輸電線路防繞擊避雷針的電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：隨著時(shí)代不斷發(fā)展，輸電線路的電壓不斷升高，傳統(tǒng)的避雷針逐漸滿足不了當(dāng)前的需求，因此，輸電線路防繞擊避雷針的電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)成為當(dāng)前設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)。防繞擊避雷針屬于地線避雷針，利用自身針尖的絕緣帽與針體串聯(lián)小氣隙，能有效防止雷電繞擊導(dǎo)線，降低雷擊事故的發(fā)生幾率，避免安全事故。

關(guān)鍵詞：輸電線路;防繞擊避雷針;電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、普通避雷針引雷機(jī)理分析

由于雷云對(duì)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。

通過上述空間電荷對(duì)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。

二、防繞擊避雷針針尖的絕緣帽避雷分析

想要增加避雷針針尖處的電荷密度，應(yīng)做到以下兩點(diǎn)：①增加避雷針本身的高度;②根據(jù)相關(guān)的電介質(zhì)計(jì)劃理論，使偶極子電介質(zhì)受電場作用影響，做規(guī)律的定向移動(dòng)，并使電場有序進(jìn)行排列，介質(zhì)的表面產(chǎn)生電荷呈現(xiàn)極性。受極化影響，附加電荷在電極上較多，并與電極原有的電荷極性相同，利用增大電荷密度，增強(qiáng)電場的強(qiáng)度，因此，在避雷針針尖處安裝絕緣帽能有效增強(qiáng)避雷針的引雷能力。絕緣帽的安裝，防止避雷針針尖附近的空間電荷進(jìn)入避雷針內(nèi)，從而避免電荷消失。受雷云自身的作用影響，避雷針針尖處的電荷強(qiáng)度最大，并隨著雷云的下行先導(dǎo)向地面延伸，使避雷針針尖處電荷不斷增強(qiáng)，當(dāng)雷云的同極電荷與局部空間電離出的電荷同時(shí)被絕緣帽阻隔時(shí)，使電荷其緊貼避雷針的絕緣帽外部，并避免電荷通過避雷針流入大地。當(dāng)避雷針戴有絕緣帽時(shí)，避雷針尖端的電場強(qiáng)度不斷升高，并始終大于未戴絕緣帽的避雷針電場強(qiáng)度，使得電離現(xiàn)象不斷發(fā)生，形成導(dǎo)電性好、密度大的區(qū)域，最終形成由避雷針向上發(fā)展的迎面先導(dǎo)，其作用與提升避雷針本身的高度相同，從而增強(qiáng)避雷針的避雷效果。

三、防繞擊避雷針針體串聯(lián)小氣隙避雷分析

當(dāng)天空出現(xiàn)雷云時(shí)，地面與雷云之間形成電場，該電場強(qiáng)度可高達(dá)5kV/m，并使電場內(nèi)的部分金屬物體或建筑物出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。當(dāng)下行先導(dǎo)在雷云內(nèi)部形成時(shí)，雷擊放電過程開始。下行先導(dǎo)電荷首先向地面移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中呈階梯式規(guī)律，并使自身所攜帶的電荷與地面形成電場，與此同時(shí)，地面的部分金屬物或建筑物產(chǎn)生上行的先導(dǎo)電荷，并不斷向上移動(dòng)，最終，與下行先導(dǎo)電荷會(huì)合，當(dāng)兩個(gè)先導(dǎo)電荷會(huì)合時(shí)，閃電電流將流過二者形成的通道。在地面產(chǎn)生上行先導(dǎo)過程中，可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)上行先導(dǎo)電荷，但第一個(gè)與下行先導(dǎo)會(huì)合的上行先導(dǎo)決定了雷擊位置。輸電線路防繞擊避雷針本體串聯(lián)小空氣間隙，在雷云先導(dǎo)通道運(yùn)行過程中，避雷針串聯(lián)的小間隙相當(dāng)電容的存在，并在小間隙自身的兩極積累電荷，當(dāng)場強(qiáng)超過極限值時(shí)，將擊穿小間隙，導(dǎo)致小間隙開始放電，電荷在一定的作用下，與避雷針針尖處的電荷會(huì)合，同時(shí)向上發(fā)展，從而形成迎面上行先導(dǎo)，從而增大小間隙避雷針的引雷能力。

四、相關(guān)電氣試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)物品

在試驗(yàn)前，應(yīng)準(zhǔn)備普通避雷針、串聯(lián)小氣隙避雷針、安裝絕緣帽避雷針以及串聯(lián)小氣隙同時(shí)安裝絕緣帽的避雷針。

4.2試驗(yàn)原理

在試驗(yàn)過程中，將避雷針針尖與試驗(yàn)雷云板的空氣間隙設(shè)置為1m，利用操作沖擊波與雷電沖擊波，設(shè)置氣隙的臨界擊穿電壓與超過臨界值的擊穿電壓，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與此同時(shí)，為避免云板對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性產(chǎn)生影響，應(yīng)將云板位置與試驗(yàn)品的位置進(jìn)行調(diào)換，從而將影響因素降到最低，其試驗(yàn)原理如圖2所示。

4.3試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)過程中，通過對(duì)電壓值重復(fù)試驗(yàn)，能測量出空氣間隙操作波1.7m與1m的雷電波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，輸電線路防繞擊避雷針針尖戴上絕緣帽與避雷針本體串聯(lián)小間隙的避雷針的引雷能力值，試驗(yàn)布置如圖3所示。

4.4試驗(yàn)結(jié)果

通過上述試驗(yàn)結(jié)果，能有效證明輸電線路防繞擊避雷針針尖戴上絕緣帽與避雷針本體串聯(lián)小間隙能有效提升避雷針的引雷能力。當(dāng)避雷針與云層之間的電壓達(dá)到臨界值時(shí)，沒有串聯(lián)間隙和戴絕緣帽的避雷針引雷能力明顯小于串聯(lián)間隙和戴絕緣帽的避雷針，同時(shí)隨著沖擊放電電壓的不斷增大，串聯(lián)間隙和戴絕緣帽的避雷針引雷能力不斷提升，由此可知，在更高電壓的環(huán)境下，該避雷針的作用效果更好。

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梁興平（1990.08.29），男，福建長汀，漢，大學(xué)本科，工程師，高壓線路帶電檢修工，研究方向：輸電線路運(yùn)檢。