山地多雷区配电线路防雷改善方案研究

李 龙

（国网宁波供电公司，浙江 宁波 315000）

0 引 言

电力已经成为推动科学技术进步和带动经济发展的重要能源，各地将其作为重要的发展能源，不断修建电网配电线路。电网配电线路建设规模持续增长，高压输配电线路也在不断增加，但因受到城市征地困难等因素的影响，高压架空输电线路大多架设在高山上。农村地大物博，山地地形居多，山区面积大，地形复杂多样，配电线路跨越多个山地，具有距离长、跨度大以及遭受雷击概率较高的风险。据统计，在山区，每年因雷击造成的线路跳闸故障约占输配电线路总故障的40%～70%，部分地形地貌复杂的山区，如唐古拉山脉等，发生雷击事故的概率更高，对当地经济发展极为不利。因此，改造配电线路，消灭雷击故障，为配电线路的平安运行保驾护航，已成为了当前各大供电所需要迫切解决的问题。

1 雷击对配电线路的危害

配电线路遭受雷电过电压的概率较大，主要有直击雷过电压和感应雷过电压两种方式。直击雷过电压是指雷击过电压直接作用于导线、杆塔以及避雷针等配电网设备，造成配电网线路瞬间过电压。感应雷过电压是指雷击大地时没有避雷针的配电网导线将会存在感应过电压，即使有避雷针的配电网导线也会存在感应过电压，从而造成配电网线路瞬间过电压。

对于山地多雷区配电线路来说，雷电对配电线路的安全危害较大，常常会出现绝缘子闪络的现象，引发较大的配电网事故。再加上山地交通不便，气候恶劣，巡视和排障的难度较大，在海拔较高的地区，由于山地地形特殊，雷电之后会出现大风和急雨等极端恶劣天气，风速过快可能会造成高大的树木压在导线上，导致输电线路发生振动后发生碰撞，线杆倒下甚至会导致线路中断。如果不能及时处理配电线路故障，那么可能会造成较大的电力事故，甚至给人们的生命财产安全带来巨大的隐患。在所有的电网事故中，配电网线路问题占比较大，而配电网事故中最常见的是雷击跳闸事故。山区因为地势和天气等原因，雷击后跳闸的事故较多，如果能够有效控制雷击跳闸事故，就可以极大程度降低配电线路的故障发生概率，降低电网故障的发生频率。

2 DX输电线路雷击跳闸情况

根据浙江省电力公司颁布的《浙江电网地闪密度分布图》得知，宁波地区的雷击发生频率较高，达到了D1级别（最高级别），配电网线路遭受雷击的概率较大。特别是220 kV以上电压等级的线路发生直击雷电过压和感应雷过电压的可能性较大，遭受到雷击跳闸的风险始终处于高位。

220 kV架空输电线路DX线由宁波局管辖，该架空输电线路全长25.351 km，采用同杆双回路架设，共有杆塔67基，其中1#～38#杆塔所处地形为山地，39#～67#杆塔所处地行为平地。自2017年投入运营以来共发生10次雷击跳闸事故，其中4次跳闸事故为同跳。该线路9次雷击跳闸杆塔处在9#～14#之间，这一段主要地形为山区，地面倾角大，接地电阻大，雷击活动频繁，因而遭受雷击的次数较多。此外，由于该线路为变电站的电源线，因此跳闸将会造成极大的安全事故，严重影响供电安全。

3 DX输电线路遭受雷击的原因

通过现场调研和测量看出，由于地质、地形、线路走经以及雷电分布等诸多因素的影响，导致输电线路的接地电阻超标且线路耐雷水平不高，在山区和丘陵等地形区域遭受雷击的可能性较大。

3.1 接地电阻超标

《架空绝缘配电线路设计技术规程》明确提出，开关金属外壳接地电阻应当小于10 Ω，100 kV以下变电器外壳的接地点接地电阻应当小于4 Ω。但是，实际测量发现，该线路环城线路段基本满足接地电阻要求，山区路段高于接地电阻要求。由于雷击时产生大量的电流，在瞬间无法快速将电流流入大地就会形成闪络，出现线路跳闸的情况。因此，通过减少配电网线路的接地电阻，使电流能够快速流入大地，避免电流堆积，减少过电压的发生概率和雷击发生次数，提高配电网的配电效率和质量[1]。

3.2 线路耐雷水平不高

现如今，大量智能化设施设备的使用，极大降低了感应雷所造成的雷击事故，提高了配电网的运行效率。但由于山区地理条件的限制，使得输电线路可以选择的走经有限，部分电杆不得不设置在山顶位置，增加了线路遭受感应雷的比例。DX输电线路的9#～14#杆塔大部分在山顶位置，线路耐雷水平不高，因此这一线路段发生雷击的概率较高，另外该线路没有装设避雷线，选用的绝缘子为1～2片，计算得知线路耐雷水平为1.1 kA，雷电流超过线路耐雷水平的概率为90%，每10次雷击事故就有9次出现闪络现象，造成线路跳闸[2]。

3.3 自动合闸并未完全投入运行

一般来说，90%的输电线路故障为临时故障，如大风引起的线碰线、鸟类引起的线路短路以及雷击造成的闪络或者过流等。这些故障大多为瞬态的，配电线路出现瞬态高压和大电流时，继电保护快速启动，电弧熄灭，电流泄流，自动合闸，故障恢复。随着智能电网建设的不断推进，本线路安装了自动重合闸装置，供电可靠性得到了保障，但是雷击后重合闸重合成功的概率仅为80%，大的雷电流会使重合闸因为游离不足出现故障，大雷电流还会造成两相和三相故障。此外，重合闸未动作或重复性雷击致使重合闸不动作等，将会造成故障停运。

4 DX输电线路防雷改进措施

4.1 接地极改造措施

改造接地极的方式较多，结合DX线路的实际情况拟定更换镀铜钢接地材料和增加接地模块等措施来改造接地极，降低接地电阻，提高线路泄流能力。

4.1.1 更换镀铜钢接地材料

DX输电线路接地电网主要存在两个方面的问题，一是接地网开焊造成焊接处腐蚀后断开，特别是焊接处高温造成镀锌层的破坏影响了接地效果，二是土壤和水分等因素的影响造成接地网的腐蚀严重，因此改造接地极对于降低电阻是十分有必要的。经讨论，决定将9#、10#以及11#的接地极更换为耐腐蚀且电气性能良好的镀铜接地材料，采用新型的焊药放热连接工艺焊接。该焊接工艺主要是利用铝还原氧化铜，无需外界电源，野外作业方便，而且能够融化导线并形成永久性分子，提高防雷质量。

2019年，公司将9#、10#以及11#的接地极更换为镀铜接地材料以后，在导电性、热稳定性、耐腐蚀性以及防雷等方面取得了较好的效果。导电性方面，本次改造使用的接地极含有30%的铜，能够将导电率提高到50%以上，与传统的接地极导电率相比可以提高3倍导电率。热稳定性方面，铜的熔点和短路时允许温度分别为1 083 ℃和450 ℃，钢的熔点和短路时允许温度分别为1 510 ℃和400 ℃，截面相同的情况下铜比钢好。耐腐蚀性方面，铜的氧化物表面可以阻止材料被腐蚀，而钢的表面没有保护因而容易被腐蚀，其腐蚀速度是铜腐蚀速度的30～50倍。接地极改造完成后，DX线路发生雷击故障1次，重合成功1次，2020年尚未发生雷击故障。

4.1.2 接地模块改造

DX线路走经穿越高电阻率和密集落雷地区，遇到雷击事故时，由于接地电阻较大，因此聚集在配电网导线上的大电流并不能瞬态转移到大地，配电网导线的电位急速升高，电路过电流跳闸。但如果能够通过改造接地模块，减少接地电阻，将大电流快速排泄到大地，就可以减少雷击事故的发生概率，避免发生接地故障。另外，根据先吸收、后泄放的原理，可以通过改良接地极来减少雷击发生概率。本文设计基于电容器和非线性开关元件的雷电波吸收式接地装置，该装置由1支JD6000地电位限制器和4块JDM3000接地模块组成，当有大量的雷电电流瞬间注入时，可以通过吸收、消耗以及泄放3种方法将地电位抑制在安全范围内，以保证输配电线路各设备的安全运行。

根据该线路图纸，最终决定在12#和13#安装一套JD6000A接地网，将接地极与JD6000A接地网相连，接网入地。经过一段时间的运行观察，线路改造后的雷击故障明显减少，改进效果明显，且改进完成后，发生雷击故障的地点距离安装接地模块的位置较远。

4.2 避雷装置改造措施

由于避雷线的造价较高，因此广泛使用避雷线防雷将会造成项目建设成本增加。而避雷装置成本不高，通过避雷器可以有效改善线路防雷状况，因而在实践中得到较为广泛的应用。在线路上加装避雷装置时应当考虑两个因素，一是要全盘梳理配电网线路上容易遭受雷击的区域，重点关注跨越塔和易造雷击杆塔等区域。跨越塔和杆塔不仅容易遭受雷击，而且当发生雷击时，还会因为电流无法快速通过邻近杆塔分流，使得大量的电流聚集造成线路闪络，从而引发雷击事故。二是要合理测算需要的避雷器数量。配电网线路的耐雷能力，是由安装避雷针的杆塔和杆塔的抗雷能力共同决定，如果杆塔遭受雷击，瞬间大电流无法快速泄入大地，则不得不将大量的电流转移到临近杆塔[3]。但是，由于杆塔没有足够的抗雷能力，因此无法承担大电流的杆塔必然会出现闪络现象。

DX线路的走经受限，过半线路的杆塔处于高电阻率和高山顶部位置，在充分考虑接地状态和易击段邻近杆塔状况，最终确定加装3组YH5CX1-17/50避雷器防雷效果最佳。YH5CX1-17/50避雷器充分利用了氧化锌阀的非线性伏安特性，当电网没有遭受雷击时，避雷器停止工作，减少工作时间，增加雷击时的使用寿命，当出现极端恶劣天气时，为了避免配电网线路遭受雷击，避雷针与电网接通将大电流引入大地，快速泄流，减少发生绝缘子闪络或者击穿的风险。

4.3 线路绝缘化改进措施

DX线路建成后，并没有进行大规模的检修工作，特别是对绝缘子个数和污染状况的检查不力。在综合权衡投资收益后，公司对线路的绝缘化水平进行有针对性的改造，更换一些性能较差的绝缘子，并且增加了一部分悬式绝缘子。改造后的运行数据显示，DX线路的耐雷水平得到了极大的提升，恶劣天气等原因造成的雷击跳闸事故发生率显著降低，减少了雷击事故的发生[4]。

4.4 自动重合闸改进措施

雷电过电压造成击穿大是瞬态事故，一般情况下绝缘子充分放电后都可以自动合闸，因此自动重合闸的改进可以极大地减少雷电事故，保证供电可靠性。本线路属于单侧电源线路，该配电线路具有分支多和串接线路多等特点。当线路上k2点短路时，可能会造成保护1泄流困难，过电流过电压的时间长，造成该点发生雷击过电压事故的可能性较大。因此，在保护1上加装合闸装置，当保护1瞬态过流时，重合于故障线路后它的动作时限才按阶梯特性配合的时限，线路上k1和k2发生故障均会快速切断电流，消除故障点。如果故障为瞬态故障，通过智能设备自检和自恢复能够快速消除故障，恢复正常供电，如果故障点为永久性故障，智能设备自检发现故障原因自动报警，不会快速合闸，应当配合整定时间动作。

4.5 加强电网的运行维护

除了上述防雷改善方案以外，还应当加强电网的运行维护，加强防雷设施设备的运维检修工作，通过试验等方式发现防雷设施的安全隐患，及时处理减少事故发生概率。积极引入一些先进的防雷设备，如新型的避雷针和避雷器等，通过新技术的引用来提高防雷能力。此外，不断加强技术管理工作，总结防雷经验和措施，通过实践工作和培训等方式引导员工学习防雷知识，提高防雷意识和防雷技术管理能力。

5 结 论

近年来，山区多雷区域多条输配电线路遭受雷击，预防输电线路雷击跳闸故障是迫切需要供电公司解决的问题。本文研究得出，山区多雷区的配电线路雷击跳闸情况较多，雷击后跳闸的事故较多，如果能够有效控制雷击跳闸的事故就可以极大程度降低配电线路的故障发生概率，降低电网故障的发生频率。通过改造接地极、改造避雷装置、改造自动重合闸以及线路绝缘化等措施能够有效提高线路的防雷能力，对山区电网输电线路的防雷设计、管理以及运行具有一定的实践价值。