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架空输电线路防雷措施研究

文档作者：付学文，魏智娟，张志芳文档来源： 1．邢台供电公司 2．内蒙古工业大学		点击数：	更新时间： 2024年07月02日
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《电气自动化)2013年第35卷第2期 电力系统及其自动化
Power System ＆ Automation
架空输电线路 防雷 措施研究
付学文 ，魏智娟 ，张志芳
(1．邢台供电公司，河北邢台054001；2．内蒙古工业大学电力学院。内蒙古 呼和浩特010080)
摘要：研究分析了降低线路杆塔接地电阻，架设避雷线路，加强线路运行维护以及采用不平衡绝缘方式与装设自动重合闸这些输电
线路防雷的常规措施。针对近年出现的架设耦合地线，调节保护角，安装喷射气流灭弧防雷保护间隙装置，安装线路避雷器，
加侧向避雷针，架设可控放电避雷针，安装架空地线避雷针，安装线路塔头避雷器等新型防雷措施做了重点分析，对输电线路
防雷的理论研究及工程实践都一定的指导意义。
关键词：架空输电线路；防雷保护措施
DOI：10．3969／j·issn．1000-3886．2013．02．018
[中图分类号]TM752 [文献标志码]A [文章编号]1000—3886(2013)02—0052—05
Research On Lighting Protection Measures of Overhead Transmission Lines
FU Xue．wen ．WEI Zhi-juan ．ZHANG Zhi．fang
(1．Xingtai Power Supply Company，Xingtai Hebei 054001，China；
2． e Power College ofInner Mongolia University of Technological，Huhhot Inner Mongolia 010080，China)
Abstract：This paper research and analysis on the following conventional measures of lightning protection：to reduce lines tower grounding
resistance，to erect line lightning arrester，strengthen line operation and maintenance。using the unbalanced insulation way and
setting up automatic reclosing．Some new measures of lightning protection in recent years are analyzed，such as erecting coupling
ground line，regulating protection angle， installing spray airflow eliminates arcing lightning protection gap device，installing line
lightning arrester，adding lateral lightning rod，setting up controllable discharging lightning rod，installing overhead grounding line
lightning rod and installing lines tower head lightning arresters and SO on．It has certain guiding significance for doing theoretical
research and engineering practice of transmission lines lightning protection．
Keywords：overhead transmission line；lighting protection measures
0 引 言
为提高线路耐雷水平和降低雷击跳闸率为目的，国内外的电
力专家开展了大量的输电线路防雷研究和措施改造工作。架空
输电线路遭到雷击的事故发生通常要经过四个阶段：线路遭到雷
击；线路发生闪络；线路由于发生冲击闪络建立起稳定的工频电
弧；电力系统供电中断。针对雷害事故发生的这四个阶段，目前
的防雷技术可以大致分成四类，即防雷电直击导线技术；防闪络
技术；防建弧技术；防停电技术。
1 输电线路防雷的常用措施
1．1 降低杆塔电阻
根据杆塔所在地区土壤电阻率的情况，尽可能地降低杆塔的
接地电阻是提高线路耐雷水平非常经济且有效的手段。降低杆
塔接地电阻主要方法有以下几种。
(1)充分利用架空线路的自然接地 在实际接地工程中，
充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结构物以及上、下水
金属管道等自然接地体，是减小接地电阻、节约钢材以及达到降
低接地电位的有效措施。
(2)外引接地装置如杆塔所在的地方和有水平敷设的地
方，要设置水平接地体⋯ 。因为水平敷设施工费用低，不但可以
降低工频接地电阻，还可以有效地降低冲击接地电阻，起到有效
收稿日期：2012一O5—21
52 ElectricaI Automation
的防雷作用 。对输电线路杆塔的接地装置，其外延长度(射线
长度的最大限度)如下表1所示。
(3)深埋式接地极如地下较深处的土壤电阻率较低，可
用竖井式或深埋式接地极。在选择埋设地点时应注意以下几点：
选在地下水位较丰富及地下水位较高的地方；杆塔附近如有金属
矿体，可将接地体插入矿体上，利用矿体来延长或扩大接地体的
几何尺寸；利用山岩的裂缝，插入接地极并灌人降阻剂；填充电阻
率较低的物质。
表1 土壤电阻率与外引接地装置的长度关系
(4)改善土壤电阻率接地体的接地电阻与土壤电阻率密
切相关，鉴于以上原因，可以采用改善接地体周围土壤电阻率的
方法，以降低接地电阻。主要方法有：
换土法使用电阻率P较低的土壤来置换掉电阻率较高的
土壤。这种方法虽然有效，但工程量太大，造价较高。置换材料
的特性应保证电阻率低、不易流失、性能稳定、易于吸收和保持水
份、无强烈腐蚀作用，并且施工方便和经济合理。
使用降阻剂实践证明，在水平接地体周围施加高效膨润土
降阻防腐剂，对降低杆塔的接地电阻效果很明显，但需要定期更
换以便保持其降阻作用；
电力系统及其自动化
Power System ＆ Automation
《电气自动化)2013年第35卷第2期
铺设水下接地装置。若杆塔附近有水源，利用这些水源布置
接地极，可以收到很好的效果。若受地形和地势等因素的限制把
工频接地电阻降到合格(10 Q)以内较困难时，可以考虑采用6—
8根长为80 m的水平射线的方法来降低冲击接地电阻。
1．2 输电线路全线架设避雷线
对于处于山区、草原、高原等土壤电阻率高的地区，架空输电
线路的雷击绕击率非常高。为此建议35 kV以上电压等级的架
空输电线路全线架设双避雷线。35 kV线路全线架设避雷线之
后，其造价必然会有所增加，但增加有限，而引雷效果的作用非常
明显。若按全线架设避雷线设计，除增加作为避雷线的钢绞线
外，原不架设避雷线部分线路的杆塔需增加避雷线吊架，30％ ～
50％的杆塔需加高3 m，相应的拉线、拉线基础及接地工程也将
增加部分费用，这样线路的单位造价将在原有的基础上增加5％
一10％左右，可见全线架设避雷线之后，增加的投资有限。
1．3 加强输电线路的运行维护消除绝缘弱点
定期检测零值劣质绝缘子，检测可用目测法和红外测温法，
检测出劣质绝缘子并及时更换，也可参照输电线路定期检修的办
法对输电线路实行轮换，对输电线路加强运行管理，及时消除绝
缘弱点，提高输电线路的绝缘水平。实践证明：加强输电线路的
运行维护消除绝缘弱点对提高输电线路的耐雷水平作用非常明
显；及时清理输电线路下的树木和违章建筑，防止在雷雨天气线
路下的杂物引起输电线路短路接地故障；要有防止车辆撞线路杆
塔的措施，防止外力破坏，特别是要对同塔多回重点加强保护。
1．4 采用不平衡绝缘方式
为了节省走廊用地，在现代超高压和特高压输电线路中，采
用同杆塔架设多回线路的情况日益增多。为了避免线路落雷时
多回路同时闪络跳闸而造成完全停电的严重情况，在采用通常的
防雷措施仍无法满足要求时，可采用不平衡绝缘的方案。即使某
一回路的三相绝缘子片数少于另一回路的三相绝缘子片数，这样
在雷击线路时，绝缘水平较低的那一回路将先发生冲击闪络。闪
络后的导线相当于地线，增加了对另一回路导线的耦合作用，提
高了另一回路的耐雷水平。采用不平衡绝缘的方案由于使其中
一回路导线将先发生冲击闪络，影响了电网的供电可靠性因而在
输电线路中很少采用。
1．5 装设自动重合闸方式
我国110 kV及以上线路的重合闸成功率高达75％ 一95％ ，
可见提高自动重合闸的投运率，是提高输电线路耐雷水平，减少
雷击跳闸率，提高供电可靠性，保证电网安全的有效措施。
在实际设计中，在山区、草原、高原等多雷地区，为提高输电
线路耐雷水平，减少雷击跳闸率还可以在常用措施的基础上架设
耦合地线，采用负角保护针配合降低杆塔接地电阻，安装喷射气
流灭弧防雷保护间隙装置中装线路避雷器、加侧向避雷针以及可
控避雷针等措施。这些措施在我国电网的实际工程中都得到了
应用。但是在具体应用时，应综合考虑，多次试验。
2 输电线路防雷的综合措施
2．1 架设耦合地线
在架空输电线路下方架设一条耦合地线是在雷害事故多发
区提高线路反击耐雷水平降低反击跳闸率的一种新型的防雷技
术。对老旧和运行效果不好的线路，可以根据地形和地貌状况加
装耦合地线，提高耦合系数 ，原理如式1所示：
=
州一Ub一 )=25 了／hd
- K x 25 × 一
K x 25×了／]2o—zs× (·一 hb +h~l
式中， 为增设耦合底线导线上的感应电压(kV)；Ud为导线上
的感应电压(kV)； 为避雷线上的感应电压(kV)；U。为耦合
地线上的感应电压(kV)；，为雷电流幅值(kA)；h 为线路导线
对地平均高度(m)；．s为雷击点距线路距离(m)； 为导线与避雷
线及架空耦合地线之间的耦合系数。
耦合地线是具有分流作用和增大导线与地线之间的耦合系
数，减小等值波阻抗，降低绝缘子串电位的作用；耦合地线增大了
雷击杆塔雷电流的分流作用，使塔顶电位降低；耦合地线可以提
高杆线处的“地”电位面，导线所处大气场等电位面相应降低，使
杆塔有效高度相应减小，从而在雷击塔顶时导线上感应电压分量
减小，相当于杆塔本身电感量减少，提高耐雷水平降低跳闸率。
运行经验表明，安装耦合地线是降低线路雷击跳闸率的重要
措施。
以110ZSG杆塔为例，杆塔接地电阻15 Q，绝缘子串50％击
穿电压设为700 kV。计算得到的不同杆冲击塔接地电阻R 对应
的线路耐雷水平j如图3所示，图中日为耦合地线在杆塔上的悬
挂点高度。耦合地线高度变化时，相应的提高线路耐雷水平的效
果也不一样，悬挂高度为18 m和15 m时对应的提高线路耐雷水
平的效果最佳，即使杆塔冲击接地电阻达40 Q，线路的耐雷水平
仍达40 kA。可见，采用耦合地线对提高线路的耐雷水平效果明
显，且免维护。因此在局部高土壤电阻率地区，可以采用加装耦
合地线的方法来提高线路的耐雷水平。
2．2 采用负角保护针配合降低杆塔接地电阻
在山区、草原、高原等多
雷区，雷电活动十分频繁，土
壤电阻率一般较高，经常发
生雷电绕击和反击，采用负
角保护针配合降低杆塔接地
电阻，是架空输电线路防雷
保护的有效措施。负角保护
针的安装在一定程度上能够
降低线路的雷击跳闸率。然
而，负角保护针不同的安装
方式对应的防绕击效果不
同。利用装针后线路绕击和
反击跳闸率的计算方法，结
合图1的计算参数，分析了
总跳闸率与不同雷电流下负
角保护针的安装位置、安装 图1 杆塔计算参数
角度和安装长度的关系，结果如图2、图3、图4所示 。
(1)安装位置的影响
Electrical Automation 53
《电气自动化)2013年第35卷第2期 电力系统及其自动化
Power System ＆ Automation
图2表
明，负角保
护针长为3
m，安装角度
为0。时，安
装在导线横
担支架处比
安装在避雷
线横担支架
处的防雷效
果相对好一
j
8
蟊
v
僻
麓
蓝
啦
O 5 10 15 ∞ 篇 ∞
地耐饿斜舶 )
图2 不同地面倾角下安装位置与跳闸率的关系
由图 图3 不同地面倾角下安装角度与跳闸率的关系
3表明，负角
保护针长为3
m，安装在导互
线横担支架处妻
时，安装角度整
为0。和3o。的蓦
防雷效果很相
近，但效果仍
然是安装角度
O 5 ’0 1$ ∞ ∞
地面倾斜角c．)
为0。时的图3 图4 不同地面倾角下针长与跳闸率的关系
杆塔参数防雷效果最好。
由此可知，对于单回线路杆塔，负角保护针宜安装在导线横
担处，安装角度为0。(即水平放置)，长度取2 m～3 m之间；按此
种安装方式，当接地电阻为2O n时，负角保护针将总跳闸率降低
5％ 左右。
2．3 安装喷射气流灭弧防雷保护间隙装置
2002年，日本的M．Tsukima，McBride等人通过实验证明了气
流能够直接驱动电弧运动，并且气吹灭弧对提高微型断路器
MCB的开断l生能具有积极作用c6。 。在架空输电线路上安装喷
射气流灭弧防雷保护间隙装置，能够在线路发生雷击闪络时有效
地保护绝缘子串免受工频电弧的灼烧，在疏导雷电能量后能够迅
速切断工频续流电弧，实现既可以限制绝缘子的外部过电压又可
以避免断路器频繁跳闸的功能。
喷射气流灭弧防雷间隙装置硬件结构如图5所示。喷射气
流灭弧防雷间隙装置包括高压侧连接体、接地连接体、喷射气流
灭弧器、信号采集装置、高压电极、接地电极等部件，高压侧连接
体与接地连接体分别连接到对应的电极上，对应的电极之间形成
54 Electrical Automation
的电极间隙距
离可以调整以
适应不同的电
压等级。整个
装置通过高压
侧连接体、接地
连接体与绝缘
子串并列地悬
挂在一起。
实际应用
中，当线路正常
运行时，两电极
之间电位差等
图5 输电线路灭弧防雷间隙结构示意图
于单相对地电压，未达到气隙的临界击穿电压，两电极之间没有
电弧，无法启动气体发生器。当雷电击中杆塔或导线时，强大的
雷电过电压以波的形式通过导线传到线路绝缘子串处，由于该防
雷间隙装置的绝缘强度低于被保护线路的绝缘水平，防雷保护间
隙首先被击穿，将大量雷电流泄人大地，使过电压大幅度下降，从
而起到保护线路和电气设备的作用。雷电流持续时间非常短(国
际标准给出的雷电波最长时间仅为2 Iris)，幅值非常高，可以启
动气体发生器，在很短的时间内(40 ms)产生大量喷射气体并形
成强气流，迅速熄灭工频续流电弧并抑制电弧重燃，避免了断路
器的频繁跳闸。
广西大学电气工程学院的王巨丰、黄维、曲振旭等人利用实
验的方法模拟了35 kV线路绝缘子串发生雷击闪络后，强气流灭
弧防雷保护间隙迅速启动灭弧装置，并在4 ms内熄灭工频续流
电弧的过程。实验认为：在气体发生装置启动后，高速气流对间
隙间的工频电弧产生强烈的冲击，电弧被迅速拉长脱离间隙下电
极至熄灭；从高速气流产生至电弧熄灭的整个过程持续4O帧，历
时约为4 ms；在强气流的多重灭弧效应共同作用下，间隙间的电
弧能够在很短的时间内被熄灭 J。
2．4 安装线路避雷器
(1)线路避雷器提高线路耐雷水平的技术原理：将线路避
雷器与绝缘子串并联安装，当雷电绕击线路或雷击杆塔将在绝缘
子串两端产生的过电压超过避雷器动作电压时，避雷器可靠动
作，利用阀片的非线性伏安特性，限制避雷器残压低于线路绝缘
子串的闪络电压；雷电流经避雷器泄放后，流经避雷器的工频电
流仅为毫安级，工频电弧在第一次过零时熄灭，线路两端断路器
不会跳闸，系统恢复到正常状态。
(2)合成绝缘子绝缘线路氧化锌避雷器的主要特点：因其
残压低使其作为限压装置的性能很优越；视线路的具体实际工程
应用可以做成带间隙或无间隙型避雷器；通流能量大，可以很大
程度上吸收过电压带来的能量。
(3)线路安装避雷器的防雷分析：雷击杆塔时雷击电流i一
部分经避雷线流到相邻杆塔，一部分经杆塔入地，杆塔接地电阻
(用冲击电阻 来表征)呈暂态特性，杆塔接地线附加电感值为
J J
。则塔顶电位U =iR +L 迅速升高(其中L u L
． 为冲击暂态

《电气自动化)2o13年第35卷第2期 电力系统及其自动·
Power System ＆ Automation
蔽性能和引
雷作用，将可
能遭受的绕
击转化为反
击加以控制，耋
大幅度降低塑
雷击故障跳
闸率。图12
为安装在雷
电频繁发生
区域500 kV
架空输电线
路上防绕击
避雷针。工程经验
表明，在架空地线
上合理装设防绕击
避雷针，可有效地
增强其屏蔽性能和
引雷作用，将可能
遭受的绕击控制转
化为反击，大幅度
降低雷击故障跳
闸率。
3 结束语
图l1 单根可控放电避雷针的保护半径
目前降低线路 图12 安装在线路上的架空地线避雷针
杆塔接地电阻，架设避雷线路，加强线路运行维护以及采用不平
衡绝缘方式与装设自动重合闸等这些常规措
(上接第35页)
誓r⋯ ⋯ ⋯ —— — — 一■甲 ¨ 一 丌丌
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(25 us，格)
图11 母线电压24 V，负载100 n时Q，和 。波形
压 平均值为20．3 V；图9为输入电压16 V，负载100 Q时，负载电
压 平均值为20．2 V；图l0为输入电压24 V，负载10 Q时，负载电
压 平均值为19．8 V；图II为输入电压24 V，负载100 n时，负载
电压 平均值为22 V。
5 结束语
通过改进独立光伏系统的传统稳压结构，本文提出一种并联
式稳压结构。分析了系统各部分电路的工作原理，通过实验验证
其可行性。该系统在蓄电池放电结束后等待光伏电池充电，当蓄
电池电压高于放电截止电压时，比较光伏电池输出电压和设定输
出电压时，大于时，Buck—Boost电路降压，稳压支路从直流母线分
56 Electrical Automation
施在输电线路防雷保护方面起到了一些非常有效作用。在这些
常规防雷保护方式的基础上，通过理论分析结合实际工程经验，
我们认为架设耦合地线，调节保护角，安装喷射气流灭弧防雷保
护间隙装置，安装线路避雷器，加侧向避雷针，架设可控放电避雷
针，安装架空地线避雷针，安装线路塔头避雷器等方法可以有效
地提高输电线路的防雷作用。
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【作者简介】付学文(1983一)，男，河北邢台人，硕士研究生，研究方向电
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生，研究方向电力系统继电保护； 张志芳(1988一)，女，内蒙古呼和浩特
人，硕士研究生，研究方向为电力系统故障诊断。
流通过UC3906 充电电路为蓄电池充电；小于时，Buck—Boost电
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【作者简介】高源(1988一)，男，山东聊城人，硕士研究生，主要从事电力
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