架空输电线路防雷分析

马旭东

（甘肃省电力公司嘉峪关、酒泉供电公司，甘肃 酒泉735000）

0 引言

雷电放电是雷云对大地、雷云之间或雷云内部的放电现象。在地球上，平均每天约发生800万次雷击。对电力系统而言，雷击成为引起线路跳闸故障的主要原因之一，严重影响到输电线路的运行安全。

1 雷电及其主要参数

1.1 雷电概述

雷电放电通道主要是线状的，有时在云层中能见到片状雷电，个别极为罕见的情况下会出现球状雷电。雷云与地之间的线状雷电可能从雷云向下开始，叫下行雷。下行雷又可分为正下行雷与负下行雷。最常见的是带负电的雷云向下放电即线状的负下行雷。雷云中电荷密集处的电场强度达到2 500～3 000 k V／k m时，将首先出现向下发展的放电，这种放电称为先导放电。先导每极发展的速度约为107m／s，延续时间约为1μs，总的平均速度为（1～8）×105m／s。

雷电发生时，雷电的先导会靠近地面，对地面上相对比较突出的物体释放电能，这种情况称为迎面先导。雷电在这个阶段一般有多个迎面先导，如果其中一个刚好与另外一个迎面先导汇合，剧烈的中和现象就会发生。中和现象产生的电流很大，可达到几十或几百千安。中和现象也会导致雷鸣和闪电的发生。这个过程成为雷电过程的主放电阶段，主放电阶段存续的时间很短，大概在50～100μs。在雷电的发展过程中，天空中会出现多个雷电中心区域。当其中一个中心区域放电结束后，其他的雷电中心也会相继发生放电过程。所以，我们见到的雷电通常都是连续的，间隔一定的时间就会发生一次，这个时间平均在60 ms左右，一般会发生2～3次，最多的也可能达到30次以上。

1.2 雷电主要参数

1.2.1 雷电波形

人们观测到的雷云对地放电的电流波形一般是单极性的脉冲波，也有少数的波形是负脉冲。这种脉冲波具有重复性的特点。雷云对地的放电过程一般包括3个阶段：先导放电阶段、主放电阶段和后续放电阶段。雷电流波形如图1所示，典型的雷电流波形通常用双指数来描述。

图1 雷电流波形

1.2.2 主放电通道的波阻抗

在计算雷电主放电通道波阻抗的时候，要考虑到雷电放电通道电流的影响。主放电通道雷电流越大，则主放电通道的波阻抗越小。波阻抗的变化范围一般在300～3 000Ω。在实际的雷云对地放电过程中，主放电就是通过具有一定波阻抗的先导放电通道发生。

1.2.3 重复放电次数

每一个单独的雷云，经常由多个电荷密集区域构成。在每一次雷云的放电过程中，电荷密集区会影响到雷云放电脉冲的数量，会形成多场放电过程，这种现象被称为重复放电。相关数据显示，在5 000次雷电过程中，重复放电的次数一般为3～4次，也有达到40次的。重复放电的间隔时间一般在30～50 ms，最短的是15 ms，最长的可以达到700 ms。

2 架空输电线路上的雷击过电压

架空输电线路中常见的过电压有以下2种：（1）架空线路上的感应过电压，即雷击发生在架空线路的附近，通过电磁感应在输电线路上产生的过电压；（2）直击雷过电压，即雷电直接打在避雷线或是导线上时产生的过电压。雷击输电线路的过电压原理如图2所示。

图2 雷击输电线路过电压

在雷云形成的感应雷对三相交流架空输电线路附近的大地进行放电时，在输电线上会出现数值很大的雷击感应过电压。雷击感应过电压的产生会经历如下几个阶段：在雷云对地放电的先导阶段，空间中沿着放电通道会聚集大量的电荷，这样在高压输电线上就会发生静电感应现象。这时，输电线上会出现与先导放电通道附近聚集的电荷极性相反的正电荷。而由于电荷的排斥作用，输电线上的负电荷会被排斥到输电线的另外一端。雷云放电的先导阶段需要较长的时间，这个阶段输电线中的电流很小。因为电力系统中中性点的设置和泄露电阻的影响，如果不考虑额定电压，输电线路上的电位为0。根据上述说明可知，假设雷云先导放电通道附近的电荷电场在输电线上感应出的电位是－U，那么输电线上的自身电荷电场必然在输电线上获得＋U的电位。这样，2部分电位大小相等，极性相反，在输电线上的任意点上进行叠加。所以，在雷云放电的先导阶段，输电线上的电位为0。

雷云放电的主放电阶段发生在雷击大地之后，在先导阶段聚集的空间电荷被释放掉。因为先导放电阶段的电荷不可能全部被瞬间释放，输电线上产生的感应电荷也不可能立即转换成自由电荷。输电线上此时的电位主要由刚被释放的电荷所决定，大小为＋U。输电线上电荷随着雷电主放电的推进被逐渐释放。此时的输电线路上的静电感应过电压也要相应减小。根据电荷在输电线上对称流动的原理，释放的束缚电荷会沿着输电线向两端运动。电荷的运动产生的电流与输电线的波阻抗会形成感应过电压。如果主放电过程被瞬时完成，产生的电流会很大，在输电线路周围会产生极强的时变电磁场，从而导致极大瞬时高压的产生。当然因为能量很难被瞬间释放，所以这种情况出现的可能性很小。

3 架空输电线路的防雷措施

输电线路防雷第一道防线是通过采用避雷线、避雷针或者将输电线改成电力电缆的方法避免输电线受到直击雷的影响；第二道防线是通过提高输电线路的抗雷击水平或输电线路绝缘等措施减少或消除雷电击中输电杆塔顶部或避雷线上是产生的闪络现象；第三道防线是通过降低输电线路上绝缘的工频电场强度的方法抑制输电线路绝缘闪络转化成拉弧的可能性，进而降低雷击输电线的跳闸率，也可以采用中性点不直接接地的方法进行削弱；第四道防线是通过环网供电方式并装设自动重合闸的方法使电力系统供电得以持续，提高供电可靠性。

3.1 塔顶斜拉线和耦合地线防雷

如果输电线路杆塔的机械强度能够承受，可以在输电线路的下方架设耦合地线，以降低输电线路绝缘子上的电压强度，进而增加输电线路抗雷云放电的能力。耦合地线会使杆塔分担雷电流的能力增强，从而可降低杆塔顶部的电位，也可减小输电线上的感应电压。在地形复杂的地方，还可以起到防绕击雷的作用。

在杆塔顶部架设斜拉线的方式也可以在一定程度上提高输电线路的防雷水平。跟耦合地线的作用相似，斜拉线也可以起到耦合和分担雷电流的作用。在地势平坦的地方也可以在一定程度上防雷电绕击。

3.2 线路避雷器防雷

避雷器在实践中应用较广泛，其原理主要是通过避雷器本体的非线性的伏秒特性曲线防雷。在雷电冲击到来时，避雷器被导通，雷电流和过电压能量大部分都可以通过避雷器向大地泄放，也可以通过与输电线路绝缘子的绝缘配合限制雷电过电压水平，起到保护输电线路设备的作用。

4 结语

总之，设计架空输电线路时，应充分关注防雷保护的重要性，特别是对耐张塔和转角塔也要专门研究、精心设计，务必使其具有较少的保护角。对于山区，因地形影响（山坡、峡谷），避雷线宜采用负保护角，或者架设耦合地线、装设线路避雷器等。

［1］杜永平，李加存.220 k V变电站进线防雷措施的完善［J］.安徽电力，2007（4）：48～51