障抢修和日常维护工作顺利实施。（三）强化基础资料建设关于架空输电线路防雷系统运维管理方面，以前其相关资料数据多以纸质材料为主，在日常保管、收集与记录时，极易产生错记、漏记和重复记录等不良现象，甚至某些纸质材料会因存储方式不当造成遗失或损坏。很多电力机构在关于防雷系统方面并未形成一个完善的基础电力材料管理制度，这也使得大部分电力工程防雷设施布设中实际设施点位情况与相关资料存在一定差异，无法为日常运维提供应有的数据支持。因此，必须利用现代信息技术与数据库技术，构建完整的防雷系统网络档案库，在日常工作中将防雷设施基本信息及日常运维信息，全部记录到相应的信息系统当中，进而为架空输电线路防雷系统后续检修、维护及二次建设等方面提供准确的数据支持。（四）加大日常执法力度我国已颁布多项电力设施保护方面的法律法规，为电力工作人员对于电力设施日常保护提供了执法依据，同时在很大程度上提高了相关部门工作人员的执法意识。因此，相关机构可以针对区域电力系统防雷设施实际布设情况，组建专业执法团队，对蓄意破坏或盗取电力系统防雷设施等不法分子予以惩罚。如条件允许，可与当地公安部门相互配合，打击关于破坏防雷系统设施的各种违法犯罪活动。同时制定完善的电力系统防雷设施的安全管理制度，进而为架空输电线路防雷设施安全稳定运行提供强有力的安全保障。三、实例分析（一）项目背景以某丘陵山地地区架空输电线路防雷系统布设工程及运维措施为例，该区域架空输电线路分为 220kV、110kV 和35kV 三个电压等级，因 220kV 线路整体绝缘能力高、设施较为完善，故而受雷击引起的故障相对较少，而 110kV 和35kV 输电线路因绝缘能力较低、防雷设施并不完善，属于雷电故障多发区。下文将主要基于该区电力系统实际情况，构建此电压等级架空输电线路相关的雷电感应系统仿真模型，并基于试验数据来制定区域防雷及运维措施。通过相关人员实地勘察后得知，该区域多数杆塔设施是沿着低矮山地建设，周围存在多家开山采石和采矿工地，在日常作业中所产生的灰尘废气中含有较多的粉尘和金属离子物质，此类物质因长期排放，会附着于线路绝缘系统表面，进而严重影响绝缘效果，大大增加了区域雷击概率。（二）构建模型关于本次案例工程防雷模型构建方面，主要包括以下几点：第一，雷电流模型构建。通常来讲，雷电流波主要包括半余弦波、斜角波和双指数波三种。经过相关人员综合分析，最终将本次案例雷电流模型采用双指数波形，即 2.6/50s型。第二，输电线路及杆塔模型构建。鉴于本次案例试验架空输电线路电压主要以 110kV 和 35kV 为主，以 35kV 电压为例可将杆塔设施设定为 15m 高度的上字形典型避雷线直线杆（塔），整体采用水泥钢筋结构或钢结构建造，并将相邻两根杆塔之间的距离设定为 200m。第三，雷击感应模型的构建。基于雷击放电结构理论中的感应过电压原理，可采用相关公式来测算相应的感应过电压实际振幅值，如公式（1）所示：工 程 技 术产业创新研究 2023.7 第14 期146 Ui=ahe（1-ko）（1）在上述公式中，Ui代表感应过电压实际振幅值，a 则代表雷电流实际陡度值。he代表地面与输电线路之间的垂直高度，ko则代表整体电流耦合系数值。当遭遇雷击后相关电力线路周围产生感应电压时，三相电压实际振幅数值并可基于上述公式来计算，同时为避雷器与绝缘系统设备类型选择提供重要的参考依据。（三）仿真分析1.杆塔耐雷水平仿真分析。若该区域仅在杆塔设备防雷系统中配备避雷线和接地装置，而并增加其他有效防雷措施时，那么整体线路雷电流承受能力则很难达到电力系统标准防雷要求。因此为有效增强防雷等级，可以将同等规格电压的避雷器防护设备合理布设在杆塔上。本次案例工程杆塔设施防雷系统布设模型，如图 1 所示。图 1 杆塔顶防雷装置图在经过一系列仿真测试后，相关人员得出以下结论：第一，在杆塔设备未配备其他防雷装置时，可降低杆塔接地电阻来提升整体线路防雷水平，其根本原因在于接地电阻系数值越小越能保障杆塔设施在遭受雷击时所产生的电流顺利排入地下。第二，在架空线路腐蚀程度较高区域，接地电阻极易受到腐蚀影响而偏移原始工程设计电阻值，为保障防雷装置本身作用得以发挥，可以适当加装避雷器装置增强防雷效果。第三，针对部分雷击发生概率相对较低的线路区域，只需选择区域内杆塔较高易受雷击处加装避雷器设备，但雷击事故多发段，则需要将避雷器装置布设密度增加。2.架空输电线路防雷击仿真分析。通过耐雷水平分析可知架空输电线路没有布设避雷器装置或其他防过电压保护措施，一旦线路遭受雷击，只能利用杆塔接地和绝缘系统来抵御所形成的雷过电压和电流。在相应布设后，便可将雷击所形成的过电压通过避雷器装置加以控制，减少到一定程度后，残余电压在线路中传输时会因无法触及闪络线路电压幅值，而避免跳闸事故发生。在经过一系列仿真试验后得知，避雷器装置安装密度越高其整体耐雷水平也就越高，当遭遇雷击事故时，电力线路薄弱区域所能承受的最大冲击电压极限也就越大。在实施架空输电线路防雷措施布置时，必须注意以下几点：第一，在地势较为平整的宽阔地段，如选择性布设避雷器装置，可以基于雷电最高选择理念，对区域内雷电易击区杆塔设施上合理布设避雷装置。第二，在整体电力线路上，任何防雷装置都应根据现场实际情况，布设于区域防雷薄弱地段。第三，若要在整条线路上布设相应的避雷器装置，则必须将本线路中的全部易击点合理设计防雷中心区域。其根本原因在于，防雷中心区域可在第一时间内，将雷击所产生的过电压在经过避雷器装置处理后削减，进而提升该区域的整体耐雷水平。（四）防雷措施布设在杆塔设施绝缘子本身耐冲击电压值较小的情况下，可采用氧化锌型避雷器合理布设在杆塔设施上来构建杆塔防雷系统，提升整体线路的耐雷水平，利用氧化锌良好的非线性伏安特性，使在正常工作电压时流过避雷器的电流极小（微安或毫安级），当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。同时根据实际情况在线路上合理配备片数较多的绝缘子，在本次案例项目防雷措施布设实施过程中，相关人员已对该区域原有线路的绝缘系统进行了检查，针对部分无法达到系统绝缘标准的绝缘子加以更换，进而提升了整体输电线路防雷水平。除此之外，本次案例工程考虑因在山区的杆塔基础为岩石结构较多，降低杆塔接地电阻难度较大，故在雷击事故多发区的杆塔设施上，布设了相应的耦合地线装置，即采用在导线下面增设地线的方法，用以增加避雷线与导线之间的耦合作用，降低绝缘子串上的雷过电压，从而达到降低线路雷击跳闸率的目的。（五）运维措施布设由于案例的输电线路大部分处于丘陵、山区地段，仅依靠人力巡查方式很难达到最佳效果。因此，在部分无人区布设了相应的远程监控系统，连接至控制中心计算机上。该系统主要包括线路画面监控、电力线路故障智能测试及防雷预警等功能，运维人员可通过计算机操作，实施全面监控，一旦发现潜在安全隐患，系统会在第一时间内向电脑终端发出预警提示，以便维护人员能够在第一时间掌握线路故障类型和故障地段，进而降低因线路故障维修时间过长而造成的负面影响。此外，相关单位已安排专门人员对区域内线路电路进行定期巡检。通过智能监控与人员巡检两种方式双管齐下，全面保障整体输电线路安全稳定运行。参考文献：1 陈旭.浅谈 110kV 架空输电线路防雷设计措施 J.科技与创新，2023（02）：106-108.2 张海虎.架空输电线路防雷与接地的设计分析 J.电气技术与经济，2021（04）：69-71.3 程维杰，张仕鹏，刘一鸣.基于 ATP 仿真模型自动运行的架空输电线路防雷性能评估方法 J.南方能源建设，2021，8（S1）：33-38.