架空輸電線路防雷分析

馬旭東

（甘肅省電力公司嘉峪關(guān)、酒泉供電公司，甘肅 酒泉735000）

0 引言

雷電放電是雷云對(duì)大地、雷云之間或雷云內(nèi)部的放電現(xiàn)象。在地球上，平均每天約發(fā)生800萬(wàn)次雷擊。對(duì)電力系統(tǒng)而言，雷擊成為引起線路跳閘故障的主要原因之一，嚴(yán)重影響到輸電線路的運(yùn)行安全。

1 雷電及其主要參數(shù)

1.1 雷電概述

雷電放電通道主要是線狀的，有時(shí)在云層中能見(jiàn)到片狀雷電，個(gè)別極為罕見(jiàn)的情況下會(huì)出現(xiàn)球狀雷電。雷云與地之間的線狀雷電可能從雷云向下開(kāi)始，叫下行雷。下行雷又可分為正下行雷與負(fù)下行雷。最常見(jiàn)的是帶負(fù)電的雷云向下放電即線狀的負(fù)下行雷。雷云中電荷密集處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到2 500～3 000 k V／k m時(shí)，將首先出現(xiàn)向下發(fā)展的放電，這種放電稱為先導(dǎo)放電。先導(dǎo)每極發(fā)展的速度約為107m／s，延續(xù)時(shí)間約為1μs，總的平均速度為（1～8）×105m／s。

雷電發(fā)生時(shí)，雷電的先導(dǎo)會(huì)靠近地面，對(duì)地面上相對(duì)比較突出的物體釋放電能，這種情況稱為迎面先導(dǎo)。雷電在這個(gè)階段一般有多個(gè)迎面先導(dǎo)，如果其中一個(gè)剛好與另外一個(gè)迎面先導(dǎo)匯合，劇烈的中和現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。中和現(xiàn)象產(chǎn)生的電流很大，可達(dá)到幾十或幾百千安。中和現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致雷鳴和閃電的發(fā)生。這個(gè)過(guò)程成為雷電過(guò)程的主放電階段，主放電階段存續(xù)的時(shí)間很短，大概在50～100μs。在雷電的發(fā)展過(guò)程中，天空中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)雷電中心區(qū)域。當(dāng)其中一個(gè)中心區(qū)域放電結(jié)束后，其他的雷電中心也會(huì)相繼發(fā)生放電過(guò)程。所以，我們見(jiàn)到的雷電通常都是連續(xù)的，間隔一定的時(shí)間就會(huì)發(fā)生一次，這個(gè)時(shí)間平均在60 ms左右，一般會(huì)發(fā)生2～3次，最多的也可能達(dá)到30次以上。

1.2 雷電主要參數(shù)

1.2.1 雷電波形

人們觀測(cè)到的雷云對(duì)地放電的電流波形一般是單極性的脈沖波，也有少數(shù)的波形是負(fù)脈沖。這種脈沖波具有重復(fù)性的特點(diǎn)。雷云對(duì)地的放電過(guò)程一般包括3個(gè)階段：先導(dǎo)放電階段、主放電階段和后續(xù)放電階段。雷電流波形如圖1所示，典型的雷電流波形通常用雙指數(shù)來(lái)描述。

圖1 雷電流波形

1.2.2 主放電通道的波阻抗

在計(jì)算雷電主放電通道波阻抗的時(shí)候，要考慮到雷電放電通道電流的影響。主放電通道雷電流越大，則主放電通道的波阻抗越小。波阻抗的變化范圍一般在300～3 000Ω。在實(shí)際的雷云對(duì)地放電過(guò)程中，主放電就是通過(guò)具有一定波阻抗的先導(dǎo)放電通道發(fā)生。

1.2.3 重復(fù)放電次數(shù)

每一個(gè)單獨(dú)的雷云，經(jīng)常由多個(gè)電荷密集區(qū)域構(gòu)成。在每一次雷云的放電過(guò)程中，電荷密集區(qū)會(huì)影響到雷云放電脈沖的數(shù)量，會(huì)形成多場(chǎng)放電過(guò)程，這種現(xiàn)象被稱為重復(fù)放電。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在5 000次雷電過(guò)程中，重復(fù)放電的次數(shù)一般為3～4次，也有達(dá)到40次的。重復(fù)放電的間隔時(shí)間一般在30～50 ms，最短的是15 ms，最長(zhǎng)的可以達(dá)到700 ms。

2 架空輸電線路上的雷擊過(guò)電壓

架空輸電線路中常見(jiàn)的過(guò)電壓有以下2種：（1）架空線路上的感應(yīng)過(guò)電壓，即雷擊發(fā)生在架空線路的附近，通過(guò)電磁感應(yīng)在輸電線路上產(chǎn)生的過(guò)電壓；（2）直擊雷過(guò)電壓，即雷電直接打在避雷線或是導(dǎo)線上時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。雷擊輸電線路的過(guò)電壓原理如圖2所示。

圖2 雷擊輸電線路過(guò)電壓

在雷云形成的感應(yīng)雷對(duì)三相交流架空輸電線路附近的大地進(jìn)行放電時(shí)，在輸電線上會(huì)出現(xiàn)數(shù)值很大的雷擊感應(yīng)過(guò)電壓。雷擊感應(yīng)過(guò)電壓的產(chǎn)生會(huì)經(jīng)歷如下幾個(gè)階段：在雷云對(duì)地放電的先導(dǎo)階段，空間中沿著放電通道會(huì)聚集大量的電荷，這樣在高壓輸電線上就會(huì)發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象。這時(shí)，輸電線上會(huì)出現(xiàn)與先導(dǎo)放電通道附近聚集的電荷極性相反的正電荷。而由于電荷的排斥作用，輸電線上的負(fù)電荷會(huì)被排斥到輸電線的另外一端。雷云放電的先導(dǎo)階段需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這個(gè)階段輸電線中的電流很小。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中中性點(diǎn)的設(shè)置和泄露電阻的影響，如果不考慮額定電壓，輸電線路上的電位為0。根據(jù)上述說(shuō)明可知，假設(shè)雷云先導(dǎo)放電通道附近的電荷電場(chǎng)在輸電線上感應(yīng)出的電位是－U，那么輸電線上的自身電荷電場(chǎng)必然在輸電線上獲得＋U的電位。這樣，2部分電位大小相等，極性相反，在輸電線上的任意點(diǎn)上進(jìn)行疊加。所以，在雷云放電的先導(dǎo)階段，輸電線上的電位為0。

雷云放電的主放電階段發(fā)生在雷擊大地之后，在先導(dǎo)階段聚集的空間電荷被釋放掉。因?yàn)橄葘?dǎo)放電階段的電荷不可能全部被瞬間釋放，輸電線上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷也不可能立即轉(zhuǎn)換成自由電荷。輸電線上此時(shí)的電位主要由剛被釋放的電荷所決定，大小為＋U。輸電線上電荷隨著雷電主放電的推進(jìn)被逐漸釋放。此時(shí)的輸電線路上的靜電感應(yīng)過(guò)電壓也要相應(yīng)減小。根據(jù)電荷在輸電線上對(duì)稱流動(dòng)的原理，釋放的束縛電荷會(huì)沿著輸電線向兩端運(yùn)動(dòng)。電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流與輸電線的波阻抗會(huì)形成感應(yīng)過(guò)電壓。如果主放電過(guò)程被瞬時(shí)完成，產(chǎn)生的電流會(huì)很大，在輸電線路周圍會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的時(shí)變電磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致極大瞬時(shí)高壓的產(chǎn)生。當(dāng)然因?yàn)槟芰亢茈y被瞬間釋放，所以這種情況出現(xiàn)的可能性很小。

3 架空輸電線路的防雷措施

輸電線路防雷第一道防線是通過(guò)采用避雷線、避雷針或者將輸電線改成電力電纜的方法避免輸電線受到直擊雷的影響；第二道防線是通過(guò)提高輸電線路的抗雷擊水平或輸電線路絕緣等措施減少或消除雷電擊中輸電桿塔頂部或避雷線上是產(chǎn)生的閃絡(luò)現(xiàn)象；第三道防線是通過(guò)降低輸電線路上絕緣的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的方法抑制輸電線路絕緣閃絡(luò)轉(zhuǎn)化成拉弧的可能性，進(jìn)而降低雷擊輸電線的跳閘率，也可以采用中性點(diǎn)不直接接地的方法進(jìn)行削弱；第四道防線是通過(guò)環(huán)網(wǎng)供電方式并裝設(shè)自動(dòng)重合閘的方法使電力系統(tǒng)供電得以持續(xù)，提高供電可靠性。

3.1 塔頂斜拉線和耦合地線防雷

如果輸電線路桿塔的機(jī)械強(qiáng)度能夠承受，可以在輸電線路的下方架設(shè)耦合地線，以降低輸電線路絕緣子上的電壓強(qiáng)度，進(jìn)而增加輸電線路抗雷云放電的能力。耦合地線會(huì)使桿塔分擔(dān)雷電流的能力增強(qiáng)，從而可降低桿塔頂部的電位，也可減小輸電線上的感應(yīng)電壓。在地形復(fù)雜的地方，還可以起到防繞擊雷的作用。

在桿塔頂部架設(shè)斜拉線的方式也可以在一定程度上提高輸電線路的防雷水平。跟耦合地線的作用相似，斜拉線也可以起到耦合和分擔(dān)雷電流的作用。在地勢(shì)平坦的地方也可以在一定程度上防雷電繞擊。

3.2 線路避雷器防雷

避雷器在實(shí)踐中應(yīng)用較廣泛，其原理主要是通過(guò)避雷器本體的非線性的伏秒特性曲線防雷。在雷電沖擊到來(lái)時(shí)，避雷器被導(dǎo)通，雷電流和過(guò)電壓能量大部分都可以通過(guò)避雷器向大地泄放，也可以通過(guò)與輸電線路絕緣子的絕緣配合限制雷電過(guò)電壓水平，起到保護(hù)輸電線路設(shè)備的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，設(shè)計(jì)架空輸電線路時(shí)，應(yīng)充分關(guān)注防雷保護(hù)的重要性，特別是對(duì)耐張塔和轉(zhuǎn)角塔也要專門(mén)研究、精心設(shè)計(jì)，務(wù)必使其具有較少的保護(hù)角。對(duì)于山區(qū)，因地形影響（山坡、峽谷），避雷線宜采用負(fù)保護(hù)角，或者架設(shè)耦合地線、裝設(shè)線路避雷器等。

［1］杜永平，李加存.220 k V變電站進(jìn)線防雷措施的完善［J］.安徽電力，2007（4）：48～51