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(zé)任公司，重慶 408300）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對輸電線路供電可靠性的要求越來越高。同時(shí)伴隨著電網(wǎng)的發(fā)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(xiàn)代電力系統(tǒng)的跳閘停電事故中占有很大的比重。特別是伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)和二次保護(hù)的產(chǎn)生，電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的降低及其導(dǎo)致的事故的減少，雷擊引起的線路跳閘事故占據(jù)日益主要的地位，不僅影響線路、設(shè)備的正常運(yùn)行，而且極大地影響了日常的生產(chǎn)、生活。線路的雷擊事故在電力系統(tǒng)總的雷電事故中占有很大的比重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網(wǎng)總事故的 60%以上。輸電線路防雷保護(hù)的目的就是盡可能減少線路雷害事故的次數(shù)和損失。

1 普通避雷針引雷機(jī)理分析

由于雷云對地放電發(fā)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(dǎo)通道發(fā)展過程中若把雷云看成一個(gè)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(qiáng)度最強(qiáng)，局部空間電離產(chǎn)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(yùn)動(dòng)，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(qiáng)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(qiáng)恢復(fù)達(dá)到電離的強(qiáng)度又產(chǎn)生電離，如此循環(huán)。但總的來說，電離較少，空間電荷數(shù)量有限，使空間電荷層外的場強(qiáng)增加有限，電離區(qū)的擴(kuò)展較小，故引雷作用較小。

圖1 避雷針尖端處有負(fù)空間電荷存在時(shí)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(shè)想，當(dāng)避雷針尖端的高場強(qiáng)區(qū)電離出來的與雷云同極性空間電荷不能很快消失時(shí)，空間電荷產(chǎn)生的附加電場將進(jìn)一步增強(qiáng)針尖附近的電場強(qiáng)度，圖1所示為當(dāng)雷云電場為負(fù)極性時(shí)，避雷針尖端處有負(fù)空間電荷存在時(shí)的電場分布。高場強(qiáng)電離或強(qiáng)場放射的作用易于在避雷針尖端形成上行先導(dǎo)，從而加強(qiáng)避雷針的引雷作用，其保護(hù)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(jī)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(qiáng)度就越強(qiáng)，其引雷的空間就越大，即保護(hù)范圍擴(kuò)大。要做到這一點(diǎn)，除了增加避雷針的高度外，根據(jù)固體電介質(zhì)的極化理論，由偶極子構(gòu)成的電介質(zhì)在電場的作用下定向運(yùn)動(dòng)，按電場方向有序排列使介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷，呈現(xiàn)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(qiáng)度增強(qiáng)。為此，在避雷針針頭上加裝具有強(qiáng)極性的絕緣套管以增加引雷能力。

同時(shí)，給避雷針套上一個(gè)絕緣帽可以避免避雷針尖端附近產(chǎn)生的空間電荷進(jìn)入針體而消失。在雷云的作用下，避雷針尖端附近的電場強(qiáng)度仍是最強(qiáng)。隨著雷云的下行先導(dǎo)向地面延伸，避雷針尖端附近電場得到加強(qiáng)，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(qiáng)了避雷針尖端附近電場強(qiáng)度。所以避雷針戴有絕緣帽時(shí)，尖端附近的電場強(qiáng)度總是比普通避雷針尖端附近的電場強(qiáng)度強(qiáng)。這就使電離不斷產(chǎn)生，形成密度很大、導(dǎo)電性好的區(qū)域，使空間電荷區(qū)外的場強(qiáng)增強(qiáng)，電離空間不斷擴(kuò)展，導(dǎo)電性好的區(qū)域不斷擴(kuò)大，并形成由避雷針向上發(fā)展的迎面先導(dǎo)，其作用相當(dāng)于將避雷針高度升高。

3 在針體串聯(lián)小氣隙提高避雷針引雷能力的機(jī)理分析

當(dāng)雷電云層形成時(shí)，云層與地面之間產(chǎn)生一個(gè)電場，此電場強(qiáng)度可達(dá)到5kV／m，從而使地面凸起部分或金屬部件上開始出現(xiàn)電暈放電。當(dāng)雷電云層內(nèi)部形成一個(gè)下行先導(dǎo)時(shí)，雷擊放電過程便開始了。下行先導(dǎo)電荷以階梯形式向地面移動(dòng)，其攜帶的電荷使地面建立起來了電場。此時(shí)，從地面上的建筑物或物體產(chǎn)生了一個(gè)上行的先導(dǎo)，此上行先導(dǎo)向上傳播一直到與下行先導(dǎo)會(huì)合。此時(shí)，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(huì)生成好幾個(gè)上行先導(dǎo)，與下行先導(dǎo)會(huì)合的第一個(gè)上行先導(dǎo)決定了雷擊點(diǎn)的位置。在輸電線路防繞擊避雷針本體串聯(lián)小空氣間隙，在雷云的先導(dǎo)通道向下發(fā)展過程中，由于氣隙的存在相當(dāng)于在避雷針上串聯(lián)了一個(gè)電容。在足夠高的雷云場強(qiáng)下，小氣隙兩極能夠積累電荷。當(dāng)場強(qiáng)超過小氣隙的擊穿場強(qiáng)時(shí)將小氣隙擊穿，小氣隙開始放電，放電電荷在熱動(dòng)力作用下上升，與針尖的高場強(qiáng)處新電離出的電荷一起向上發(fā)展，易于形成迎面上行先導(dǎo)，使有小氣隙避雷針的引雷能力大大增加。

4 電氣試驗(yàn)

下面通過試驗(yàn)驗(yàn)證輸電線路防繞擊避雷針本體串聯(lián)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)中對試品位置進(jìn)行互換。實(shí)驗(yàn)原理接線如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理接線圖

實(shí)驗(yàn)雷云板與針尖的空氣間隙為1m。實(shí)驗(yàn)采用雷電沖擊波和操作沖擊波，每個(gè)氣隙施加的電壓有臨界擊穿電壓和遠(yuǎn)超過臨界條件的擊穿電壓，每個(gè)電壓值重復(fù)30次，兩個(gè)針在云板的幾何位置，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，防止雷云板對實(shí)驗(yàn)的影響。試驗(yàn)布置圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)布置示意圖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了采用有帽有小氣隙的避雷針結(jié)構(gòu)，可以提高避雷針的引雷能力。當(dāng)云針間達(dá)臨界放電電壓時(shí)，有帽有小氣隙避雷針的引雷能力優(yōu)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(qiáng)。可以預(yù)計(jì)在更高的電壓作用下，這種結(jié)構(gòu)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(yōu)化進(jìn)行研究，對其針尖戴卜絕緣帽和針體串聯(lián)小氣隙能夠吸引雷擊進(jìn)行了原理性分析和理論推導(dǎo)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)用綜合防雷措施[J].紅水河，2009，02，25.