對輸電線路引雷分析及防雷措施探究

顏澤瑜

（重慶市墊江縣供電有限責任公司，重慶 408300）

引言

隨著經濟的發展,對輸電線路供電可靠性的要求越來越高。同時伴隨著電網的發展,雷擊輸電線路引起的跳閘、停電事故絕對值也日益增多。雷害事故在現代電力系統的跳閘停電事故中占有很大的比重。特別是伴隨著科學技術的發展，開關和二次保護的產生，電力系統內部過電壓的降低及其導致的事故的減少，雷擊引起的線路跳閘事故占據日益主要的地位，不僅影響線路、設備的正常運行，而且極大地影響了日常的生產、生活。線路的雷擊事故在電力系統總的雷電事故中占有很大的比重。據統計，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網總事故的 60%以上。輸電線路防雷保護的目的就是盡可能減少線路雷害事故的次數和損失。

1 普通避雷針引雷機理分析

由于雷云對地放電發生前，雷云和地面之間所形成的電場，基本上是直流靜電場。在雷云先導通道發展過程中若把雷云看成一個電極的話。那就是直流電壓作用下的長間隙放電。

在雷云電場作用下，金屬避雷針尖端附近的電場強度最強，局部空間電離產生的與雷云同極性的電荷通過避雷針入地，與雷云異極性的電荷向雷云方向運動，在避雷針上方形成與避雷針同極性的空間電荷層，這些空間電荷將使避雷針尖端附近的場強降低。使電離減弱甚至停止；待與避雷針同極性的空間電荷逐漸散失，針尖處的場強恢復達到電離的強度又產生電離，如此循環。但總的來說，電離較少，空間電荷數量有限，使空間電荷層外的場強增加有限，電離區的擴展較小，故引雷作用較小。

圖1 避雷針尖端處有負空間電荷存在時的電場分布

通過上述空間電荷對電場畸變作用的分析，我們可以設想，當避雷針尖端的高場強區電離出來的與雷云同極性空間電荷不能很快消失時，空間電荷產生的附加電場將進一步增強針尖附近的電場強度，圖1所示為當雷云電場為負極性時，避雷針尖端處有負空間電荷存在時的電場分布。高場強電離或強場放射的作用易于在避雷針尖端形成上行先導，從而加強避雷針的引雷作用，其保護范圍也將加大。

2 針尖戴上絕緣帽提高避雷針引雷能力的機理分析

很顯然，針頭附近的電荷密度越大，對雷云電場的畸變強度就越強，其引雷的空間就越大，即保護范圍擴大。要做到這一點，除了增加避雷針的高度外，根據固體電介質的極化理論，由偶極子構成的電介質在電場的作用下定向運動，按電場方向有序排列使介質表面產生束縛電荷，呈現出極性。由于極化，在電極上具有較多的附加電荷，由于該附加電荷與電極上原有電荷的極性相同，故使電荷密度增大，電場強度增強。為此，在避雷針針頭上加裝具有強極性的絕緣套管以增加引雷能力。

同時，給避雷針套上一個絕緣帽可以避免避雷針尖端附近產生的空間電荷進入針體而消失。在雷云的作用下，避雷針尖端附近的電場強度仍是最強。隨著雷云的下行先導向地面延伸，避雷針尖端附近電場得到加強，局部空間電離出來的與雷云同極性的電荷被絕緣帽阻隔，不能通過避雷針入地，而只能緊貼于絕緣帽外表面或其附近的局部空間。這些與避雷針異極性電荷的存在加強了避雷針尖端附近電場強度。所以避雷針戴有絕緣帽時，尖端附近的電場強度總是比普通避雷針尖端附近的電場強度強。這就使電離不斷產生，形成密度很大、導電性好的區域，使空間電荷區外的場強增強，電離空間不斷擴展，導電性好的區域不斷擴大，并形成由避雷針向上發展的迎面先導，其作用相當于將避雷針高度升高。

3 在針體串聯小氣隙提高避雷針引雷能力的機理分析

當雷電云層形成時，云層與地面之間產生一個電場，此電場強度可達到5kV／m，從而使地面凸起部分或金屬部件上開始出現電暈放電。當雷電云層內部形成一個下行先導時，雷擊放電過程便開始了。下行先導電荷以階梯形式向地面移動，其攜帶的電荷使地面建立起來了電場。此時，從地面上的建筑物或物體產生了一個上行的先導，此上行先導向上傳播一直到與下行先導會合。此時，閃電電流便流過所形成的通道。地面上的其他建筑物可能會生成好幾個上行先導，與下行先導會合的第一個上行先導決定了雷擊點的位置。在輸電線路防繞擊避雷針本體串聯小空氣間隙，在雷云的先導通道向下發展過程中，由于氣隙的存在相當于在避雷針上串聯了一個電容。在足夠高的雷云場強下，小氣隙兩極能夠積累電荷。當場強超過小氣隙的擊穿場強時將小氣隙擊穿，小氣隙開始放電，放電電荷在熱動力作用下上升，與針尖的高場強處新電離出的電荷一起向上發展，易于形成迎面上行先導，使有小氣隙避雷針的引雷能力大大增加。

4 電氣試驗

下面通過試驗驗證輸電線路防繞擊避雷針本體串聯小氣隙，針尖戴上絕緣帽，能夠提高避雷針的引雷能力。試品分別為普通避雷針、加絕緣帽避雷針、串入小氣隙普通避雷針和加絕緣帽并串入小氣隙的避雷針。為防止由云板表面的不均勻性對實驗結果的影響。實驗中對試品位置進行互換。實驗原理接線如圖2所示。

圖2 實驗原理接線圖

實驗雷云板與針尖的空氣間隙為1m。實驗采用雷電沖擊波和操作沖擊波，每個氣隙施加的電壓有臨界擊穿電壓和遠超過臨界條件的擊穿電壓，每個電壓值重復30次，兩個針在云板的幾何位置，重復實驗，防止雷云板對實驗的影響。試驗布置圖如圖3所示。

圖3 實驗布置示意圖

實驗數據如表l所示。

表1 空氣間隙為1m和1.7m的雷電波和操作波實驗數據比較

實驗結果證實了采用有帽有小氣隙的避雷針結構，可以提高避雷針的引雷能力。當云針間達臨界放電電壓時，有帽有小氣隙避雷針的引雷能力優于無帽無氣隙的避雷針。隨著沖擊放電電壓的提高，前者的引雷能力更強。可以預計在更高的電壓作用下，這種結構的避雷針引雷效果更好。

輸電線路防繞擊避雷針電氣性能優化進行研究，對其針尖戴卜絕緣帽和針體串聯小氣隙能夠吸引雷擊進行了原理性分析和理論推導，并進行了試驗驗證。輸電線路防繞擊避雷針的這些電氣特性能夠提高避雷線的屏蔽能力，比普通避雷針具有更好的防繞擊效果。

[1]鄭江，林苗.無雷害輸電線路的實用綜合防雷措施[J].紅水河，2009，02，25.