輸電線路雷擊選擇性及其影響因素的研究

趙士琦

（陶氏化學（中國）投資有限公司　201203）

引言

雷電是夏季經常出現的現象，其存在一般會對人們的生產生活產生很大的隱患。根據多年的實驗研究證明，雷擊發生的位置具有很強的規律性，這種規律在學術上被稱為雷擊的選擇性，在實際情況中，輸電線路的故障率很大程度上決定于雷電對輸電線路的選擇性。這也對輸電線路的設計建造提出了新的要求，本文旨在研究輸電線路的雷擊選擇性，并對其影響因素進行分析，從而得出解決的方法。

1　雷電放電過程及繞擊機理

1.1　地面落雷密度和輸電線路落雷密度

在雷云的放電過程中，云內閃電的放電量以及云層到云層的放電量是最大的，遠遠高于云到地之間的放電量。如果要控制電力設施的防雷性能，首先需要客觀的表示雷云對地放電的頻率，這種頻率的描述方式為地面落雷密度，單位為次/km2·雷暴日，所表達的含義是在一個雷暴日的時間內，在每平方公里的地面上產生的平均落雷次數。通常情況下而言，一個地區在一年之內如果存在的雷暴日數較大的話，那么地面落雷密度的值也會隨之增大。同時在計算輸電線路的落雷密度時，需要規定100km的線路長度，其公式為：

N=γhT（1）式（1）中：γ 為年平均雷暴日，單位：次/km2·雷暴日；T 為雷暴日，單位：天/每年；h為避雷線的平均高度，單位：m。

但是如果是針對雷暴日較少的地區的話，公式則可以表示為：

式（2）中：b是相鄰避雷線的距離值，單位用米來表示；h為避雷線的平均高度，單位為m。

1.2　輸電線路繞擊的過程

當雷電現象發生的時候，雷電先導會隨著多種的因素向下發展，并且會接近于地面。同時，梯級先導的具體長度一般由先導頭部的電位所決定，而電子崩游離區的電荷數量也會取決于雷電先導是否存在。而空中雷云的等效帶電中心一旦發生一定的能量損耗，就會向地面進行分級發展，這時先導就會尋找其釋放能量的最佳途徑，這種發展方向會依據頭部附近電場方向的變化而變化，這時如果出現擊中某一地面物體的情況，就說明前方電場強度超過了某個水平。不可否認的是，雷電先導電場的數值是十分重要的，能夠最終決定接地體所產生的先導數值的高低，而地面物體所形成的迎面先導的作用也十分突出，它對雷電先導會產生一定的阻礙作用，這也是雷電先導向某一個物體進行發展的核心步驟，一般情況下而言，不同材質和形狀的物體，所產生的迎面先導效果會也存在差異。從理論上講，先導能夠接觸到的接地體范圍也是具有規律性的，一般是取決于先導較前端部分的游離區半徑，這種半徑值同時也決定了雷電對地表建筑物的閃擊方位以及閃擊距離，一般而言，當閃擊的情況不一樣時，先導所攜帶的電位也會不一樣，并且電流的幅值也會造成差異。如果雷電先導沒有擊中避雷針和桿塔避雷線等裝置時，就會擊中其他的建筑物，這種現象就是繞擊。

先導頭部的電位如果產生了一定的幅值，就會很容易出現繞擊的情況，但是如果已經存在了能夠擊穿很大空氣間隙的先導頭部電位，那么之前使用過的添加絕緣子的普通方法就不會有很突出的效果，因為其產生的影響也只是等于增加了一點空氣間隙，主要的原因就是繞擊的幅值還會升高。因此，添加桿塔絕緣設備對于防止繞擊的作用并不大，但是也可以相對的減少繞擊的發生幾率。

2　繞擊仿真計算

2.1　電氣幾何模型的概念

電氣幾何模型的主要作用是用來計算繞擊的情況，經典的電氣幾何模型法是將具體某一段線路的特征和雷電放電的特點相互結合，進而創立的一種計算模型，這種計算模型的大致原理是雷云向地面發展的先導放電通道中，擊中點一般是比較隨機的，所以先導的頭部如果到達了某一個建筑物的擊距范圍之內的話，就會首先向這個建筑物放電。然而從理論的層面上講，僅僅只有雷電流幅值的大小才會影響擊距的范圍，所以先導對于其他保護裝置的擊距是相等的，這時就需要明確繞擊率的大小是和雷電的流幅值有關系的，但是即使是這樣，經典的電氣幾何模型在計算和分析最大擊距時，并沒有合理的將平均電場強度這個概念融入進去。這時，由于經典的電氣幾何模型存在著很多的缺陷，所以Eriksson改進了它的計算方式，之后形成了一種新的計算模型。這個新的計算模型充分的考慮了物體的具體高度值所產生的影響，進而出現了擊距系數的新概念；基于新的概念和新的計算模型，某一段導線的受雷范圍可以被嚴格的定義為一個圓弧，這個圓弧的圓心是導線，半徑則是擊距。這時如果出現雷電流變大的情況，就會進一步的使擊距變大，從而物體的受雷范圍就會變小，如果要導線完全的被屏蔽，就需要讓擊距變大到最大擊距，這樣雷電先導就會直接的擊中避雷線或者是直接擊中地面。

2.2　最小和最大繞擊雷電流

如果要進一步的確定輸電線的繞擊耐雷程度，首先必須要計算出輸電線的最小和最大繞擊值，這將很大程度上決定著輸電線的繞擊跳閘率。對輸電線所存在的最小繞擊值的計算，首先需要設定某一段輸電線路的繞擊耐雷水平為Imin，臨界擊距為Rsc，這時公式為：

對于輸電線的最大繞擊值而言，當雷電先導的擊距值小于避雷線的擊距值時，就會造成繞擊。因此，暴露的弧段長度值往往對線路繞擊率的值影響非常大，并且一旦暴露的弧段長度值減少到了零，這個時候導線就不用再遭受到繞擊的影響，這個時候的擊距就會變成了最大擊距，但是這個時候也可能會出現Imax受到繞擊的情況，但是繞擊一般不會造成線路跳閘的情況。

2.3　關于擊距系數的討論

擊距系數可以直觀的反映避雷線的核心屬性，當實際的擊距系數數值變小時，即使是使用相同型號的導線，也并不容易產生先導，同時如果地面土壤的電阻率數值較大時，也同樣不容易產生先導，這時由于擊距系數變化的原因，將會導致避雷線和地面始終無法完全屏蔽雷電先導，簡單而言就是導線始終存在暴露弧。

3　繞擊屏蔽的影響要素研究

不同輸電線桿塔之間對于雷電選擇性首先體現在桿塔輸電線的高度以及桿塔輸電線的避雷線保護角。通過輸電線路的實際運行數據可以了解到，線路所截獲的雷電量，會隨著桿塔變高而逐漸的變多，主要原因便是桿塔高度變高之后，能夠引雷的面積也會隨之變大，所以雷的次數也會進而升高；另外，如果桿塔的高度值變高，就會使得相應的地面屏蔽能力變小，進而就會讓更多的雷電擊中導線，這個時候根據數據顯示，在落入垂直平分線以下的絕大部分雷都會擊中導線，這個時候繞擊便會隨時產生，所以現實中某一段線路的耐雷能力會大大減弱，意外跳閘情況也會變得常見。所以，在不用影響其他方面的情況下，降低桿塔高度是一種合適的方式。

其次，雷電選擇性會體現在桿塔輸電線所存在的避雷線保護角。這是因為在一般情況下而言，如果先導對地面物體的感應場強變大的話，避雷線將會更加容易的被雷電擊中。但是如果下行先導的屬性改變的話，就會出現其他的情況，雷電就會不擊中輸電線而擊中地面，這個時候繞擊就很難在出現了。所以說對于某個特定范圍內的雷電流，是存在著某個臨界屏蔽保護角的，這個避雷線保護角深刻影響著雷擊的選擇性。

另外，桿塔所在地的坡面角度也是輸電線桿塔繞擊屏蔽的重要因素，一般來說，如果某地區的地形為丘陵或者是山區的話，那么當地繞擊率的值就會偏大，如果當地的地形為平原的話，那么繞擊率的值就會偏小；所以說，如果存在長度很長的輸電線路時，一旦它既穿過平原地區又穿過丘陵地區，那么屬于這兩個地區線路的繞擊率則是不相同的，所以地面傾角的數值也是影響某一個地區雷擊選擇性的重要因素。

最后，桿塔周圍土壤電阻率也會影響繞擊屏蔽性能，這是因為雷擊區與地質結構是密切相關的，根據多年來的實驗結果表明，一旦某個地區出現了土壤表面電阻率散布不平均的情況，那么在數值比較小的那部分區域就會有較大的可能被雷擊，并且近幾年的研究也證明了這一點；究其原因，主要是由雷電放電過程中土地里面電流的流通路線決定的，電阻率比較小的路徑對于電流來說比較通暢，所以土地表面電阻率相對較小的區域就會聚集大部分的電荷，進而雷電也就會被吸引過去。

4　總結

本文主要論證了輸電線路雷擊選擇性的問題，可以進一步的為相應的施工設計提供具體的實施指導。上文通過對多種概念的分別論述，可以基本認為決定輸電線路繞擊耐雷能力的要素為避雷線保護角、地面傾角以及桿塔高度；同時上文還對輸電線的經典電氣幾何計算模型進行了介紹，還利用新的電氣幾何模型來分析眾多的影響要素，并且又對繞擊的概率分布情況進行了研究。此外不可忽視的是，上文對于擊距系數這個概念的介紹也是十分重要的，擊距系數可以直觀科學的描述雷電先導的屬性，還可以進一步的區分導線與地面的擊穿強度的差別。綜上而言，輸電線路雷擊選擇性是可以通過繞擊計算進行系統論述的，但是對于目前的技術水平來說，針對某一段線路雷擊的研究還面臨著很大的不足，需要進一步驗證的影響因素還有很多種，只有全面的了解輸電線路雷擊選擇性的影響因素，才能有力的保護區域內的安全用電。