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(xué)（中國）投資有限公司　201203）

引言

雷電是夏季經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，其存在一般會(huì)對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生很大的隱患。根據(jù)多年的實(shí)驗(yàn)研究證明，雷擊發(fā)生的位置具有很強(qiáng)的規(guī)律性，這種規(guī)律在學(xué)術(shù)上被稱為雷擊的選擇性，在實(shí)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(shè)計(jì)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(jìn)行分析，從而得出解決的方法。

1　雷電放電過程及繞擊機(jī)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(nèi)閃電的放電量以及云層到云層的放電量是最大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于云到地之間的放電量。如果要控制電力設(shè)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(dá)的含義是在一個(gè)雷暴日的時(shí)間內(nèi)，在每平方公里的地面上產(chǎn)生的平均落雷次數(shù)。通常情況下而言，一個(gè)地區(qū)在一年之內(nèi)如果存在的雷暴日數(shù)較大的話，那么地面落雷密度的值也會(huì)隨之增大。同時(shí)在計(jì)算輸電線路的落雷密度時(shí)，需要規(guī)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(qū)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(dāng)雷電現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)候，雷電先導(dǎo)會(huì)隨著多種的因素向下發(fā)展，并且會(huì)接近于地面。同時(shí)，梯級(jí)先導(dǎo)的具體長度一般由先導(dǎo)頭部的電位所決定，而電子崩游離區(qū)的電荷數(shù)量也會(huì)取決于雷電先導(dǎo)是否存在。而空中雷云的等效帶電中心一旦發(fā)生一定的能量損耗，就會(huì)向地面進(jìn)行分級(jí)發(fā)展，這時(shí)先導(dǎo)就會(huì)尋找其釋放能量的最佳途徑，這種發(fā)展方向會(huì)依據(jù)頭部附近電場方向的變化而變化，這時(shí)如果出現(xiàn)擊中某一地面物體的情況，就說明前方電場強(qiáng)度超過了某個(gè)水平。不可否認(rèn)的是，雷電先導(dǎo)電場的數(shù)值是十分重要的，能夠最終決定接地體所產(chǎn)生的先導(dǎo)數(shù)值的高低，而地面物體所形成的迎面先導(dǎo)的作用也十分突出，它對雷電先導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生一定的阻礙作用，這也是雷電先導(dǎo)向某一個(gè)物體進(jìn)行發(fā)展的核心步驟，一般情況下而言，不同材質(zhì)和形狀的物體，所產(chǎn)生的迎面先導(dǎo)效果會(huì)也存在差異。從理論上講，先導(dǎo)能夠接觸到的接地體范圍也是具有規(guī)律性的，一般是取決于先導(dǎo)較前端部分的游離區(qū)半徑，這種半徑值同時(shí)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(dāng)閃擊的情況不一樣時(shí)，先導(dǎo)所攜帶的電位也會(huì)不一樣，并且電流的幅值也會(huì)造成差異。如果雷電先導(dǎo)沒有擊中避雷針和桿塔避雷線等裝置時(shí)，就會(huì)擊中其他的建筑物，這種現(xiàn)象就是繞擊。

先導(dǎo)頭部的電位如果產(chǎn)生了一定的幅值，就會(huì)很容易出現(xiàn)繞擊的情況，但是如果已經(jīng)存在了能夠擊穿很大空氣間隙的先導(dǎo)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(huì)有很突出的效果，因?yàn)槠洚a(chǎn)生的影響也只是等于增加了一點(diǎn)空氣間隙，主要的原因就是繞擊的幅值還會(huì)升高。因此，添加桿塔絕緣設(shè)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(fā)生幾率。

2　繞擊仿真計(jì)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(jì)算繞擊的情況，經(jīng)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(diǎn)相互結(jié)合，進(jìn)而創(chuàng)立的一種計(jì)算模型，這種計(jì)算模型的大致原理是雷云向地面發(fā)展的先導(dǎo)放電通道中，擊中點(diǎn)一般是比較隨機(jī)的，所以先導(dǎo)的頭部如果到達(dá)了某一個(gè)建筑物的擊距范圍之內(nèi)的話，就會(huì)首先向這個(gè)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(huì)影響擊距的范圍，所以先導(dǎo)對于其他保護(hù)裝置的擊距是相等的，這時(shí)就需要明確繞擊率的大小是和雷電的流幅值有關(guān)系的，但是即使是這樣，經(jīng)典的電氣幾何模型在計(jì)算和分析最大擊距時(shí)，并沒有合理的將平均電場強(qiáng)度這個(gè)概念融入進(jìn)去。這時(shí)，由于經(jīng)典的電氣幾何模型存在著很多的缺陷，所以Eriksson改進(jìn)了它的計(jì)算方式，之后形成了一種新的計(jì)算模型。這個(gè)新的計(jì)算模型充分的考慮了物體的具體高度值所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而出現(xiàn)了擊距系數(shù)的新概念；基于新的概念和新的計(jì)算模型，某一段導(dǎo)線的受雷范圍可以被嚴(yán)格的定義為一個(gè)圓弧，這個(gè)圓弧的圓心是導(dǎo)線，半徑則是擊距。這時(shí)如果出現(xiàn)雷電流變大的情況，就會(huì)進(jìn)一步的使擊距變大，從而物體的受雷范圍就會(huì)變小，如果要導(dǎo)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(dǎo)就會(huì)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(jìn)一步的確定輸電線的繞擊耐雷程度，首先必須要計(jì)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(jì)算，首先需要設(shè)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(shí)公式為：

對于輸電線的最大繞擊值而言，當(dāng)雷電先導(dǎo)的擊距值小于避雷線的擊距值時(shí)，就會(huì)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(gè)時(shí)候?qū)Ь€就不用再遭受到繞擊的影響，這個(gè)時(shí)候的擊距就會(huì)變成了最大擊距，但是這個(gè)時(shí)候也可能會(huì)出現(xiàn)Imax受到繞擊的情況，但是繞擊一般不會(huì)造成線路跳閘的情況。

2.3　關(guān)于擊距系數(shù)的討論

擊距系數(shù)可以直觀的反映避雷線的核心屬性，當(dāng)實(shí)際的擊距系數(shù)數(shù)值變小時(shí)，即使是使用相同型號(hào)的導(dǎo)線，也并不容易產(chǎn)生先導(dǎo)，同時(shí)如果地面土壤的電阻率數(shù)值較大時(shí)，也同樣不容易產(chǎn)生先導(dǎo)，這時(shí)由于擊距系數(shù)變化的原因，將會(huì)導(dǎo)致避雷線和地面始終無法完全屏蔽雷電先導(dǎo)，簡單而言就是導(dǎo)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(xiàn)在桿塔輸電線的高度以及桿塔輸電線的避雷線保護(hù)角。通過輸電線路的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可以了解到，線路所截獲的雷電量，會(huì)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(huì)隨之變大，所以雷的次數(shù)也會(huì)進(jìn)而升高；另外，如果桿塔的高度值變高，就會(huì)使得相應(yīng)的地面屏蔽能力變小，進(jìn)而就會(huì)讓更多的雷電擊中導(dǎo)線，這個(gè)時(shí)候根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在落入垂直平分線以下的絕大部分雷都會(huì)擊中導(dǎo)線，這個(gè)時(shí)候繞擊便會(huì)隨時(shí)產(chǎn)生，所以現(xiàn)實(shí)中某一段線路的耐雷能力會(huì)大大減弱，意外跳閘情況也會(huì)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(huì)體現(xiàn)在桿塔輸電線所存在的避雷線保護(hù)角。這是因?yàn)樵谝话闱闆r下而言，如果先導(dǎo)對地面物體的感應(yīng)場強(qiáng)變大的話，避雷線將會(huì)更加容易的被雷電擊中。但是如果下行先導(dǎo)的屬性改變的話，就會(huì)出現(xiàn)其他的情況，雷電就會(huì)不擊中輸電線而擊中地面，這個(gè)時(shí)候繞擊就很難在出現(xiàn)了。所以說對于某個(gè)特定范圍內(nèi)的雷電流，是存在著某個(gè)臨界屏蔽保護(hù)角的，這個(gè)避雷線保護(hù)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(qū)的地形為丘陵或者是山區(qū)的話，那么當(dāng)?shù)乩@擊率的值就會(huì)偏大，如果當(dāng)?shù)氐牡匦螢槠皆脑?，那么繞擊率的值就會(huì)偏??；所以說，如果存在長度很長的輸電線路時(shí)，一旦它既穿過平原地區(qū)又穿過丘陵地區(qū)，那么屬于這兩個(gè)地區(qū)線路的繞擊率則是不相同的，所以地面傾角的數(shù)值也是影響某一個(gè)地區(qū)雷擊選擇性的重要因素。

最后，桿塔周圍土壤電阻率也會(huì)影響繞擊屏蔽性能，這是因?yàn)槔讚魠^(qū)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的，根據(jù)多年來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一旦某個(gè)地區(qū)出現(xiàn)了土壤表面電阻率散布不平均的情況，那么在數(shù)值比較小的那部分區(qū)域就會(huì)有較大的可能被雷擊，并且近幾年的研究也證明了這一點(diǎn)；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(qū)域就會(huì)聚集大部分的電荷，進(jìn)而雷電也就會(huì)被吸引過去。

4　總結(jié)

本文主要論證了輸電線路雷擊選擇性的問題，可以進(jìn)一步的為相應(yīng)的施工設(shè)計(jì)提供具體的實(shí)施指導(dǎo)。上文通過對多種概念的分別論述，可以基本認(rèn)為決定輸電線路繞擊耐雷能力的要素為避雷線保護(hù)角、地面傾角以及桿塔高度；同時(shí)上文還對輸電線的經(jīng)典電氣幾何計(jì)算模型進(jìn)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(jìn)行了研究。此外不可忽視的是，上文對于擊距系數(shù)這個(gè)概念的介紹也是十分重要的，擊距系數(shù)可以直觀科學(xué)的描述雷電先導(dǎo)的屬性，還可以進(jìn)一步的區(qū)分導(dǎo)線與地面的擊穿強(qiáng)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(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)論述的，但是對于目前的技術(shù)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(jìn)一步驗(yàn)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(hù)區(qū)域內(nèi)的安全用電。