架空输电线路防雷与接地的设计分析

福建永福电力设计股份有限公司 倪仁鑫

架空输电线路以其特有的优势在我国电力输送方面发挥了重要价值，通过架空输电线路成功实现了电能的传输与转换，保护输电线路的安全性就是保证整个电力系统的安全性[1]。

由于架空输电线路架设在外部，长年累月经受外界恶劣气候的干扰，极易受到如暴雨、雷电、冰雹等恶劣气候因素的影响，其中雷电是一种高发且常见的自然现象，特别是在我国南方地区，降雨量大，更易于发生暴雨、雷电现象，一旦线路遭受雷击引发跳闸，会影响到电力的正常输送。据统计，在高压线路的跳闸总数中，雷击造成的跳闸故障高达二分之一以上。为保证电力系统的持续性和高效性，做好架空输电线路的防雷与接地设计十分关键。

1 架空输电线路防雷与接地设计必要性及发生雷击故障主要原因

我国架空输电线路分布具有“点多、线长、面广”的特点，一旦输电线路发生故障引发跳闸，将会引起大面积停电，影响社会的正常供电。

雷电是一种十分常见的自然现象，在世界各地几乎每天都会有雷电发生。输电线路雷击故障事件屡见不鲜，因输电线路遭受雷击引发的人员伤亡和经济损失越发严重。据统计，包头电网北部山区由于雷击造成的跳闸事故占本地区跳闸的67%以上；福建宁德大烟35kV 输电线路投产运行十余年间，因线路遭受雷击引发多起设备故障及绝缘子损坏事件，对电力系统的可靠运行产生了不利影响；2012～2014年间唐县山区的10kV 输电线路故障故障高达62次；2015年长沙县供电公司所辖范围内因雷击原因造成7起跳闸事件。为确保供电系统的安全稳定性，对架空输电线路进行科学化防雷设计迫在眉睫。

绝缘水平不足。输电线路绝缘水平是影响防雷击的重要因素，刚开始投入使用时，由于绝缘材料性能符合标准、整体耐雷击水平较高，但通常投入运行几年后材料本身的性能会下降，再加上受外界环境因素影响，一些绝缘材料主要是高分子材料，材料自身在紫外线、高温条件下会加速发生老化，导致整体性能降低，如不进行技术改造将会显著降低输电线路的耐雷击性能。据调查研究结果显示，一些污秽严重的绝缘子耐雷水平下降约10%，严重时甚至高达30%以上。

外界地形条件因素。结合多年运行实践表明，架设在山区的输电线路遭受雷击跳闸概率远远高于平原地区的线路。山区地带塔杆通常架设在山区的山坡或山顶位置处，一般山区土壤的电阻率比平原地区要高，大多在1000～2000Ω ▪m，有的甚至高达5000Ω ▪m，当接地装置遭到损坏时造成接地电阻增大，输电线路耐雷击水平显著降低；接地电阻问题。当雷电击中架空输电线路杆塔顶部时，雷电反击电压值会高于冲击放电电压，会使得导线发生闪络。当接地电阻阻值较高时塔顶电位升高的越大，会加大导线发生闪络的概率。

2 影响架空输电线路安全稳定的主要因素分析

杆塔接地电阻。其大小直接影响杆塔雷击后冲击电位的高低，通过降低接地电阻会显著提升输电线路的耐雷击水平，但该措施只局限于输电线路遭受反雷击的情况，对输电线路遭受绕击雷造成的跳闸不适用。输电线路杆塔遭受到雷击时，由于输电线路杆塔的接地电阻比架空地线的阻值要小，大部分的雷击电流直接进入大地，可见降低杆塔接地电阻可使雷击电流被更多的引入大地。

线路档距。当架空输电线路遭受雷击后，一部分电流会流入接地网、另一部分电流会沿着线路传输，在电流传输过程中需经历一段时间差才能影响到下一基杆塔，实际情况下，由于输电线路档距存在一些差异，因此传输时间也不尽相同，耐雷水平也有所差异，因此可适当增加输电线路的水平档距。

杆塔高度。杆塔遭受雷击的概率与杆塔高度呈正相关，增大塔杆的高度输电线路遭受雷击概率加大，当雷击中塔杆顶部后，雷电流会沿着杆塔和接地通道泄放进入接地网从而流入大地[2]。但事实上，通常雷电流是难以全部通过接地通道进行泄放的，没有泄放掉的雷电流会继续沿着塔身返回杆塔横担或杆塔顶部。当杆塔高度较高时这一过程所需时间增长，因此雷电流在杆塔高度较高的情况下更易于引发闪络，导致线路耐雷水平降低。通常在杆塔所处区域环境及其他外部条件允许的情况下，建议将杆塔的高度设计尽可能低一些，进而提升输电线路的耐雷水平。

3 架空输电线路的防雷与接地设计技术策略

3.1 架设避雷线

架空输电线路防雷方面避雷线起到重要作用，通过架设避雷线可减小雷电对导线的耦合屏蔽作用，显著降低雷电直击中导线的概率，实现对架空输电线路的线、面防雷保护，目前工程上应用较多的避雷线材质为镀锌绞线或铝包钢绞线。通常要结合工程实际及电压等级来合理架设避雷线，一般对电压等级高于110kV 的输电线路原则上都要架设避雷线，避雷线在施工方面较为简单、技术难度不高、经济性优异，是目前电力系统中应用较多的一种防雷技术，通过架设避雷线使得线路耐雷水平提升了30%左右。

架空地线的设计保护角对防雷效果影响显著，保护角的大小影响了雷电绕击率。通常电压不同的线路架空避雷线的保护角也存在差异。对于单回路，330kV 及以下线路的保护角不宜大于15°，500kV～750kV 线路的保护角不宜大于10°；对于同塔双回或多回路，110kV 线路的保护角不宜大于10°，220kV 及以上线路保护角不宜大于0°；单地线线路不宜大于25°。

对于10kV 的输电线路，由于线路本身绝缘性差，易造成反击闪络，因此前些年对10kV 架空输电线路不推荐安装避雷线，但近年随着对输电线路可靠性的日益重视，大量研究者展开了对10kV 线路安装避雷线的研究，有研究得出，对于10kV 架空配电线路，通过架设合适高度的避雷线（约1.8m），其耐雷水平提高20～30%以上，但需要特别注意的是，在避雷线架设高度选择过程中，首先要保证导线与避雷线满足足够的电气安全距离[3]。

3.2 降低接地电阻

降低杆塔接地电阻是提升输电线路防雷水平的重要技术措施之一。通常情况下不同的杆塔模型在耐雷水平方面也不尽相同。现阶段降低杆塔接地电阻的方式主要有利用自然接地体、深井接地、引外接地、人工改善土壤、采用降阻剂、使用非金属模块接地等，但采用非金属模块接地成本高；人工改善土壤方式工作量较大；采用降阻剂方式时效短；外引接地是通过利用引线将杆塔接地装置引至土壤电阻率低的区域，主要适用于附近100米区域内存在低电阻的区域，且规程中对外引接地的最大长度限制不能大于150m，对于一些地域条件复杂、山区地带不适用。因此在实际情况下，还充分考虑到输电线路周边的具体情况来选择适宜的降阻方式。

铜、钢、镀锌钢等作为电力接地网的传统接地材料，在土壤环境中长期使用后暴露出诸多问题，主要是因为材料本身为金属材质，在潮湿环境下易发生腐蚀，导致材料的电性能降低，影响了实际应用效果。石墨烯作为一种新型的无机非金属材料，具有比金属更优异的导电和导热性能，其独特的层状结构加速了电子的移动，另外石墨烯材料还具有热膨胀系数低、耐腐蚀性强，以及优异的力学性能和抗热震性能，其抗拉强度可以达到130GPa，导热系数能够到达5200W/（m·K），近年在电力系统的防雷接地工程应用中体现出了良好的应用价值[4]。

石墨烯复合接地系统是由石墨烯与其他材料，如铜、铝、钛等金属材料高温烧结复合而成，张力强度大、深钻时不会发生脱落或皴裂，其导热、导电性能是传统防雷接地材料的十几倍，泄放雷电流速度更快，在保护输电线路及设备安全方面效果显著。采用石墨烯复合接地线进行敷设时，通常深度设置在0.8m 左右，两个接地极间距在5m，并辅以连接石墨烯接地极组成的接地网[5]。

3.3 安装避雷器

安装避雷器是一种提升架空输电线路防雷性能的重要手段，线路避雷器的外套材料是一种合成材料，通过安装避雷器，可利用避雷器电阻的非线性特性来实现对绝缘子串的保护作用，进而降低雷击跳阐率，在选择避雷器时，要基于以下考虑：安装避雷器的主要目的是减少操作过电压，还是为了减少雷电过电压；电线杆塔接地质量；落雷密度；能量吸收能力。此外，避雷器的安装数量、相别的原则为：尽量将避雷器要安装在易绕击相，尽量选择安装一相，接地电阻较大时可依据实际情况选择安装二相或三相，线路避雷器的安装方式、线路避雷器自身的重量、覆冰重量也要慎重考虑。

在我国山区地区线路避雷器安装较多，避雷器主要有间隙避雷器和无间隙避雷器两种类型，实际应用过程中还要结合线路电压等级来合理选择避雷器的类型，通常对500kV 电压等级的输电线路主要以无间隙线路避雷器应用较多，可同时实现限制雷电过电压和限制操作过电压。此外，避雷器的安装数量也是响应防雷效果的重要因素，通常安装避雷器的数量越多耐雷击效果越好，但如将全线安装避雷器又会导致成本过高，不具有经济可行性，从目前架输电线路防雷设计来看，安装避雷器仍是一种重要措施，且对小型化、高压化、标准化、智能化的避雷器需求迫切。

应结合施工实际情况做好架空输电线路的杆塔接地设计，选择合适的降低接地电阻措施，加强工程施工管理与日常运行维护，定期监测塔架接地装置的接地电阻，保证接地装置稳定运行，提升输电线路防雷性能，保证电力系统的持续安全运行。