防繞擊避雷針在220kV輸電線路防雷中的效果分析

摘 要：為了評估在220kV輸電線路地線上安裝防繞擊避雷針后的防雷效果，文章提出了3D的電氣幾何模型（EGM）來計算防繞擊避雷針對導線的保護距離，以及加裝防繞擊避雷針后對線路耐雷性能的改善情況。對220kV典型桿塔（ZM1）的計算結果表明：防繞擊避雷針可以起到一定的繞擊保護作用。

關鍵詞：輸電線路；防繞擊避雷針；效果

1 概述

在我國，輸電線路縱橫交錯，線路走廊大多在山區(qū)，線路受雷電繞擊而跳閘的次數(shù)越來越多。正在建設的特高壓線路中，線路防護的主要工作是雷電繞擊的防護，地線的保護角是影響線路繞擊的跳閘率的重要因素，保護角越小，跳閘率越小。對已建成的輸電線路來說，保護角已經(jīng)固定，目前一種使用較多的防繞擊措施是在地線上加裝防繞擊避雷針以提高地線對導線的屏蔽能力。由于避雷針的針桿長度一般只有0.2到0.6米，所以其保護范圍有限，在實際工程中尚無足夠的運行經(jīng)驗可以證明其有效性。因此，本文對防繞擊避雷針的防雷效果進行分析，具有一定實際意義。

2 防繞擊避雷針的結構和保護原理

防繞擊避雷針是一種安裝在輸電線路地線上的金屬針。一般都是間隔一定距離的，尖端的朝向是桿塔附近的地線，增加地線的引雷作用。一般在距離桿塔15m和30m處的地線上各安裝1根防繞擊避雷針，每基塔共安裝8根[3]。

如圖1所示，防繞擊避雷針的主要結構是頭部的1根0.2～0.4m長的針桿，以及位于其尾部的平衡球和防震錘頭、套管、線夾等組成。

當輸電線路受到雷擊時，防繞擊避雷針的尖端引雷作用將原本會繞擊導線的雷電引至地線，然后通過桿塔將雷電流泄入大地。它的保護原理與將地線往外平移1個鐵桿長度的距離類似，從而減小下方導線地線保護角，以此降低跳閘頻率。

3 仿真模型與計算方法

二維平面計算模型是傳統(tǒng)的電氣幾何模型，它僅僅能模擬線路在平面上繞擊保護情況，卻無法對立體屏蔽的效果進行分析。本文提出三維立體的電氣幾何模型，對防繞擊避雷針的保護范圍進行建模計算，建模方法如下：

擊距理論是EGM的核心，本文采用IEEE推薦的擊距公式[4]

rs=10I0.65 （3-1）

式中，rs為雷電對導線的擊距，m；I為雷電流的幅值，kA。

如圖3所示，弧AB，BC、CD是位于防繞擊避雷針的二維平面上的，通過對擊距的理論分析，弧AB、CD為該地線和大地的屏蔽弧，此處雷電先導優(yōu)先對地線和大地放電，導線處于屏蔽的保護中；弧BC為雷電先導，是該導線的暴露弧，直接對導線進行放電，形成繞擊。N和P是地線和導線上的某一點。沿檔距方向?qū)⒒C平移擴充則形成圖中的曲面BCEF，此曲面是導線屏蔽系統(tǒng)下的三維繞擊暴露曲面。同樣通過對擊距的理論分析，可知防繞擊避雷針的放電在尖端上發(fā)生，其擊距曲面用針尖O為球心、擊距rs為半徑的球面來表示。

根據(jù)擊距理論，當導線的暴露曲面BCEF位于防繞擊避雷針的屏蔽球O內(nèi)時，雷電會先對防繞擊避雷針放電而不會繞擊導線，防繞擊避雷針可以屏蔽保護位于球內(nèi)的導線暴露曲面。防繞擊避雷針彌補了地線保護的不足之處，實現(xiàn)了對繞擊的全保護。

通過上面的分析可知，對于某一雷電流幅值I，若導線上P點的弧BC都在球O之內(nèi)，則表明P點處線路受到了防繞擊避雷針的保護。為了計算防繞擊避雷針之間的保護距離，先暫時固定位置，再增加P點和防繞擊避雷針之間的距離，直到球O不能完全屏蔽P處暴露弧為止，這時P點和防繞擊避雷針之間的距離就是在雷電流幅值下的防繞擊避雷針最大保護距離lmax。在該距離lmax內(nèi)，線路因受到防繞擊避雷針的完全屏蔽而不會發(fā)生繞擊。

當雷電流發(fā)生變化時，雷電流的擊距rs也隨著改變，導致防繞擊避雷針的屏蔽球O和導線的暴露弧面BCEF的半徑及相對位置發(fā)生變化，所以還應計算不同雷電流幅值I下防繞擊避雷針的保護距離。對于某條具體線路，只有幅值介于耐雷水平Imin（由線路的絕緣水平?jīng)Q定）與最大可繞擊電流Imax（由地線保護角α和桿塔呼稱高度h決定）之間的雷電流才會繞擊導線。因此，為求得防繞擊避雷針的保護距離，首先應計算雷電流在[Imin，Imax]區(qū)間內(nèi)時不同的雷電流幅值I 所對應的防繞擊避雷針的最大保護距離lmax；然后將計算結果按照雷電流幅值的分布概率進行加權平均，得到最終的防繞擊避雷針的有效保護距離L，具體計算流程如圖4所示。

4 220kV輸電線路加裝防繞擊避雷針后保護效果分析

為分析防繞擊避雷針的保護效果，本文采用220kV單回輸電線路中常見的ZMT1貓頭型直線桿塔進行計算，ZMT1型單回直線桿塔上導線和地線的相對位置和桿塔具體參數(shù)[5]如圖5、表1所示。

ZMT1型桿塔導線為三角形布置，一般只有邊相導線會發(fā)生繞擊。文獻[6]采用小規(guī)模試驗法對220kV輸電線路的ZMT1桿塔進行了防雷性能研究，結果顯示繞擊危險區(qū)域（繞擊可能性比較高的區(qū)域）位于距離桿塔7～20m的范圍內(nèi)。

為了有效地降低線路繞擊跳閘率，在架設防繞擊避雷針的時候，要把保護范圍覆蓋到所有的危險區(qū)域。本文上述仿真模型和計算方法對ZMT1桿塔上的防繞擊避雷針的保護距離進行了計算，得出了完全屏蔽繞擊危險區(qū)域所需要的防繞擊避雷針的最少個數(shù)，計算時取防繞擊避雷針的針桿長度為0.2m，線路的絕緣水平依照規(guī)程[7][8]進行選取。

本文中采用MATLAB編程計算。

從表2可以看出，在220kV線路ZMT1桿塔的地線上，1根防繞擊避雷針（針桿長度為0.2m）的保護距離為2.02m，此結果與文獻[9]根據(jù)小規(guī)模試驗所得出的保護距離2.15十分接近。而220kV線路危險區(qū)域為距離桿塔7～20m處，危險區(qū)長度為13m，所以在220kV線路ZMT1桿塔兩側的每根避雷線上，間隔4.04m共安裝4根防繞擊避雷針，就可以完全屏蔽在距桿塔7～20m范圍內(nèi)的繞擊危險區(qū)域，即每基ZMT1桿塔兩側地線上共需安裝16根防繞擊避雷針。

顯然，如果安裝16根防繞擊避雷針，則其成本和施工量都是巨大的，對地線的機械性能也會產(chǎn)生負面影響。現(xiàn)實的220kV輸電線路常用標準是在地線上距離桿塔7～20m處等距安裝2根防繞擊避雷針，即每基桿塔安裝8根防繞擊避雷針，本文計算了安裝8根防繞擊避雷針后線路繞擊跳閘率的改善情況。計算中假設兩基桿塔內(nèi)百分之五十的繞擊事故發(fā)生在位于桿塔兩側的繞擊危險區(qū)域內(nèi)。

從計算結果可以看出，220kV線路ZMT1桿塔在安裝8根0.2m長的防繞擊避雷針后，繞擊跳閘率只有0.074，降低了31.1%，說明防繞擊避雷針可以起到一定降低輸電線路繞擊跳閘率的作用。

5 結束語

對單回220kV輸電線路典型桿塔的計算結果表明，在輸電線路的繞擊危險區(qū)域內(nèi)安裝防繞擊避雷針可以起到一定的繞擊保護作用。由于受到防繞擊避雷針的尺寸限制，單根防繞擊避雷的保護距離太小，防繞擊避雷針的繞擊保護效果比較依賴于在地線上的安裝個數(shù)。每基220kV線路ZMT1桿塔兩側至少需要安裝16根0.2m的防繞擊避雷針才能完全屏蔽繞擊危險區(qū)域，當安裝數(shù)量不足時，防繞擊避雷針則無法成功屏蔽繞擊的危險區(qū)域，對線路繞擊跳閘率的作用效果甚微。

參考文獻

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[8]DL/T 5092-1999.110～500kV架空送電線路設計技術規(guī)程[S].1999.

[9]郭秀慧，李志強，錢冠軍.輸電線路繞擊防護的新措施[J].高電壓技術，2005，31（7）：37-41.

作者簡介：劉陽（1989，12-），男，漢族，湖北宜昌，助理工程師，大學本科，國網(wǎng)安徽省電力公司樅陽縣供電公司，研究方向：輸電線路。