古浪供电公司 -配电线路工技师专业技术论文

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配电线路工技师论文

（国家职业资格Ⅲ级）

避雷针、避雷线耦合地线防雷效果分析

姓名：董建宏

身份证号：[***********] 准考证号：[***********]6 所在省市：甘肃省武威市 所在单位：古浪县供电公司

避雷针、避雷线耦合地线防雷效果分析

董建宏 古浪县供电公司

摘要：我国6--35kV 配电网易发生雷害事故，虽然在城乡电网改造后整体状况有所好转，但在雷电活动频繁的地区，配网中的架空绝缘导线、架空裸导线和配电变压器等设备因遭受雷击而引起跳闸事故的情况并未根本好转，雷害仍严重危害配电网的安全、可靠、稳定运行。80年代后我国采用架空绝缘导线后，可以大大降低雷害事故发生次数，但是在实际运行中架空绝缘导线雷击断线的事故却时有发生。本文对避雷针、避雷线和配电线路加装耦合地线的防雷效果进行研究分析，提出其相应的适用场合，最终提出了配电网的防雷措施。

关键词：避雷措施；防雷效果；效果分析 1. 引言

随着科技的发展，电力已成为最重要的资源之一，保证电力的供应对于国民经济发展和人民生活水平的提高都有非常重要的意义。雷电是一种雄伟壮观而又有点令人生畏的自然现象，它的危害体现在雷电的热效应、机械效应、过电压效应以及电磁效应，当它对大地产生放电时，便会造成巨大的破坏。由于架空输电线暴露在自然中，极易受到外界的影响和损害，尤其是雷击，严重地威胁着电网运行的安全。我国主要配电网络6～35kV 电网最易发生雷害事故，虽然城乡电网改造后状况有所好转，但在雷电活动频繁地区，雷害和雷击跳闸事故并未根本好转，严重危害配电网的安全、可靠、稳定运行。对输电线路加强防雷措施，不但可以减少由于雷电击中输电线路而引起的跳闸次数，还可以有效保护变电站内电气设备的安全运行，是维持电力系统持续、可靠供电的重要环节。本文针对配电线路的主要特征，从导致雷害的各方面因素出发，综合讨论了配电线路防雷的主要问题，并针对目前发生的主要雷害事故提出防范措施。

1.1 雷电放电过程与危害

作用于电力系统的雷电过电压最常见的（约90%）是由带负电的雷云对地放电引起，称为负下行雷。负下行雷通常包括若干次重复的放电过程，而每次可以分为先导放电、主放电和余辉放电三个阶段。[1]

雷电具有极大的破坏性，其电压高达数百万伏，瞬间电流可高达数十万安培。雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次：①设备损坏，人员伤亡；②设备或元器件寿命降低；③传输或储存的信号、数据（模拟或数字）受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作而暂时瘫痪或整个系统停顿。

防雷，是指通过组成拦截、疏导最后泄放入地的一体化系统方式以防止由直击雷或雷电电磁脉冲对建筑物本身或其内部设备造成损害的防护技术。

1.2 配电线路的雷害

我国主要配电网6～35kV 电网配电线路绝大多数无避雷线保护，自身绝缘水平较低，容易遭受雷击危害。其中又分直击雷危害和感应雷危害两种情况。一种是雷击于线路引起的直击雷过电压；另一种是雷击线路附近，由于电磁感应所引起的感应雷过电压。由于低压线路绝缘水平低，由感应雷过电压引起的雷害故障次数占绝大部分。据测量，感应雷过电压的幅度可达500kV 左右，对配电线路绝缘具有很大的威胁。[2]因此，配电线路防雷必须充分重视对感应雷过电压的防护。

6-lOkV 线路的直击雷耐雷水平仅为5kA 左右，一旦发生雷直击线路，很容易发生冲击闪络。但由于直击雷过电压导致的故障所占比例很少(不超过10％) ，而且一旦真正出现，由于线路绝缘水平太低又很难防止其不发生雷击闪络，故在配电网中，防直击雷并不是配电网防雷中的关键。在配电网中，一旦发生直接雷，通常允许其发生冲击闪络，而在其后采用消弧线圈等措施来消除或控制事故。

由于配电线路的绝缘水平相对11OkV 及以上输电线路的绝缘水平低得多。例如：11OkV 的线路绝缘子串长度为1m ，临界闪络电压为700kV ，而6kV 或lOkV 配电线路的绝缘子串长度仅为0．1m ，临界闪络电压仅为75kV ，35kV 配电线路的临界闪络电压为也只有350kV ，而感应雷过电压幅值可达400kV ～500kV ，较容易超过配电线路绝缘子的雷电冲击耐压而发生闪络事故。因此，在配电网中，绝大部分雷害事故是由感应雷过电压造成的。

1.3 架空线路的感应雷过电压

感应过电压具有极性与雷电的极性正好相反、同时存在于三相导线，相间不存在电位差，故一般只能引起相地之间的闪络，通常不会产生相间

闪络、幅值不高（一般不会超过500kV ）对11OkV 及以上电压等级线路的绝缘不会构成威胁，仅在35kV 及以下的线路中可能会产生一些闪络事故等三个特点。

1.4 有关的雷电参数

雷电放电受气象条件、地形和地质等许多自然因素影响，带有很大的随机性，因而表征雷电特性的各种参数也就具有统计的性质。

主要的雷电参数有：雷暴日及雷暴小时、地面落雷密度、主放电通道波阻抗、雷电流极性、雷电流幅值、雷电流等值波形、雷电流陡度等。

在防雷设计中，雷电流的波形采用2.6/50us；雷电流陡度是指雷电流随时间上升的速度，雷电流陡度越大，对电气设备造成的危害也越大，常常根据一定的幅值、波头和波形来推算；防雷保护都取负极性雷电流进行研究分析。

2. 避雷针和避雷线防雷分析

雷电放电作为一种强大的自然力的爆发，是难以制止的。目前人们主要是设法去躲避和限制它的破坏性，其基本措施就是设置避雷针、避雷线、避雷器和接地装置。避雷针和避雷线可以防止雷电直接击中被保护物体，因此也称作直击雷保护；避雷器可以防止沿输电线路侵入变电所的雷电冲击波，因此也称作侵入波保护；而接地装置的作用就是减小避雷针（线）或避雷器与大地（零电位）之间的电阻值，以达到降低雷电冲击电压幅值的目的。

2.1 避雷针保护作用的原理

避雷针，现称“接闪杆”，是用来保护建筑物、高大树木等避免雷击的装置。在被保护物顶端安装一根接闪器，用符合规格导线与埋在地下的泄流地网连接起来。当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变。在避雷针的顶端，形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。避雷针需有足够截面的接地引下线和良好的接地装置，以便将雷电流安全可靠地引入大地。避雷针一般用于保护发电厂和变电所，可根据不同情况装设在配电构架上，或独立架设。单支避雷针的保护范围是一个以避雷针为轴的近似锥体的空间。当保护范围较

大时，如果采用单支避雷针保护，要求针比较高，这在经济上是不合算的，技术上也难以实现，因此，可采用多针保护。

2.2 避雷线的防雷原理

避雷线，通常又称架空地线，简称地线。避雷线的防雷原理与避雷针相同，是架设在通信线路上方的金属导线，并接地良好，能有效地将雷电的放电引入大地。主要用于输电线路的保护，也可用来保护发电厂和变电所，近年来许多国家采用避雷线保护500kV 大型超高压变电所。用于输电线路时，避雷线除了防止雷电直击导线外，同时还有分流作用，以减少流经杆塔入地的雷电流从而降低塔顶电位，避雷线对导线的耦合作用还可以降低导线上的感应雷过电压。 3. 耦合地线防雷分析

在线路下方加装耦合地线虽然不能像避雷线那样拦截直击雷，但因具有一定的分流作用和增大导地线之间的耦合系数，因而也能提高线路的耐雷水平和降低雷击跳闸率。

3.1 耦合系数 3.1.1 耦合系数的计算

h 图3-1 两根平行导电系统及镜像

如图3-1所示，对架空线路来说，线k 的自波阻抗z kk ，线k 与线j 间的互波阻抗z jk 可按下列两式求得：

z kk =60ln

2h k

（3-1） r k

式中：r k ——线k 的半径；

h k ——线k 的平均高度。

z kj =60ln d k j ′（3-2）

式中：d kj ——线k 与线j 之间的距离；

d k j ′——线k 与线j 镜像j ′之间的距离。

此外，由于对称性z kj =z jk 。

当导线j 受到雷击时，雷电波幅值为u j 在导线k 上将感应出

z jj

式中k jk 为j 线对k 线的耦合系数，其值为互波阻抗与自波阻抗的比值，即

k jk =z jj 。

u k =

z jk

u j =k jk u j

因为z jk

3.1.2 耦合系数与作用于绝缘子串上的电压之间的关系

由上述讨论知，导、地线之间所承受的过电压为

u jk =u j -u k =(1-k jk ) u j （3-3）

可见耦合系数k jk 越大，则导线和耦合地线间绝缘子串上所承受的电压越小，可以有效的防止感应雷对配电线路的危害。[4]

在三相系统中，取耦合地线与导线中耦合系数最小的一相做为耦合系数。

3.2 单回线路杆塔加装耦合地线 3.2.1 耦合地线位于横担下方

（1）杆塔参数

横担高度11.8m ，绝缘子长度O.3m ，边相导线距杆塔水平距离0.6m ，两侧档距50m 。 （2）1根耦合地线

设S 为横担与耦合地线悬挂点垂直距离，耦合地线位于横担下方，K 为耦合系数。3-2是杆塔示意图。

图3-2 架设1根耦合地线杆塔示意图

表3-1 耦合系数计算结果

（3）2根耦合地线

设Lb 为两根耦合地线间距离，计算所得耦合系数如下所示。图3-3是杆塔示意图。

图3-3 架设2根耦合地线杆塔示意图

表3-2 耦合系数计算结果

3.2.2 耦合地线位于横担上方

（1）杆塔参数

横担高度11.8m ，绝缘子长度O.3m ，边相导线距杆塔水平距离0.6m ，

两侧档距50m 。 （2）l 根耦合地线

设S 为横担与耦合地线悬挂点垂直距离，耦合地线位于横担上方，K 为耦合系数。图3-4是杆塔示意图。

图

3-4架设1根耦合地线杆塔示意图

表3-3耦合系数计算结果

（3)2根耦合地线

设Lb 为两根耦合地线间距离，S 取0.5m ，计算所得耦合系数如下所示。图3-5是杆塔示意图。

耦合地线位置

图3-5 架设2根耦合地线杆塔示意图

3.2.3 耦合地线位于横担平面

（1）杆塔参数

横担高度11.8m ，绝缘子长度0.3m ，边相导线距杆塔水平距离0.6m ，两侧档距50m 。

(2)2根耦合地线

设L b 为两根耦合地线间距离，计算所得耦合系数如下所示。图3-6是杆塔示意图。

耦合地线位置

图3-6 架设2根耦合地线杆塔示意图

表3-5耦合系数计算结果

3.3 双回线路杆塔加装耦合地线 3.3.1 耦合地线位于横担下方

(1) 杆塔参数

横担高度分别为11.8m 、11.1m 、10.4m ，绝缘子长度0.3m ，边相导线距杆塔水平距离0.6m ，两侧档距50m 。

(2) 1根耦合地线

设S 为横担与耦合地线悬挂点垂直距离，耦合地线位于横担下方，为耦合系数。图3-7是杆塔示意图。

耦合地线位置

图3-7架设l 根耦合地线杆塔示意图

表3-6耦合系数计算结果

（3) 2根耦合地线

设Lb 为2根耦合地线间距离，计算所得耦合系数如下所示。 图3-8是杆塔示意图。

图3-8 架设2根耦合地线杆塔示意图

表3-7耦合系数计算结果

K

3.3.2 耦合地线位于横担平面 (1) 杆塔参数

横担高度分别为11.8m 、11.1m 、10.4m ，绝缘子长度0.3m ，边相导线距杆塔水平距离0.6m ，两侧档距50m 。 (2) 2根耦合地线

设Lb 为2根耦合地线间距离，计算所得耦合系数如下所示。图3-9是杆塔示意图。

图3-9 架设2根耦合地线杆塔示意图

表3-8耦合系数计算结果

3.4 配电线路加装耦合地线防雷小结

加装耦合地线可以有效减少感应雷对配电线路的危害，因此在配电线路，尤其是10KV 线路可以广泛采用。

由上述的计算结果可知，耦合地线加装在横担平面或者横担以上，且采用两条耦合地线时，耦合系数比较高，防雷效果好。但是结合工程实际，将耦合地线直接加装在横担上更容易实现，成本低。 4. 小结

通常采用耐雷水平和雷击跳闸率来表示一条线路的耐雷性能和所采用防雷措施的效果。输电线路常采用避雷线、降低杆塔接地电阻、加强线路绝缘等措施来进行防雷。直击雷防护的措施主要是装设避雷针或避雷线，使被保护设备处于避雷针或避雷线的保护范围之内，同时还必须防止雷击避雷针或避雷线时引起与被保护物的反击事故。

4.1 线路防雷措施

（1）对于35kV 线路的，最有效的措施有两种：降低接地电阻(尽量小于10欧姆) 和增加耦合地线(在对地高度允许的情况下) 。这两种方法可以因地制宜地单独采用、也可以合起来采用；[5]

（2）对于原来没有加装避雷线或者单避雷线的线路，由于控制绕击比较困难，可以在铁塔两侧加横向的侧向避雷针(伸出长度为3m) ，它可以有效地减少线路绕击事故的发生；

（3）对于新建35kV 线路，如果要使用架空地线，则应该考虑采用双避雷线，不应采用单避雷线方式。这样，可以有效地控制线路保护角，防止线路发生绕击；

（4）35kV 及以下的线路主要防雷措施：依靠架设消弧线圈和自动重合闸；

（5）10KV 架空裸导线在配电网导线下方0.5m-1.0m 处挂一根接地线。

4.2 发电厂和变电所的防雷措施

发电厂和变电所是电力系统的枢纽，设备相对集中，一旦发生雷害事故，往往导致发电机、变压器等重要电气设备的损坏，更换和修复困难，并造成大面积停电，严重影响国民经济和人民生活。因此，发电厂和变电所的防雷保护要求十分可靠。

变电所中出现的雷电过电压的两个来源：雷电直击变电所和沿输电线入侵的雷电过电压波。它的防雷主要是在发电厂、变电所内安装阀型避雷器（220kV 及以下）或者氧化锌避雷器（330kV) ，在发电厂、变电所的进线上设置进线段保护。[6]

4.3 配电变压器及其他电力设备的防雷措施

（1）变压器的绝缘较弱，在变压器的门型结构上不宜装设避雷针或避雷线；配电变压器高低压两侧均要加装线路避雷器；

（2）柱上开关两侧均要加装线路避雷器，变电所出线开关线路侧要加装线路避雷器；

（3）35kV 及以下的配电装置，在配电装置架构/屋顶上不宜装设避雷针；

（4）66kV 配电装置上，允许将独立避雷针装设在配电装置架构/屋顶上；

（5）110kV 及以上的配电装置中，将独立避雷针装设在配电装置架构上。 随着科技的发展，防雷技术也在不断发展，采取多种措施，形成有机联系的防护整体，根据防雷对象，综合治理，全面实施，更好地达到防雷效果。

参考文献：

（1）解广润. 电力系统接地技术［M ］. 北京：中国电力出版社，1996.

（2）王学求，王文华．关于接地网若干技术问题的探讨［R ］. 河南电力．2003，(3)：1-2.

（3）刘德兴, 王光炜, 徐文德. 避雷针保护范围的计算方法［J ］. 广东电力,2008(2)：64-67.

（4）陆志伟．耦合地线在线路防雷中的作用分析［J ］．电力建设．2000，14（7）:11-13.

（5）刘严明.35KV 线路的防雷［J ］. 科技与企业,2005（12）:13-14.