对输电线路引雷分析及防雷措施探究

2011-10-08颜泽瑜

中国新技术新产品 2011年24期

颜泽瑜

（重庆市垫江县供电有限责任公司，重庆 408300）

引言

随着经济的发展,对输电线路供电可靠性的要求越来越高。同时伴随着电网的发展,雷击输电线路引起的跳闸、停电事故绝对值也日益增多。雷害事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占有很大的比重。特别是伴随着科学技术的发展，开关和二次保护的产生，电力系统内部过电压的降低及其导致的事故的减少，雷击引起的线路跳闸事故占据日益主要的地位，不仅影响线路、设备的正常运行，而且极大地影响了日常的生产、生活。线路的雷击事故在电力系统总的雷电事故中占有很大的比重。据统计，因雷击线路造成的跳闸事故占电网总事故的 60%以上。输电线路防雷保护的目的就是尽可能减少线路雷害事故的次数和损失。

1 普通避雷针引雷机理分析

由于雷云对地放电发生前，雷云和地面之间所形成的电场，基本上是直流静电场。在雷云先导通道发展过程中若把雷云看成一个电极的话。那就是直流电压作用下的长间隙放电。

在雷云电场作用下，金属避雷针尖端附近的电场强度最强，局部空间电离产生的与雷云同极性的电荷通过避雷针入地，与雷云异极性的电荷向雷云方向运动，在避雷针上方形成与避雷针同极性的空间电荷层，这些空间电荷将使避雷针尖端附近的场强降低。使电离减弱甚至停止；待与避雷针同极性的空间电荷逐渐散失，针尖处的场强恢复达到电离的强度又产生电离，如此循环。但总的来说，电离较少，空间电荷数量有限，使空间电荷层外的场强增加有限，电离区的扩展较小，故引雷作用较小。

图1 避雷针尖端处有负空间电荷存在时的电场分布

通过上述空间电荷对电场畸变作用的分析，我们可以设想，当避雷针尖端的高场强区电离出来的与雷云同极性空间电荷不能很快消失时，空间电荷产生的附加电场将进一步增强针尖附近的电场强度，图1所示为当雷云电场为负极性时，避雷针尖端处有负空间电荷存在时的电场分布。高场强电离或强场放射的作用易于在避雷针尖端形成上行先导，从而加强避雷针的引雷作用，其保护范围也将加大。

2 针尖戴上绝缘帽提高避雷针引雷能力的机理分析

很显然，针头附近的电荷密度越大，对雷云电场的畸变强度就越强，其引雷的空间就越大，即保护范围扩大。要做到这一点，除了增加避雷针的高度外，根据固体电介质的极化理论，由偶极子构成的电介质在电场的作用下定向运动，按电场方向有序排列使介质表面产生束缚电荷，呈现出极性。由于极化，在电极上具有较多的附加电荷，由于该附加电荷与电极上原有电荷的极性相同，故使电荷密度增大，电场强度增强。为此，在避雷针针头上加装具有强极性的绝缘套管以增加引雷能力。

同时，给避雷针套上一个绝缘帽可以避免避雷针尖端附近产生的空间电荷进入针体而消失。在雷云的作用下，避雷针尖端附近的电场强度仍是最强。随着雷云的下行先导向地面延伸，避雷针尖端附近电场得到加强，局部空间电离出来的与雷云同极性的电荷被绝缘帽阻隔，不能通过避雷针入地，而只能紧贴于绝缘帽外表面或其附近的局部空间。这些与避雷针异极性电荷的存在加强了避雷针尖端附近电场强度。所以避雷针戴有绝缘帽时，尖端附近的电场强度总是比普通避雷针尖端附近的电场强度强。这就使电离不断产生，形成密度很大、导电性好的区域，使空间电荷区外的场强增强，电离空间不断扩展，导电性好的区域不断扩大，并形成由避雷针向上发展的迎面先导，其作用相当于将避雷针高度升高。

3 在针体串联小气隙提高避雷针引雷能力的机理分析

当雷电云层形成时，云层与地面之间产生一个电场，此电场强度可达到5kV／m，从而使地面凸起部分或金属部件上开始出现电晕放电。当雷电云层内部形成一个下行先导时，雷击放电过程便开始了。下行先导电荷以阶梯形式向地面移动，其携带的电荷使地面建立起来了电场。此时，从地面上的建筑物或物体产生了一个上行的先导，此上行先导向上传播一直到与下行先导会合。此时，闪电电流便流过所形成的通道。地面上的其他建筑物可能会生成好几个上行先导，与下行先导会合的第一个上行先导决定了雷击点的位置。在输电线路防绕击避雷针本体串联小空气间隙，在雷云的先导通道向下发展过程中，由于气隙的存在相当于在避雷针上串联了一个电容。在足够高的雷云场强下，小气隙两极能够积累电荷。当场强超过小气隙的击穿场强时将小气隙击穿，小气隙开始放电，放电电荷在热动力作用下上升，与针尖的高场强处新电离出的电荷一起向上发展，易于形成迎面上行先导，使有小气隙避雷针的引雷能力大大增加。