雙ZBS2型酒杯塔輸電線路雷電繞擊特性研究*

劉 璇，劉全楨，畢曉蕾，姜 輝，劉寶全，張長秀，高 劍，劉 娟

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

0 引言

長期以來石化企業輸配電線路的穩定運行遭受著各種因素的影響，其中雷擊是造成輸電線路跳閘故障的重要原因[1]。由于石化企業輸配電線路布網區域廣，位置分散，電壓等級多，因此遭受雷擊的風險較大。如果輸配電線路遭受雷擊，會造成設備和系統出現工作異常、電機掉閘、生產中斷等問題，甚至引起危險區發生燃爆、火災等事故，給企業造成重大的人員和財產損失[2]。據相關數據統計，雷電引起的跳閘事故約占總跳閘次數的70%左右。特別是處于多雷、土壤電阻率高、地形復雜的區域，其輸變電架空線路遭受雷擊的幾率更高。輸電線路遭受雷害的事故不斷增多，將嚴重威脅到電網的供電安全，因此，必須加強輸電線路防雷保護措施，才能從根本上保障企業輸電線路的供電穩定運行[3]。

輸電線路遭受雷擊過程中，桿塔、避雷線和大地是主要的雷擊點，是輸電線路雷電屏蔽性能研究的重點對象。導致輸電線路跳閘的雷擊形式主要為雷電繞擊[4]，線路繞擊研究主要集中在實驗室內小型模擬試驗和現場運行經驗的積累與總結。近年來國內外學者對小比例微縮模型下輸電線路雷電屏蔽性能研究進行理論及試驗研究[5-7]，但大多由于試驗設計不夠完善，或試驗條件限制等因素，導致結論準確性及可行度不高。本文通過實驗室中大量重復放電試驗揭示了一些輸電線路雷電繞擊的規律和特征。

1 線路繞擊試驗設計

選取250 μs/2500 μs的標準操作波作為試驗波形，其波形和放電特性更接近自然雷電。拍攝記錄放電過程，判斷雷擊位置。

1.1 線路模型搭建

線路模型由小比例雙ZBS2型酒杯桿塔、導線、避雷線及絕緣子模型組成，微縮比例為25∶1。整個試驗共搭建兩個35 kV酒杯塔模型組成一個檔距，絕緣子用環氧樹脂按照一致的微縮比例制作模擬，選用直徑為2 mm和4 mm的裸導線分別作為避雷線和導線。

1.2 試驗方法

通過不斷的調整放電電極位置，來開展線路全段繞擊試驗。當電極處于某一試點位置時，施加同一放電電壓30次，觀測避雷線、輸電導線及地極板遭受放電擊中的次數。電極放電尖端位置用X-Y坐標的形式來表征，x軸線與地面平行，與線路垂直，高度與地面重合；y軸線與地面垂直；X-Y坐標系原點位于中相導線下方的地表位置。如圖1所示。

圖1 試驗空間距離分布示意

2 塔頭對繞擊率的影響

研究了沿輸電線路檔距方向繞擊概率的變化情況，以此反應桿塔塔頭對于線路繞擊率的影響。避雷線保護角為12°，電極垂直放置，將電極尖端分別放置于距離桿塔中心線1 400 mm、水平高度1 300 mm的直線上進行沿線路檔距方向的放電試驗。試驗結果如圖2所示。

圖2 雷擊點沿檔距方向移動時繞擊概率分布

由圖2可見，繞擊概率(記為P，單位：%)隨電極由平面平移至導線中央處的變化規律是：先增加，后減小；在檔距方向上，落雷點位于桿塔附近時，繞擊概率趨于零，說明桿塔對于雷電先導具有吸引作用；當落雷點遠離桿塔時，隨著塔頭吸引能力的失效，繞擊概率將增大，直到0.9 m的位置出現最大值，反向證明了桿塔的引雷作用；線路檔距中間區域，導線距離大地較近，大地對先導的吸引能力相對增強，繞擊率因此較低。從桿塔到檔距中央，繞擊率呈現一種先增大后減小的趨勢，繞擊率的最高點為距離桿塔約0.9 m的位置，即線路遭受繞擊的最嚴重區域，按照1∶25換算成實際情況大約為20 m。因此，在對輸電線路繞擊進行防護時，應重點針對此高繞擊率區域采取防護措施，例如安裝防繞擊避雷針[8]。

3 避雷線保護角對繞擊率的影響

為了研究避雷線保護角對繞擊概率的影響，針對保護角12°，0°，-5°三種情況分別進行放電試驗。電極垂直放置，置于(X，Y)=(1 400 mm，2 000 m)的直線，上下移動，其中X為距離電極距離檔距的距離，Y為沿檔距方向的坐標。試驗結果如下圖3所示。

圖3 避雷線保護角對繞擊率影響曲線

由圖3可知：隨著避雷線保護角由正到負變化，繞擊概率依次降低，發生繞擊的區間也逐步減小；當保護角為零甚至負角度時，線路模型繞擊概率大幅降低，保護角-5°時繞擊概率達到10%以下，甚至趨近零。試驗結果驗證了負保護角在防止繞擊上的優勢。

4 地面傾斜對繞擊率的影響

為了研究地面傾斜角對繞擊概率的影響，針對15°，30°，45°三種不同的地面傾斜角分別進行放電試驗，模擬桿塔位于斜山坡的情況。避雷線保護角為12°，電極垂直放置，置于(X，Y)=(1 400 mm，2 000 m)的直線，上下移動。

試驗中需利用支撐物將桿塔墊高，試驗布置及坐標定義方法如圖4所示。斜山坡使用5 m×5 m鐵板模擬，以滿足國外學者通過試驗研究得出的當a/s≥2.5時，即可忽略其他物體影響，以消除鄰近效應的結論。其中a為放電間隙到與板垂直的金屬網的距離，s為棒-板放電間隙的長度。棒狀電極投影通過鐵板的中心線，以避免鐵板邊緣效應對試驗結果的影響[9]。

將試驗所得數據作平滑樣條處理，如圖5所示。

由圖6可知：隨著地面傾斜角從0°增加到30°，輸電線路外側繞擊概率和發生繞擊的區間均增大。而地面傾斜角過大時，例如45°時，繞擊率反而較30°時降低，其原因可能是上方鐵板對雷電先導產生了吸引作用。

5 試驗觀測結果分析

單反慢門拍攝方式捕捉到的典型放電現象如圖6所示。

圖4 地面傾斜角試驗示意

圖5 地面傾斜角度對繞擊概率影響曲線

圖6 1∶25縮小比例下典型放電現象

圖6中(a)為擊中導線的放電現象；(b)為擊中避雷線的放電現象；(c)為擊中桿塔塔頭的放電現象；(d)為避雷線和導線相互競爭，但避雷線發展出的上行先導競爭勝利而與雷電先導連通的情形；(e)為同時擊中導線和避雷線情況；(f)為同時擊中導線和桿塔的情況。

從圖6所記錄的典型放電現象可以看出，在架空輸電線路的屏蔽系統中，除了避雷線對下行雷電先導有吸引作用外，桿塔塔頭對雷電也有較強的吸引能力。受拍攝速度的限制，試驗中只能抓拍到主放電時刻的圖像，但由圖6(d)可以推斷：使用標準操作波的放電試驗中，擊中避雷線和導線時，在主放電之前，避雷線和導線可能均產生了上行先導，下行流注選擇性地擊中先與其相遇的上行流注。

6 結語

a)桿塔對雷電先導具有吸引作用，雷電直擊桿塔附近時，線路繞擊率較低。線路檔距中間區域，導線距離大地較近，大地對先導的吸引能力相對增強，繞擊率因此較低。從桿塔到弧垂中央，繞擊率呈現一種先增大后減小的趨勢，繞擊率的最高點出現在距離桿塔0.9 m的位置，按照1∶25換算成實際情況大約為20 m。在對輸電線路繞擊進行防護時，應重點針對此高繞擊率區域采取防護措施，例如安裝防繞擊避雷針。

b)隨著避雷線保護角由正到負變化，繞擊概率依次降低，發生繞擊的區間也逐步減小；當保護角為零甚至負角度時，線路模型繞擊概率大幅降低。

c)地面傾斜角對繞擊率影響試驗表明，山區輸電線路繞擊概率隨地面傾斜角增大而先增后降。

d)觀測到了主放電擊中導線(避雷線)的同時，也觀測到了避雷線(導線)上競爭失利的殘余迎面流注的存在。