輸電線路的雷電波過程與防雷保護分析

范世鋒

（廣西電網公司河池供電局，廣西 河池 547000）

1 引言

工程運行經驗表明，輸電線路的故障占電網中總事故的較大比例，而輸電線路的故障又以雷擊跳閘的比重最大，尤其是鋪設在山區的線路，故障基本上都是由雷擊引起的。據統計，在輸電線路跳閘率較高的地區中，雷擊引起的事故占到50% ～70%。

輸電線路的防雷保護問題是一個綜合的技術與經濟問題，首先應該根據線路的雷擊規律，分析雷電波過程，才能采取合適的防雷措施，防止雷擊事故的發生［1－5］，研究表明，雷擊具有選擇性，輸電線路存在雷擊易擊點與易擊段［6－9］。

2 均勻無損導線的雷電波過程

輸電線路單元長度的電感與電容值一般為一恒定值，分別為L0與C0，忽略R0與G0，其等值電路如圖1所示，由電磁場理論架空線路與電纜的L0與C0分別為:

式中:hc—導線對地平均高度；

μ0—真空磁導率；

μr—相對磁導率；

ε0—真空介電常數；

εr—相對介電常數；

r—導線半徑；

R—電纜接地鉛包的內半徑。

圖1 均勻無損單導線的單元等值電路

等值電路的方程組為:

解為:

通過（1）與（2）式可得架空線路與電纜的雷電波速度分別為:

由上式可知:雷電波速與導線的周圍介質有關，與導線的對地高度、半徑、鉛包半徑無關，在電纜中的波速只有架空線路上的一半。

如圖2所示，雷電波由一條波阻抗為Z1的無限長線路1在A點流向波阻抗為Z2線路2，線路上有原始波（u'1，i'1）與反射波（u″1，i″1），線路 2 上有折射波（u'2，i'2）。

圖2 不同波阻抗的兩條線路的波過程圖

線路1、2上的總電壓、電流分別為:

根據邊界條件:

則:

式中:α—折射系數；

β—反射系數。

3 多導線系統的雷電波過程

上述分析考慮的是單導線情況，但實際工程中都是多導線系統，所以有必要對多導線系統的雷電波過程進行研究。

壓波與電流波的關系為:

圖3 n導線系統及其鏡像

如圖3所示的n導線系統，單位長度的電荷分別為:q1、q2，…，qn對地電壓分別為:u1，u2，…，un，則:

根據HBN評分情況進行效果標準評價[3]:(1)治愈,面部癥狀全部消失,面神經功能完全恢復,面部運動正常;(2)顯效,面部癥狀基本消失,存在輕微功能減弱,靜止狀態下面部對稱,張力無異常,眼睛可完全閉合,口有輕微不對稱;(3)有效,明顯功能減弱,靜止狀態下面部對稱,張力無異常,抬眉額紋對稱,用力可閉合眼睛合,口較明顯不對稱;(4)無效,面部癥狀無顯著改善,口無力,眼不能閉。總有效為治愈、顯效及有效之和。

式中:αkk—導線k的自電位系數；

αkn—導線k、n的互電位系數。

式（7）可轉換為:

則架空線路的自波阻抗與互波阻抗為:

4 輸電線路的防雷保護

圖4 線路雷害事故的發展過程及防護措施

輸電線路的耐雷水平為雷擊線路時，其絕緣不至于發生閃絡的最大雷電流幅值或引起絕緣閃絡的最小雷電流幅值。

各電壓等級輸電線路應有的耐雷水平如表1所示。

表1 各電壓等級輸電線路應有的耐雷水平

工程上的運行經驗表明，在電網的總事故中，雷擊輸電線路造成的線路跳閘停電占很大比例，而且雷擊線路產生的雷電過電壓沿線路侵入變電所、發電廠，是造成其主要電氣設備絕緣損壞的重要因素。輸電線路常用的防雷保護措施為:

（1）合理選擇輸電線路路徑

大量運行經驗表明，在一些地段輸電線路易遭受雷擊，我們將這些線路遭受雷擊比較集中的某些路段稱之為選擇性雷擊區，或稱為易擊區。在鋪設輸電線路時避開易擊區，或對易擊區線段加強保護，是防止雷害的根本措施。

（2）架設避雷線

裝設避雷線是架空輸電線路最基本、最常用的防雷措施，其作用是:可以接閃雷電，防止雷直擊導線；還可以雷擊塔頂時對雷電流分流，以減少流入桿塔的雷電流，從而降低塔頂電位；還可以通過對導線的耦合作用減小線路絕緣子上承受的電壓。

（3）降低桿塔接地電阻

對于一般輸電桿塔，當桿塔型號、尺寸與絕緣子型號和數量確定后，降低桿塔接地電阻可以提高架空送電線路耐雷水平、減少反擊概率。

（4）增設耦合地線

在降低桿塔接地電阻有困難時，可采用架設耦合地線的措施，因為它可以加強避雷線與導線間的耦合，減小絕緣子串兩端電壓的反擊電壓和感應電壓的分量，還可以增加雷擊塔頂時向相鄰桿塔分流的雷電流。

（5）提高絕緣等級，采用不平衡絕緣方式

在所有防雷措施中，采用不平衡絕緣和加強絕緣是最經濟，也是比較容易實現的，因為可以提高絕緣水平，從而提高反擊和繞擊的耐雷水平，還可以降低建弧率還可以減小保護角。

（6）安裝線路型避雷器

裝設線路避雷器對防止易擊段、易擊塔線路絕緣子雷擊閃絡作用顯著，而且還可以提高線路耐雷水平、降低雷擊跳閘率。

（7）裝設自動重合閘裝置

安裝自動重合閘裝置對于降低線路的雷擊事故率具有較好的效果，因為線路絕緣具有自恢復性能，大多數雷擊造成的閃絡事故在線路跳閘后能夠自行消除。

5 總結

隨著輸電線路規模逐漸擴大，電網結構的日益復雜，以及氣候變化、雷電活動頻繁，目前電網的雷害事故明顯增多，輸電線路和電網雷電防護是一項長期工作，加強雷電波過程研究及線路防雷分析，開展防雷改造、采取有效的防雷措施顯得尤為重要。

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