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摘要：论述了高压架空输电线路遭受雷击跳闸事故的原因，分析了几种常见的雷击过电压的影响，提出高压架空输电线路防雷击事故的相关措施、对策及防雷击技术改造的建议。
关键词：高电压 架空线路 输电 跳闸 对策
高压架空输电线路在运行过程中由于遭受雷击过电压引起的绝缘闪络已成为输电线路故障的主要原因。其中，雷击引起的跳闸事故约占线路跳闸次数的50％左右。雷击过电压有感应雷过电压和直击雷过电压两种。对高压架空输电线路运行防雷来讲，雷击线路故障的性质一般又分为反击雷和绕击雷两种。当雷击在杆塔顶部或避雷线上，由此造成雷击的线路跳闸故障，称为反击雷。当雷绕过避雷线，即避雷线保护失效，直接击在导线上，由此造成的雷击线路跳闸故障，称为绕击雷。雷击灾害对对电网的安全可靠运行往往造成十分严重的影响及后果，必须引起我们足够的认识和重视。
1.高压架空输电线路雷击跳闸原因
1.1输电线路反击雷跳闸
高压输电线路杆塔以及杆塔附近避雷线上落雷后，由于杆塔或接地引下线的电感和杆塔接地电阻上的压降，塔顶的电位可能达到使线路绝缘发生闪络的数值，造成杆塔雷击反击。杆塔的接地电阻是影响雷击跳闸率的重要因素，计算表明：杆塔的接地电阻若增加10～20Ω，雷击跳闸率将会增加50%～100%。
1.2输电线路绕击雷跳闸
雷绕过避雷线的屏蔽，击于导线称为“绕击”。发生绕击的因素比反击要复杂得多，如，存在击距的间隙系数，杆塔、弧垂和地形等各种因素的影响。在输电线路防绕击跳闸方面，目前主要采取的措施有：增强杆塔绝缘提高其绕击耐雷水平；减小边导线保护角，甚至采用负保护角或加装塔顶拉线、在地线上装侧向避雷针、装设耦合地线及旁路架空地线等措施，增强对导线的屏蔽作用，降低绕击概率。在避雷线上加装侧向短针的方法，其机理是适当将可能发生的绕击引向避雷线，如能引发雷击短针，则可将绕击转化为反击。因为，500kV和220kV杆塔的反击耐雷水平比绕击耐雷水平高得多，且绕击雷电流幅值一般只有5～30kA，远小于线路的反击耐雷水平，一般不会引起绝缘闪络故障。输电线路绕击的电气几何模型参见以下附图。
2高压架空输电线路常见过電压类型
高压架空输电线路中常见的雷击过电压有两种。
一是，感应雷过电压，即雷击发生在架线路的附近，通过电磁感应在输电线路上产生的过电压；
二是，直击雷过电压，即雷电直接打在避雷线或是导线上时产生的过电压。
2.1高压架空输电线路上的感应雷过电压
当雷击线路附近的地面时，会在架空线路的三相导线上出现感应雷过电压。对于这种感应雷过电压的数值，可以用下式进行粗略的估算
式中，I：主放电电流（kA）
hc：导线平均高度（m）
S：雷击点距线路的距离（m）
2.2高压架空输电线路上的直击雷过电压
雷直击于有避雷线的输电线路分为：雷击杆塔顶部、雷击避雷线中央部分、绕过避雷线击于导线三种情况。
1）当雷击于导线时，导线的电位可按下式计算：
式中的 是雷击点左右两则导线波阻并联的结果， 是雷击于波阻（ ）近似于等于雷电通道波阻（Z0）时的雷电流比雷击零欧时减半的缘故。
2）雷击线路杆塔顶部
雷击线路杆塔顶部时，有很大的电流igt流过杆塔入地。对一般高的杆塔，塔身可用等值电感Lgt代替，其冲击接地电阻为Rch，于是塔顶电位为：
在一般情况下冲击接地电阻Rch对Ugt起很大的作用，而在山区或高阻区，Rch可达上百欧，此时它对Ugt的值将起决定性的作用。至于杆塔电感只有在特高塔或大跨越时才会起决定作用。
3）雷直击于档距中央的避雷线
当雷直击于档距中央的避雷线会产生很高的过电压，可根据下式计算：
式中Lb为半档避雷线的电感，a为雷电流陡度。
3高压架空输电线路防雷击措施
高压输电线路防雷击的基本任务是采用技术上与经济上合理的措施，将雷击事故减少到可以接受的程度。以保证供电可靠性与经济性。因此，必须采取如下防雷击措施
3.1进行杆塔接地电阻改造
线路杆塔的接地电阻要满足防雷设计的要求，保证雷击跳闸率满足规程的要求。几种电压等级的线路设计耐雷水平参见以下附表。
附表几种电压等级的线路设计耐雷水平
额定电压，单位kV 35 110 220 330 500
线路耐雷水平I0，单位kA 20~30 40~75 75～110 100～150 125～175
雷电流超过I0的概率 （59~46）% （35~14.1）% （14.1~5.6）% 7.3～2% 3.8～1.0%
3.2，采用避雷线降低雷击影响
避雷线可大大减少雷击于导线的情况，是很重要的技术措施，即使以绝缘很强的330~500kV线路来说，不难算出在10~15kA的雷电流下也将发生闪络，而出现等于及大于这一电流的概率达到81~73%。
3.3合理配置线路杆塔的绝缘水平和布置方式
输电线路绝缘水平是影响线路雷击反击的重要因素。提高杆塔的耐雷水平，才能降低雷击故障跳闸率。雷直击塔顶或避雷线会造成对线路绝缘的反击，我国防雷与接地规程推荐用下式计算杆塔承受反击的耐雷水平：
式中：U50%——绝缘子串50%冲击闪络电压，kV；
K——导线线间耦合系数；
Ko——导线与地线间的耦合系数；
β——杆塔分流系数；
Rch——杆塔冲击接地电阻，Ω；
Lt——杆塔电感，μH；
hg——地线平均高度，m；
hc——导线平均高度，m；
ht——杆塔高度，m；
ha——横担对地高度，m。
计算表明，当接地电阻为7Ω时，500kV交流线路杆塔的耐雷水平为176.7kA，超过这个幅值的雷电流出现概率仅为1%。当接地电阻相同时，±500kV直流线路的耐雷水平比交流线路要高得多。因此，只要杆塔的接地电阻降低到设计要求以下，杆塔就有足够的耐雷水平防止反击。
3.4减小避雷线保护角
目前，线路避雷线设计的保护角约在25度左右，现有的杆塔改变其保护角，工作量和难度均较大。最好能够重新设计新型的杆塔型式，减小避雷线保护角，降低雷击的绕击率。
3.5增加杆塔绝缘子串片数
增加杆塔绝缘子片数，相当于提高绝缘子串的50%冲击放电电压，可以有效提高杆塔绝缘子串的耐雷水平。这种方法一般只用于输电线路特殊区段(如跨越大江，跳越两座山丘等)。
3.6采取四道防线防范措施
1）采用避雷线、可控放电避雷针、消雷器、防绕击预放电避雷针、旁路避雷线或改用电缆。目前，采用避雷线仍然是架空线路防雷的首选措施，这已是被长期工程实践所证实了的行之有效的防雷措施，当然在某些线段由于特殊的地理环境造成绕击率偏高，或是由于接地电阻降不下来造成雷击跳闸率偏高，为提高线路的安全运行水平可采用可控放电避雷针、防绕击预放电避雷针。
2）提高线路的耐雷水平或线路的绝缘水平，最经济实用的办法是降低杆塔接地电阻来提高线路的耐雷水平。在山区当降低接地电阻很困难时，可采用可控放电避雷针，加装耦合地线、接地拉线，或适当加强绝缘，或是在个别杆塔上采用线路型避雷器。
3）当绝缘发生闪络时，尽量减少由冲击闪络转变为稳定电力电弧的概率，从而减少雷击跳闸率，为此应减少绝缘上的工频电场强度，或电网中性点采用不直接接地方式。采用这种方法应谨慎，因为改变中性点的接地方式，将改变系统的运行方式和系统参数，搞不好会出大事故。
4）即使跳闸也不中断电力的供应，可用自动重合闸或用双回线以及环网供电。
当然，不是所有线路都具备以上四道防线防范条件，而是要因地制宜，合理采用，把雷害引起的停電事故次数降到最低。
4高压架空输电线路防雷击改造的建议
4.1改造杆塔接地电阻
降低杆塔的接地电阻是减少雷击反击故障最有效的方法之一。在线路防雷改造中，尽量降低杆塔的接地电阻值，从而限制杆塔地电位升高，提高线路耐雷水平。为了减少高压输电线路的雷击跳闸率，必须对接地电阻偏大的杆塔接地进行技术改造。
4.2提高线路绝缘水平
绝缘子U50%是影响输电线路耐雷水平的重要因素，因此适度增加绝缘子的片数以提高U50%放电电压，能提高杆塔的耐雷水平，从而降低雷击故障跳闸率。但要确保绝缘子串足够的冲击耐受水平（U50％），不出现低值或零值绝缘子，检出零值后尽早更换，以保证线路杆塔有足够的耐雷水平。
4.3装设线路型ZnO避雷器
装设线路型氧化锌避雷器保护输电线路，对防止反击和绕击都有效果。建议安装的线路避雷器建立专门的台帐，加强维护，严格按照周期进行预试。防雷装置的所有安装附件，应保证镀锌质量，防腐蚀。
4.4装设可控放电避雷针
可控放电避雷针具有主放电电流幅值小、主放电电流陡度≤5kA/ 、有确定的保护范围和绕击率低等特点，特别适合高压输电线路的防雷。同时，可控放电避雷针的引雷能力比传统避雷针强，且有较大的保护角，这样就可以降低被保护杆塔遭受绕击的概率。根据输电线路耐雷水平的设计要求，110kV～500kV的输电线路是完全可以耐受此雷击放电电流而不会发生跳闸，也不会造成大的感应过电压。
4.5线路装设旁路耦合地线
在降低接地电阻有特殊困难的线段，可以在导线的下面加架一条架空地线，亦称耦合地线。它的作用是加强避雷线与导线间的耦合，使线路绝缘子链上的过电压降低；同时也增加了雷电流的分流作用。也有防雷击绕击的作用。
4.6地线上装设防绕击预放电避雷针
对于220kV及以上山区输电线路，雷击跳闸大部分由绕击引起。而一般绕击多发生在杆塔附近，针对输电线路雷击跳闸这一特点，为降低输电线路绕击跳闸，可采用高压输电线路防绕击预放电避雷针。
5．结束语
高压架空输电线路防雷击跳闸是电力系统安全运行的一项十分重要的工作，采取何种防雷措施，应根据现场实际情况进行认真分析，确定雷击故障性质是反击雷，还是绕击雷，再采取行之有效的防雷措施，才能真正达到降低线路跳闸率，提高线路抵御自然灾害的能力，保证电网的安全可靠运行的目的。
参考文献：
[1]《高电压技术（第二版）》ISBN7-5083-2034-4 周泽存等编
[2]《雷电与避雷工程》ISBN7-306-01221-5苏帮礼、崔秉球、吴望平、苏宇燕编著
作者简介
王建中，1954生，大专学历，工程师，从事特高压直流工程建设管理工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：高电压 架空线路 输电 跳闸 对策
高压架空输电线路在运行过程中由于遭受雷击过电压引起的绝缘闪络已成为输电线路故障的主要原因。其中，雷击引起的跳闸事故约占线路跳闸次数的50％左右。雷击过电压有感应雷过电压和直击雷过电压两种。对高压架空输电线路运行防雷来讲，雷击线路故障的性质一般又分为反击雷和绕击雷两种。当雷击在杆塔顶部或避雷线上，由此造成雷击的线路跳闸故障，称为反击雷。当雷绕过避雷线，即避雷线保护失效，直接击在导线上，由此造成的雷击线路跳闸故障，称为绕击雷。雷击灾害对对电网的安全可靠运行往往造成十分严重的影响及后果，必须引起我们足够的认识和重视。
1.高压架空输电线路雷击跳闸原因
1.1输电线路反击雷跳闸
高压输电线路杆塔以及杆塔附近避雷线上落雷后，由于杆塔或接地引下线的电感和杆塔接地电阻上的压降，塔顶的电位可能达到使线路绝缘发生闪络的数值，造成杆塔雷击反击。杆塔的接地电阻是影响雷击跳闸率的重要因素，计算表明：杆塔的接地电阻若增加10～20Ω，雷击跳闸率将会增加50%～100%。
1.2输电线路绕击雷跳闸
雷绕过避雷线的屏蔽，击于导线称为“绕击”。发生绕击的因素比反击要复杂得多，如，存在击距的间隙系数，杆塔、弧垂和地形等各种因素的影响。在输电线路防绕击跳闸方面，目前主要采取的措施有：增强杆塔绝缘提高其绕击耐雷水平；减小边导线保护角，甚至采用负保护角或加装塔顶拉线、在地线上装侧向避雷针、装设耦合地线及旁路架空地线等措施，增强对导线的屏蔽作用，降低绕击概率。在避雷线上加装侧向短针的方法，其机理是适当将可能发生的绕击引向避雷线，如能引发雷击短针，则可将绕击转化为反击。因为，500kV和220kV杆塔的反击耐雷水平比绕击耐雷水平高得多，且绕击雷电流幅值一般只有5～30kA，远小于线路的反击耐雷水平，一般不会引起绝缘闪络故障。输电线路绕击的电气几何模型参见以下附图。
2高压架空输电线路常见过電压类型
高压架空输电线路中常见的雷击过电压有两种。
一是，感应雷过电压，即雷击发生在架线路的附近，通过电磁感应在输电线路上产生的过电压；
二是，直击雷过电压，即雷电直接打在避雷线或是导线上时产生的过电压。
2.1高压架空输电线路上的感应雷过电压
当雷击线路附近的地面时，会在架空线路的三相导线上出现感应雷过电压。对于这种感应雷过电压的数值，可以用下式进行粗略的估算
式中，I：主放电电流（kA）
hc：导线平均高度（m）
S：雷击点距线路的距离（m）
2.2高压架空输电线路上的直击雷过电压
雷直击于有避雷线的输电线路分为：雷击杆塔顶部、雷击避雷线中央部分、绕过避雷线击于导线三种情况。
1）当雷击于导线时，导线的电位可按下式计算：
式中的 是雷击点左右两则导线波阻并联的结果， 是雷击于波阻（ ）近似于等于雷电通道波阻（Z0）时的雷电流比雷击零欧时减半的缘故。
2）雷击线路杆塔顶部
雷击线路杆塔顶部时，有很大的电流igt流过杆塔入地。对一般高的杆塔，塔身可用等值电感Lgt代替，其冲击接地电阻为Rch，于是塔顶电位为：
在一般情况下冲击接地电阻Rch对Ugt起很大的作用，而在山区或高阻区，Rch可达上百欧，此时它对Ugt的值将起决定性的作用。至于杆塔电感只有在特高塔或大跨越时才会起决定作用。
3）雷直击于档距中央的避雷线
当雷直击于档距中央的避雷线会产生很高的过电压，可根据下式计算：
式中Lb为半档避雷线的电感，a为雷电流陡度。
3高压架空输电线路防雷击措施
高压输电线路防雷击的基本任务是采用技术上与经济上合理的措施，将雷击事故减少到可以接受的程度。以保证供电可靠性与经济性。因此，必须采取如下防雷击措施
3.1进行杆塔接地电阻改造
线路杆塔的接地电阻要满足防雷设计的要求，保证雷击跳闸率满足规程的要求。几种电压等级的线路设计耐雷水平参见以下附表。
附表几种电压等级的线路设计耐雷水平
额定电压，单位kV 35 110 220 330 500
线路耐雷水平I0，单位kA 20~30 40~75 75～110 100～150 125～175
雷电流超过I0的概率 （59~46）% （35~14.1）% （14.1~5.6）% 7.3～2% 3.8～1.0%
3.2，采用避雷线降低雷击影响
避雷线可大大减少雷击于导线的情况，是很重要的技术措施，即使以绝缘很强的330~500kV线路来说，不难算出在10~15kA的雷电流下也将发生闪络，而出现等于及大于这一电流的概率达到81~73%。
3.3合理配置线路杆塔的绝缘水平和布置方式
输电线路绝缘水平是影响线路雷击反击的重要因素。提高杆塔的耐雷水平，才能降低雷击故障跳闸率。雷直击塔顶或避雷线会造成对线路绝缘的反击，我国防雷与接地规程推荐用下式计算杆塔承受反击的耐雷水平：
式中：U50%——绝缘子串50%冲击闪络电压，kV；
K——导线线间耦合系数；
Ko——导线与地线间的耦合系数；
β——杆塔分流系数；
Rch——杆塔冲击接地电阻，Ω；
Lt——杆塔电感，μH；
hg——地线平均高度，m；
hc——导线平均高度，m；
ht——杆塔高度，m；
ha——横担对地高度，m。
计算表明，当接地电阻为7Ω时，500kV交流线路杆塔的耐雷水平为176.7kA，超过这个幅值的雷电流出现概率仅为1%。当接地电阻相同时，±500kV直流线路的耐雷水平比交流线路要高得多。因此，只要杆塔的接地电阻降低到设计要求以下，杆塔就有足够的耐雷水平防止反击。
3.4减小避雷线保护角
目前，线路避雷线设计的保护角约在25度左右，现有的杆塔改变其保护角，工作量和难度均较大。最好能够重新设计新型的杆塔型式，减小避雷线保护角，降低雷击的绕击率。
3.5增加杆塔绝缘子串片数
增加杆塔绝缘子片数，相当于提高绝缘子串的50%冲击放电电压，可以有效提高杆塔绝缘子串的耐雷水平。这种方法一般只用于输电线路特殊区段(如跨越大江，跳越两座山丘等)。
3.6采取四道防线防范措施
1）采用避雷线、可控放电避雷针、消雷器、防绕击预放电避雷针、旁路避雷线或改用电缆。目前，采用避雷线仍然是架空线路防雷的首选措施，这已是被长期工程实践所证实了的行之有效的防雷措施，当然在某些线段由于特殊的地理环境造成绕击率偏高，或是由于接地电阻降不下来造成雷击跳闸率偏高，为提高线路的安全运行水平可采用可控放电避雷针、防绕击预放电避雷针。
2）提高线路的耐雷水平或线路的绝缘水平，最经济实用的办法是降低杆塔接地电阻来提高线路的耐雷水平。在山区当降低接地电阻很困难时，可采用可控放电避雷针，加装耦合地线、接地拉线，或适当加强绝缘，或是在个别杆塔上采用线路型避雷器。
3）当绝缘发生闪络时，尽量减少由冲击闪络转变为稳定电力电弧的概率，从而减少雷击跳闸率，为此应减少绝缘上的工频电场强度，或电网中性点采用不直接接地方式。采用这种方法应谨慎，因为改变中性点的接地方式，将改变系统的运行方式和系统参数，搞不好会出大事故。
4）即使跳闸也不中断电力的供应，可用自动重合闸或用双回线以及环网供电。
当然，不是所有线路都具备以上四道防线防范条件，而是要因地制宜，合理采用，把雷害引起的停電事故次数降到最低。
4高压架空输电线路防雷击改造的建议
4.1改造杆塔接地电阻
降低杆塔的接地电阻是减少雷击反击故障最有效的方法之一。在线路防雷改造中，尽量降低杆塔的接地电阻值，从而限制杆塔地电位升高，提高线路耐雷水平。为了减少高压输电线路的雷击跳闸率，必须对接地电阻偏大的杆塔接地进行技术改造。
4.2提高线路绝缘水平
绝缘子U50%是影响输电线路耐雷水平的重要因素，因此适度增加绝缘子的片数以提高U50%放电电压，能提高杆塔的耐雷水平，从而降低雷击故障跳闸率。但要确保绝缘子串足够的冲击耐受水平（U50％），不出现低值或零值绝缘子，检出零值后尽早更换，以保证线路杆塔有足够的耐雷水平。
4.3装设线路型ZnO避雷器
装设线路型氧化锌避雷器保护输电线路，对防止反击和绕击都有效果。建议安装的线路避雷器建立专门的台帐，加强维护，严格按照周期进行预试。防雷装置的所有安装附件，应保证镀锌质量，防腐蚀。
4.4装设可控放电避雷针
可控放电避雷针具有主放电电流幅值小、主放电电流陡度≤5kA/ 、有确定的保护范围和绕击率低等特点，特别适合高压输电线路的防雷。同时，可控放电避雷针的引雷能力比传统避雷针强，且有较大的保护角，这样就可以降低被保护杆塔遭受绕击的概率。根据输电线路耐雷水平的设计要求，110kV～500kV的输电线路是完全可以耐受此雷击放电电流而不会发生跳闸，也不会造成大的感应过电压。
4.5线路装设旁路耦合地线
在降低接地电阻有特殊困难的线段，可以在导线的下面加架一条架空地线，亦称耦合地线。它的作用是加强避雷线与导线间的耦合，使线路绝缘子链上的过电压降低；同时也增加了雷电流的分流作用。也有防雷击绕击的作用。
4.6地线上装设防绕击预放电避雷针
对于220kV及以上山区输电线路，雷击跳闸大部分由绕击引起。而一般绕击多发生在杆塔附近，针对输电线路雷击跳闸这一特点，为降低输电线路绕击跳闸，可采用高压输电线路防绕击预放电避雷针。
5．结束语
高压架空输电线路防雷击跳闸是电力系统安全运行的一项十分重要的工作，采取何种防雷措施，应根据现场实际情况进行认真分析，确定雷击故障性质是反击雷，还是绕击雷，再采取行之有效的防雷措施，才能真正达到降低线路跳闸率，提高线路抵御自然灾害的能力，保证电网的安全可靠运行的目的。
参考文献：
[1]《高电压技术（第二版）》ISBN7-5083-2034-4 周泽存等编
[2]《雷电与避雷工程》ISBN7-306-01221-5苏帮礼、崔秉球、吴望平、苏宇燕编著
作者简介
王建中，1954生，大专学历，工程师，从事特高压直流工程建设管理工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。