摘 要：为了评估在220kV输电线路地线上安装防绕击避雷针后的防雷效果，文章提出了3D的电气几何模型（EGM）来计算防绕击避雷针对导线的保护距离，以及加装防绕击避雷针后对线路耐雷性能的改善情况。对220kV典型杆塔（ZM1）的计算结果表明：防绕击避雷针可以起到一定的绕击保护作用。

关键词：输电线路；防绕击避雷针；效果

1 概述

在我国，输电线路纵横交错，线路走廊大多在山区，线路受雷电绕击而跳闸的次数越来越多。正在建设的特高压线路中，线路防护的主要工作是雷电绕击的防护，地线的保护角是影响线路绕击的跳闸率的重要因素，保护角越小，跳闸率越小。对已建成的输电线路来说，保护角已经固定，目前一种使用较多的防绕击措施是在地线上加装防绕击避雷针以提高地线对导线的屏蔽能力。由于避雷针的针杆长度一般只有0.2到0.6米，所以其保护范围有限，在实际工程中尚无足够的运行经验可以证明其有效性。因此，本文对防绕击避雷针的防雷效果进行分析，具有一定实际意义。

2 防绕击避雷针的结构和保护原理

防绕击避雷针是一种安装在输电线路地线上的金属针。一般都是间隔一定距离的，尖端的朝向是杆塔附近的地线，增加地线的引雷作用。一般在距离杆塔15m和30m处的地线上各安装1根防绕击避雷针，每基塔共安装8根[3]。

如图1所示，防绕击避雷针的主要结构是头部的1根0.2～0.4m长的针杆，以及位于其尾部的平衡球和防震锤头、套管、线夹等组成。

当输电线路受到雷击时，防绕击避雷针的尖端引雷作用将原本会绕击导线的雷电引至地线，然后通过杆塔将雷电流泄入大地。它的保护原理与将地线往外平移1个铁杆长度的距离类似，从而减小下方导线地线保护角，以此降低跳闸频率。

3 仿真模型与计算方法

二维平面计算模型是传统的电气几何模型，它仅仅能模拟线路在平面上绕击保护情况，却无法对立体屏蔽的效果进行分析。本文提出三维立体的电气几何模型，对防绕击避雷针的保护范围进行建模计算，建模方法如下：

击距理论是EGM的核心，本文采用IEEE推荐的击距公式[4]

rs=10I0.65 （3-1）

式中，rs为雷电对导线的击距，m；I为雷电流的幅值，kA。

如图3所示，弧AB，BC、CD是位于防绕击避雷针的二维平面上的，通过对击距的理论分析，弧AB、CD为该地线和大地的屏蔽弧，此处雷电先导优先对地线和大地放电，导线处于屏蔽的保护中；弧BC为雷电先导，是该导线的暴露弧，直接对导线进行放电，形成绕击。N和P是地线和导线上的某一点。沿档距方向将弧BC平移扩充则形成图中的曲面BCEF，此曲面是導线屏蔽系统下的三维绕击暴露曲面。同样通过对击距的理论分析，可知防绕击避雷针的放电在尖端上发生，其击距曲面用针尖O为球心、击距rs为半径的球面来表示。

根据击距理论，当导线的暴露曲面BCEF位于防绕击避雷针的屏蔽球O内时，雷电会先对防绕击避雷针放电而不会绕击导线，防绕击避雷针可以屏蔽保护位于球内的导线暴露曲面。防绕击避雷针弥补了地线保护的不足之处，实现了对绕击的全保护。

通过上面的分析可知，对于某一雷电流幅值I，若导线上P点的弧BC都在球O之内，则表明P点处线路受到了防绕击避雷针的保护。为了计算防绕击避雷针之间的保护距离，先暂时固定位置，再增加P点和防绕击避雷针之间的距离，直到球O不能完全屏蔽P处暴露弧为止，这时P点和防绕击避雷针之间的距离就是在雷电流幅值下的防绕击避雷针最大保护距离lmax。在该距离lmax内，线路因受到防绕击避雷针的完全屏蔽而不会发生绕击。

当雷电流发生变化时，雷电流的击距rs也随着改变，导致防绕击避雷针的屏蔽球O和导线的暴露弧面BCEF的半径及相对位置发生变化，所以还应计算不同雷电流幅值I下防绕击避雷针的保护距离。对于某条具体线路，只有幅值介于耐雷水平Imin（由线路的绝缘水平决定）与最大可绕击电流Imax（由地线保护角α和杆塔呼称高度h决定）之间的雷电流才会绕击导线。因此，为求得防绕击避雷针的保护距离，首先应计算雷电流在[Imin，Imax]区间内时不同的雷电流幅值I 所对应的防绕击避雷针的最大保护距离lmax；然后将计算结果按照雷电流幅值的分布概率进行加权平均，得到最终的防绕击避雷针的有效保护距离L，具体计算流程如图4所示。

4 220kV输电线路加装防绕击避雷针后保护效果分析

为分析防绕击避雷针的保护效果，本文采用220kV单回输电线路中常见的ZMT1猫头型直线杆塔进行计算，ZMT1型单回直线杆塔上导线和地线的相对位置和杆塔具体参数[5]如图5、表1所示。

ZMT1型杆塔导线为三角形布置，一般只有边相导线会发生绕击。文献[6]采用小规模试验法对220kV输电线路的ZMT1杆塔进行了防雷性能研究，结果显示绕击危险区域（绕击可能性比较高的区域）位于距离杆塔7～20m的范围内。

为了有效地降低线路绕击跳闸率，在架设防绕击避雷针的时候，要把保护范围覆盖到所有的危险区域。本文上述仿真模型和计算方法对ZMT1杆塔上的防绕击避雷针的保护距离进行了计算，得出了完全屏蔽绕击危险区域所需要的防绕击避雷针的最少个数，计算时取防绕击避雷针的针杆长度为0.2m，线路的绝缘水平依照规程[7][8]进行选取。

本文中采用MATLAB编程计算。

从表2可以看出，在220kV线路ZMT1杆塔的地线上，1根防绕击避雷针（针杆长度为0.2m）的保护距离为2.02m，此结果与文献[9]根据小规模试验所得出的保护距离2.15十分接近。而220kV线路危险区域为距离杆塔7～20m处，危险区长度为13m，所以在220kV线路ZMT1杆塔两侧的每根避雷线上，间隔4.04m共安装4根防绕击避雷针，就可以完全屏蔽在距杆塔7～20m范围内的绕击危险区域，即每基ZMT1杆塔两侧地线上共需安装16根防绕击避雷针。

显然，如果安装16根防绕击避雷针，则其成本和施工量都是巨大的，对地线的机械性能也会产生负面影响。现实的220kV输电线路常用标准是在地线上距离杆塔7～20m处等距安装2根防绕击避雷针，即每基杆塔安装8根防绕击避雷针，本文计算了安装8根防绕击避雷针后线路绕击跳闸率的改善情况。计算中假设两基杆塔内百分之五十的绕击事故发生在位于杆塔两侧的绕击危险区域内。

从计算结果可以看出，220kV线路ZMT1杆塔在安装8根0.2m长的防绕击避雷针后，绕击跳闸率只有0.074，降低了31.1%，说明防绕击避雷针可以起到一定降低输电线路绕击跳闸率的作用。

5 结束语

对单回220kV输电线路典型杆塔的计算结果表明，在输电线路的绕击危险区域内安装防绕击避雷针可以起到一定的绕击保护作用。由于受到防绕击避雷针的尺寸限制，单根防绕击避雷的保护距离太小，防绕击避雷针的绕击保护效果比较依赖于在地线上的安装个数。每基220kV线路ZMT1杆塔两侧至少需要安装16根0.2m的防绕击避雷针才能完全屏蔽绕击危险区域，当安装数量不足时，防绕击避雷针则无法成功屏蔽绕击的危险区域，对线路绕击跳闸率的作用效果甚微。

参考文献

[1]王志勇，余占清，李雨，等.减小地线保护角对改善线路防雷性能的效果[J].高电压技术，2011，37（3）：622-628.

[2]林瓏，肖鱼.规程法在计算输电线路雷击跳闸率中的应用[J].实用科技，2011：248.

[3]寻凯.架空线路防绕击避雷针实用化技术[J].高电压技术，2008，34（6）：1301-1305.

[4]Transmission and Distribution Committee of the IEEE Power Engineering Society.IEEE guide for improving the lightning performance of transmission lines[M].New York，USA：The Institude of Electrical and Electronics Engineers Inc，1997.

[5]刘振亚.国家电网公司输变电工程典型设计[M].北京：中国电力出版社，2005：29-59.

[6]钱冠军，王晓瑜，徐先芝，等.沿输电线路档距方向绕击概率的变化[J].高电压技术，1999，25（1）：23-25.

[7]DL/T 620-1997.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].1997.

[8]DL/T 5092-1999.110～500kV架空送电线路设计技术规程[S].1999.

[9]郭秀慧，李志强，钱冠军.输电线路绕击防护的新措施[J].高电压技术，2005，31（7）：37-41.

作者简介：刘阳（1989，12-），男，汉族，湖北宜昌，助理工程师，大学本科，国网安徽省电力公司枞阳县供电公司，研究方向：输电线路。