1. 概述
架空輸電線路一般由基礎(chǔ)、桿塔、金具、絕緣子、導(dǎo)線、地線(含OPGW光纜)、接地設(shè)施等部分組成(如下圖)。在架空輸電線路導(dǎo)線上方，為盡量避免輸電線路導(dǎo)線直接遭受雷擊而架設(shè)的電力線，既為架空地線(簡(jiǎn)稱地線)，又稱為避雷線。架空地線除具有防雷作用以外還具有短路電流分流的重要作用。
圖 架空輸電線路的基本組成
架空輸電線路分布廣、地處曠野、縱橫交錯(cuò)，延綿數(shù)百公里，在雷雨季節(jié)容易遭受雷擊而引起送電中斷，成為電力系統(tǒng)中發(fā)生停電事故的主要原因之一。安裝架空地線可以減少雷害事故，提高線路運(yùn)行的安全性。架空地線是高壓輸電線路結(jié)構(gòu)的重要組成部分。高壓、超高壓及特高壓變電所占地面積廣，要求防直擊雷的區(qū)域大，安裝避雷針會(huì)有困難，因而有時(shí)也采用架空地線保護(hù)，架空地線都是架設(shè)在被保護(hù)的導(dǎo)線上方。在線路上方出現(xiàn)雷云對(duì)地面放電時(shí)，雷閃通道容易首先擊中架空地線，使雷電流進(jìn)入大地，以保護(hù)導(dǎo)線正常送電。同時(shí)，架空地線還有電磁屏蔽作用，當(dāng)線路附近雷云對(duì)地面放電時(shí)，可以降低在導(dǎo)線上引起的雷電感應(yīng)過電壓，減少雷電直接擊于導(dǎo)線的機(jī)會(huì)。架空地線必須與桿塔接地裝置牢固相連，以保證遭受雷擊后能將雷電流可靠地導(dǎo)入大地，降低塔頂電位，并且避免雷擊點(diǎn)電位突然升高而造成反擊，提高耐雷水平。
圖 雷擊地線(雷擊桿塔與地線為反擊雷)
據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，生活用電及工農(nóng)業(yè)用電中，電力系統(tǒng)斷電跳閘事故主要因素分別為雷擊、人為或是自然災(zāi)害等，而其中雷電導(dǎo)致跳閘約占總跳閘數(shù)的40%~70%，尤其是在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)雷擊故障尤為突出。相關(guān)資料表面，日本50%以上事故的雷擊輸電線路引起，美國(guó)275kV~500kV總長(zhǎng)為2700km的輸電線路連續(xù)三年雷害事故占總事故的比例高達(dá)60%。天氣變化是不可控因素，所以只能在人力可控范圍內(nèi)，提高輸電系統(tǒng)的安全性及防災(zāi)性。架空地線就是電力系統(tǒng)減災(zāi)防災(zāi)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。
輸電線路架空地線運(yùn)用實(shí)踐表明，架空地線能有效防止雷電直擊輸電導(dǎo)線;當(dāng)雷擊輸電線路桿塔時(shí)，架空地線能起到分流作用，減小桿塔塔頂電位，防止雷電反擊;當(dāng)雷擊輸電線路附近大地時(shí)，架空地線能起到屏蔽作用，降低輸電導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓。
2. 作用
2.1 防止雷擊導(dǎo)線
減少了雷電直擊導(dǎo)線的機(jī)會(huì)，降低了線路絕緣承受的雷電過電壓幅值。當(dāng)雷擊于塔頂或地線上時(shí)，塔身電位很高，加在絕緣子串上的電壓等于塔身電位與導(dǎo)線電位之差，這個(gè)電壓一般遠(yuǎn)比雷電直接擊中導(dǎo)線時(shí)絕緣子串上的電壓低，不會(huì)導(dǎo)致閃絡(luò)放電。但是，如果接地電阻很大，則塔身電位將會(huì)很高，這時(shí)就會(huì)發(fā)生逆閃絡(luò)，也就是通常說的“反擊”。
2.2 雷電流分流作用
當(dāng)雷擊塔頂時(shí)，架空地線對(duì)雷電流有分流的作用，減少流入桿塔的雷電流，使桿塔頂電位降低。
2.3 對(duì)導(dǎo)線有耦合作用
當(dāng)雷擊塔頂或地線時(shí)，由于耦合，導(dǎo)線電位將抬高，所以耦合可使絕緣子串上的電壓降低。因此，為了減少“反擊”，在接地電阻很難降低時(shí)，可以利用架空地線的分流、耦合性質(zhì)，在導(dǎo)線下面再增加一條耦合地線。
2.4 對(duì)導(dǎo)線有屏蔽作用
由于架空地線接地，所以可以起到屏蔽感應(yīng)雷對(duì)導(dǎo)線的作用，降低感應(yīng)雷過電壓。
2.5 具備通信功能
常規(guī)的架空地線經(jīng)過適當(dāng)改裝，把光纖放置在以鋁包鋼線絞制成的具地線與通信雙重功能的架空地線 -- 光纖復(fù)合架空地線(OPGW)，它具有避雷、通信等多種功能。
3. 防雷原理
架設(shè)架空地線是高壓、超高壓及特高壓線路防雷的基本措施，架設(shè)于輸電線路桿塔頂端，其保護(hù)原理是：當(dāng)雷云放電接近地面時(shí)，它使地面電場(chǎng)發(fā)生畸變，在架空地線頂端，形成局部電場(chǎng)強(qiáng)度集中空間，以影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)展方向，引導(dǎo)雷電向架空地線放電，再通過接地引下線和接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護(hù)物體免受雷擊。架空地線的材料一般是鍍鋅鋼絞線、鋁包鋼絞線和光纖復(fù)合架空地線，特殊情況下也用鋼芯鋁絞線、銅包鋼絞線或鎂鋁合金絞線。架空地線在桿塔上的位置如下圖所示。
圖 架空地線在桿塔上的位置
架空地線使雷云先導(dǎo)放電電場(chǎng)畸變的范圍(即高度)是有限的。當(dāng)雷電先導(dǎo)剛開始形成時(shí)，架空地線不能影響它的發(fā)展路徑，如下圖左圖所示，只有當(dāng)雷電先導(dǎo)通道發(fā)展到離地面一定高度H(稱為定向高度)時(shí)，架空地線才可能影響雷電先導(dǎo)的發(fā)展方向，如下圖右圖所示，使雷電先導(dǎo)通道沿著電場(chǎng)強(qiáng)度最大的方向擊向架空地線。這個(gè)雷電定向高度H與架空地線架設(shè)高度h有關(guān)，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)，h≤30 m，H≈20h;h>30 m時(shí)，H≈600h。
圖 架空地線對(duì)雷電先導(dǎo)發(fā)展的影響
4. 類型
架空地線由于不負(fù)擔(dān)輸送電流的功能，所以不要求具有與導(dǎo)線相同的導(dǎo)電率和導(dǎo)線截面，架空地線一般采用鍍鋅鋼絞線。
鍍鋅鋼絞線因?yàn)閷?dǎo)電性能、防腐性能差，多用于以前的老線路，近年來，國(guó)內(nèi)外架空輸電線路采用良導(dǎo)線架空地線的也較多，即用鋁合金或鋁包鋼導(dǎo)線制成的架空地線。這種地線導(dǎo)電性能較好，可以改善線路輸電性能，減輕對(duì)鄰近通信線的干擾。由于鋁包鋼絞線具有高機(jī)械性能、高導(dǎo)電性和良好的抗腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)多采用鋁包鋼絞線。
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)現(xiàn)代化管理水平的提高，在電力系統(tǒng)內(nèi)部需要傳遞的信息形式和信息容量日益增多。綜合光纖通信的傳輸容量大、速度快、適于遠(yuǎn)距離傳輸、能抗電磁感應(yīng)和串音干擾等優(yōu)點(diǎn)，鋁包鋼線的高機(jī)械性能、高導(dǎo)電性和良好的抗腐蝕性，把光纖放置在以鋁包鋼線絞制成的具地線與通信雙重功能的架空地線叫光纖復(fù)合架空地線，一般稱作OPGW光纜。OPGW光纜具有防雷、通信等多種功能，由于光纖具有抗電磁干擾、自重輕等特點(diǎn)，它可以安裝在輸電線路桿塔頂部而不必考慮最佳架掛位置和電磁腐蝕等問題，所以O(shè)PGW光纜現(xiàn)在在架空輸電線路地線中應(yīng)用較多。采用OPGW光纜作為架空地線具有許多優(yōu)點(diǎn)：① 傳輸信號(hào)損耗小，通信質(zhì)量高，光纜的芯數(shù)可以較多;② 安全性好，不易被盜割，也不易遭到破壞性槍擊;③ 適應(yīng)用于多種電壓等級(jí)的輸電線路;④ 光纜與常規(guī)地線同為一體，避免了重復(fù)建設(shè)和維護(hù)的巨大費(fèi)用。
工程中采用多大的架空地線，不同冰區(qū)與不同的導(dǎo)線截面對(duì)于的截面是不一樣的，除滿足規(guī)程要求的截面要求外，還需要滿足因線路發(fā)生故障時(shí)，地線上會(huì)通過很大的短路電流，使地線溫度急劇升高，很可能導(dǎo)致地線損壞，因此，選擇的架架空地線還應(yīng)滿足熱穩(wěn)定的要求。
圖 架空地線
5. 保護(hù)角
架空輸電線路需要采用架空地線將被保護(hù)的導(dǎo)線全部置于它的保護(hù)范圍內(nèi)。此保護(hù)范圍通常用保護(hù)角α來表示，α角是指架空地線與最外側(cè)的導(dǎo)線所處的平面和架空地線垂直于地面的平面之間所構(gòu)成的夾角(如下圖所示)。保護(hù)角越小，架空地線就越可靠的保護(hù)線路。
圖 單地線保護(hù)角示意圖
單架空地線，為介紹保護(hù)角，可提高架空地線的懸掛高度，但會(huì)增加桿塔重量，導(dǎo)致造價(jià)升高。架空地線就越可靠的保護(hù)線路。一般架空單地線保護(hù)角α不大于25°為宜。
圖 雙地線保護(hù)角示意圖
雙架空地線的保護(hù)范圍大于單架空地線，在設(shè)計(jì)中可以采用地線外移的方法，減少架空地線的保護(hù)角，增強(qiáng)地線保護(hù)的可靠性。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，只要雙架空地線之間的距離不大于架空地線與中間導(dǎo)線高度差的5倍，中間導(dǎo)線便可以可靠保護(hù)。
對(duì)于采用雙架空地線的輸電線路，單回路塔330kV及以下線路的保護(hù)角α不宜大于15°;單回路塔500kV~750kV及以下線路的保護(hù)角α不宜大于10°;對(duì)于同塔雙回或多回路110kV線路的保護(hù)角α不宜大于10°;220kV及以上的線路的保護(hù)角α不宜大于0°。
6. 架設(shè)原則
地線架設(shè)在導(dǎo)線上方，綜合考慮架空地線的保護(hù)范圍、保護(hù)角度及經(jīng)濟(jì)型三方面的因素，在滿足耐雷水平后架空地線架設(shè)需滿足下列要求。
3kV~10kV 混凝土桿架空電力線路，在多雷區(qū)可架設(shè)地線。
35kV 架空電力線路在變電站(所)進(jìn)出線段宜架設(shè)地線，加掛地線長(zhǎng)度一般宜為1.0km~ 1.5km 。
66kV 架空電力線路年平均雷暴日數(shù)為30d 以上的地區(qū)，宜沿全線架設(shè)地線。
110kV 輸電線路宜沿全線架設(shè)地線，在年平均雷暴日數(shù)不超過15d 或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明雷電活動(dòng)輕微的地區(qū)，可不架設(shè)地線。無地線的輸電線路，宜在變電站或發(fā)電廣的進(jìn)線段架設(shè)1km~2km 地線。
220kV~330kV 輸電線路應(yīng)沿全線架設(shè)地線，年平均雷暴日數(shù)不超過15d 的地區(qū)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明雷電活動(dòng)輕微的地區(qū)，可架設(shè)單地線，山區(qū)宜架設(shè)雙地線。
500kV~750kV 輸電線路應(yīng)沿全線架設(shè)雙地線。
當(dāng)采用雙地線時(shí)，兩根地線之間的距離不大于地線與導(dǎo)線間垂直距離的5倍。750kV及以下架空輸電線路一般檔距的檔距中央，導(dǎo)線與地線在檔距中央的距離，在+15℃氣溫，無風(fēng)無冰條件時(shí)，應(yīng)不小于 S≥0.012L+1 式計(jì)算的值，式中S為計(jì)算檔導(dǎo)線與地線在檔距中央的距離(m)，L為計(jì)算檔檔距(m)。具體可以參考《架空輸電線路檔距中央導(dǎo)線與地線之間的距離計(jì)算探討》。
7. 節(jié)能要求
我國(guó)110 kV及以上輸電線路架空地線主要有普通地線(鍍鋅鋼絞線、鋁包鋼絞線等)和光纖復(fù)合架空地線2種，基于防雷和通信考慮，架空地線大多采取逐基接地方式，由于架空地線與導(dǎo)線間存在電磁感應(yīng)，架空地線中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流。廣東電網(wǎng)在對(duì)1條雙地線都逐基接地500 kV線路架空地線感應(yīng)電流實(shí)測(cè)時(shí)架空地線感應(yīng)電流達(dá)70 A，電能損耗達(dá)2.84 x104 kW "h/a"km，可見，對(duì)于電壓等級(jí)較高的輸電線路架空地線電能損耗不容忽視，但傳統(tǒng)輸配電線損計(jì)算只考慮導(dǎo)線電能損耗，其大小基于負(fù)荷電流和導(dǎo)線電阻，對(duì)架空地線電能損耗未足夠重視。
為減小架空地線逐基接地或多點(diǎn)接地引起的電磁感應(yīng)電流及電能損耗，實(shí)現(xiàn)架空地線節(jié)能，并綜合考慮架空地線防雷、通信性能，一般用帶放電間隙絕緣子使之與桿塔相互絕緣，利用間隙(一般放電間隙距離取20mm~30mm，需要融冰時(shí)放電間隙距離可取50mm~100mm)引導(dǎo)雷電流入地，這樣，可利用架空地線作為載波通道并減少電能感應(yīng)損耗。
由于架空絕緣地線與桿塔相連接的帶放電間隙的絕緣子的間隙的距離不易整定，整定距離過小，雷擊時(shí)的工頻續(xù)流不易切斷，大負(fù)荷電流時(shí)的高感應(yīng)電壓可能導(dǎo)致間隙長(zhǎng)期擊穿放電，對(duì)地線金具、OPGW等產(chǎn)生危害;整定距離過大，短路故障時(shí)地線絕緣子不易擊穿，不能起到很好的分流效果，同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置及通信產(chǎn)生不利的影響。
為降低架空地線逐塔接地引起的由于電磁感應(yīng)在架空地線回路或架空地線與大地回路產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電流及電能損耗，同時(shí)解決采用架空絕緣地線因間隙的距離整定過小或過大產(chǎn)生的危害，電壓等級(jí)較高的線路宜采用分段絕緣單點(diǎn)接地的方式，接地點(diǎn)可設(shè)置在架空地線端部或中部。線路正常運(yùn)行時(shí)(對(duì)應(yīng)經(jīng)濟(jì)電流密度)，地線端部因?qū)�、地線間電磁耦合，架空地線上產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電壓宜限制在1000V及以下 ，當(dāng)?shù)鼐�電磁感應(yīng)電壓未超過1000V 時(shí)，宜采用單點(diǎn)接地方式;當(dāng)電磁感應(yīng)電壓超過1000V 時(shí)，為降低地線端部感應(yīng)電壓，宜采用地線分段或地線換位、導(dǎo)地線配合換位等方式等措施降低絕緣架空地線單點(diǎn)接地時(shí)端部電磁感應(yīng)電壓。關(guān)于接地詳細(xì)內(nèi)容可以參考《輸電線路架空地線接地、地線(含OPGW)絕緣及接續(xù)技術(shù)要求》。
單回線路和同塔多回(或雙回)線路架空地線感電壓沿線分布規(guī)律是不同的，可根據(jù)其不同特性總結(jié)出單回線路、多回線路架空地線典型接地方式，既能實(shí)現(xiàn)架空地線的節(jié)能降損，又能限制架空地線感應(yīng)電壓低于1 000 V 。
7. 發(fā)展
對(duì)于普通架空地線，1987年5月，水利電力部武漢高壓研究所組織召開了架空地線應(yīng)用技術(shù)座談會(huì)，起草了架空地線規(guī)范。隨后研究試制了聚乙烯絕緣架空地線、聚氯乙烯絕緣架空地線、黑色非交聯(lián)聚乙烯架空地線等，在隨后的工程中采用鍍鋅鋼絞線校對(duì)，特殊情況下也用鋼芯鋁絞線、銅包鋼絞線等。如今我國(guó)普遍采用鍍鋅鋼絞線、鋁包鋼絞線和光纖復(fù)合架空地線作為普通架空地線，他們其具有柔軟性好、穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。
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