论文部分内容阅读
摘 要：近年来，雷击一直是输电线路发生跳闸故障的首要原因之一，然而，由于雷电活动规律及线路防雷问题的复杂性，线路防雷工作仍然十分艰巨，而绕击雷是220kV以上输电线路雷击跳闸的主要原因。在分析直击雷过电压和绕击雷过电压的基础上，以电气几何模型法对超高压输电线路绕击雷进行分析，并对山区杆塔绕击多和中相导线绕击等问题进行探讨。对于超高压输电线路的防雷具有基础指导作用，有利于超高压输电线路的可靠运行。
关键词：反击 绕击 过电压 电气几何模型
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）012-023-02
架空输电线路的距离往往很长，通过各种复杂得地形和气候区域，终年暴露于自然环境中，极易受到各种恶劣天气条件下的影响，特别是被雷电击中的非常频繁。
避雷线是超高压输电线路最基本的防雷措施，具有以下特点：（1）防止雷电直接击中输电线；（2）雷电击中杆塔顶部时，对雷电流具有分流的作用，可以使流入杆塔的雷电流减少，并降低杆塔顶部的电位；（3）可以耦合输电线，减小雷电击中杆塔时塔头绝缘的电压；（4）可以屏蔽输电线，减小输电线上的感应过电压。
根据江西省2010-2011年输电线路雷击跳闸情况统计，110kV线路发生反击引起跳闸83起，绕击引起跳闸22起，绕击比重为21%；220kV线路发生反击引起跳闸14起，绕击引起跳闸32起，绕击比重为70%；500kV线路反击引起跳闸0起，绕击引起跳闸9起，绕击比重为100%。可看出绕击是220kV及以上输电线路跳闸的主要原因。
1雷击过电压
根据雷电过电压形成的物理过程，可以分为两种类型：一种是直接雷击过电压，雷电直接击中杆塔、避雷线或输电线引起的过电压；另一种是感应雷电过电压，雷电击中输电线路附近大地，因为电磁感应效应在输电线路上产生的过电压。
按照雷电击中输电线路的不同部位，直击雷过电压可以分为两种：一种是雷电击中输电线路杆塔或避雷线时，雷电电流通过雷电击中点的阻抗使得该点对地的电位大大增加，当雷电击中点与输电线路之间的电压超过绝缘的冲击放电电压时，会导致对输电线闪络，使得导线上形成过电压。因为避雷线或杆塔上的电位高于输电线上的电压，所以通常被称为反击；另外一种是雷电直接击中输电线（无避雷线）或者绕过避雷线（屏蔽失灵）击中输电线，造成输电线上形成过电压，通常称为绕击。反击和绕击如图1所示。
1.1反击过电压
在雷电击中塔顶的先导放电阶段，导线、避雷线和杆塔上都会感应出带异性电的束缚电荷。在主放电阶段，先导通道中的负电荷与杆塔、避雷线及大地中的正电荷迅速复合，形成雷电冲击电流。此时，一方面负极性的雷电冲击波沿着杆塔向下和沿避雷线向两侧传播，使塔顶电位不断升高，并通过电磁耦合使导线电位发生变化；另一方面由塔顶向雷云迅速发展的正极性雷电波，引起空间电磁场的迅速变化，又使输电线上出现正极性的感应雷电波。作用在线路绝缘子串上的电压为横担高度处杆塔电位与导线电位之差。这一电压一旦超过绝缘子串的冲击放电电压，反击就会发生。
1.2 绕击过电压
绕击雷过电压原理图如图2所示。不考虑避雷线和输电线间的耦合作用以及杆塔接地的影响，从A点看，雷击放电可以等值为幅值等于I/2的雷电流波，或幅值等于U0=IZ0/2的雷电压波，沿波阻抗为Z0的雷电通道传播到达A点。设输电线为无限长，即不考虑输电线远端返回A点的反射波，则根据彼德逊法则，可以得到电流源等值电路。其中ZC/2为导线的等值波阻抗，即A点两侧导线波阻抗ZC的并联值。
按图3的绕击雷过电压等值电路可求得雷击点A的电位为：
2 电气几何模型法绕击分析及绕击相关问题探讨
2.1 用电气几何模型法分析绕击
超高压线路绝缘水平很高，雷电击中避雷线或塔顶发生反击闪络的可能性较低；超高压高塔高达60～100m，绕击的可能性更大。前苏联特高压线路的运行经验表明，雷击跳闸是线路跳闸的主要原因。在1985～1994 年10 年期间，雷击跳闸高达16次，占总跳闸次数的84%。而雷击跳闸的主要原因是雷直接绕击于导线，主要原因是地线保护角 过大（ > 20€？ 。我国超高压工程的导、地线之间的水平偏移按1m考虑。在平丘地形考虑直线塔（猫头塔）地线保护角<5€埃谏角悸侵毕咚ň票┑叵弑；そ俏？5€啊A礁叵叩木嗬氩怀邢嗟枷呔嗬氲叵叩？倍。
图4 绕击的电气几何模型
绕击的电气几何模型如图4所示。分别以避雷线和导线为圆心，以击距为半径作两个圆弧，这两个圆弧交于F点；再在离地面高度为brs处作一水平线与以D为圆心的弧交于G点。由圆弧C1、C2和直线C3在沿线路方向形成一个曲面，此曲面叫做定位曲面。在雷电流为I的先导未到定位曲面之前，其发展不受地面物体的影响。若I的先导落在C1弧面上，则雷击避雷线；若落在C2弧面上，则雷绕击于导线上；若落在C3面上，则雷击大地。因此C2称为绕击暴露面。为考虑避雷针、避雷线或大地的系数，Mousa给出避雷线或大地的b为1，对避雷针的b为1.2。绕击雷不同的雷电流幅值对应不同的rs，所以可以做出一系列的定位曲面和绕击面来。可以证明，F点的轨迹为导线与避雷线连线的垂直平分线（即图中的直线EK），而G点的轨迹则为一抛物线（即图中的曲线HGK）。中垂线EK与抛物线HGK所包围的区域为绕击区。随着I的增大，C2弧段逐渐减小，当雷电流幅值增大到Ik时，C2弧段缩减为零，即此时已不可能发生绕击。相当于Ik的击距为临界击距rsk。
只有当雷电流大于线路绕击耐雷水平I2时才会闪络，与I2相对应的击距叫允许击距rsy，如果在某一保护角下，满足rsy≥rsk，则不会发生绕击闪络，这种情况称为有效屏蔽。若rsy （1）山区的杆塔绕击更多的原因分析。
对于同一杆塔结构，绕击率会因为地面倾角的不同而改变，架设在山坡上的线路更容易遭受雷击。由于雷电的概率密度最大值出现在与地面的垂直线上，故当地面倾角为 ，地线保护角为 时，下山坡侧的地线有效保护角应为 + ，上山坡侧的地线有效保护角应为 - 。
（2）中相导线被绕击问题探讨。
当避雷线的保护角过小时，有人担心：两避雷线之间的间距拉得过开，雷电会不会从中间“漏”进去，绕击三相导线的中间相。从EGM可以很容易分析：可能会有雷电流会绕击中相，但能够引起绕击闪络的雷电流则不会。220kV的绕击耐雷水平一般大于10kA，根据击距公式，5kA的雷电流对应的击距是22.8m，双避雷线的间距要大于45.6m，5kA的雷电流才能“漏”进去。因此，从防止绕击的角度的看，避雷线的保护角应尽可能小，会好是负保护角。
（3）反击和绕击区分。
当雷电流较小时，无论是落在避雷线上还是导线上，均不会引起跳闸事故；随着电流幅值的提高，若雷绕击于导线上，会引起闪络跳闸；当电流幅值进一步升高，达到一定程度时，雷一般不会绕击导线，但若雷击避雷线或杆塔，会引起反击跳闸事故。根据统计，对于220kV输电线路，绕击雷电流为10kA到40kA，反击雷电流大于75kA；对于500kV输电线路，绕击雷电流为20kA到50kA，反击雷电流大于125kA。
3 结论
本文探析了雷击220kV以上输电线路的过电压问题，了解和掌握了绕击雷活动规律、雷击杆塔的物理过程、输电线路防绕击雷措施的机理。对于进一步深入研究线路设防标准与雷击故障率、各类防雷设施与雷击故障率的定量关系做了基础性研究。如果使这些知识能在线路设计、运行维护中得到应用，对提高线路的可靠运行将具有重要的现实意义。
参考文献：
[1] 张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合[M].北京：清华大学出版社，2002.
[2] 谷定燮，周沛洪，戴敏，等.1000kV交流输电工程防雷保护研究[J].高电压技术，2006，32（12）.
[3] 余建华，黄小晃.江西省雷电灾害分析及防雷减灾对策[J].中国雷电与防护网络班，2004（3）.
关键词：反击 绕击 过电压 电气几何模型
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）012-023-02
架空输电线路的距离往往很长，通过各种复杂得地形和气候区域，终年暴露于自然环境中，极易受到各种恶劣天气条件下的影响，特别是被雷电击中的非常频繁。
避雷线是超高压输电线路最基本的防雷措施，具有以下特点：（1）防止雷电直接击中输电线；（2）雷电击中杆塔顶部时，对雷电流具有分流的作用，可以使流入杆塔的雷电流减少，并降低杆塔顶部的电位；（3）可以耦合输电线，减小雷电击中杆塔时塔头绝缘的电压；（4）可以屏蔽输电线，减小输电线上的感应过电压。
根据江西省2010-2011年输电线路雷击跳闸情况统计，110kV线路发生反击引起跳闸83起，绕击引起跳闸22起，绕击比重为21%；220kV线路发生反击引起跳闸14起，绕击引起跳闸32起，绕击比重为70%；500kV线路反击引起跳闸0起，绕击引起跳闸9起，绕击比重为100%。可看出绕击是220kV及以上输电线路跳闸的主要原因。
1雷击过电压
根据雷电过电压形成的物理过程，可以分为两种类型：一种是直接雷击过电压，雷电直接击中杆塔、避雷线或输电线引起的过电压；另一种是感应雷电过电压，雷电击中输电线路附近大地，因为电磁感应效应在输电线路上产生的过电压。
按照雷电击中输电线路的不同部位，直击雷过电压可以分为两种：一种是雷电击中输电线路杆塔或避雷线时，雷电电流通过雷电击中点的阻抗使得该点对地的电位大大增加，当雷电击中点与输电线路之间的电压超过绝缘的冲击放电电压时，会导致对输电线闪络，使得导线上形成过电压。因为避雷线或杆塔上的电位高于输电线上的电压，所以通常被称为反击；另外一种是雷电直接击中输电线（无避雷线）或者绕过避雷线（屏蔽失灵）击中输电线，造成输电线上形成过电压，通常称为绕击。反击和绕击如图1所示。
1.1反击过电压
在雷电击中塔顶的先导放电阶段，导线、避雷线和杆塔上都会感应出带异性电的束缚电荷。在主放电阶段，先导通道中的负电荷与杆塔、避雷线及大地中的正电荷迅速复合，形成雷电冲击电流。此时，一方面负极性的雷电冲击波沿着杆塔向下和沿避雷线向两侧传播，使塔顶电位不断升高，并通过电磁耦合使导线电位发生变化；另一方面由塔顶向雷云迅速发展的正极性雷电波，引起空间电磁场的迅速变化，又使输电线上出现正极性的感应雷电波。作用在线路绝缘子串上的电压为横担高度处杆塔电位与导线电位之差。这一电压一旦超过绝缘子串的冲击放电电压，反击就会发生。
1.2 绕击过电压
绕击雷过电压原理图如图2所示。不考虑避雷线和输电线间的耦合作用以及杆塔接地的影响，从A点看，雷击放电可以等值为幅值等于I/2的雷电流波，或幅值等于U0=IZ0/2的雷电压波，沿波阻抗为Z0的雷电通道传播到达A点。设输电线为无限长，即不考虑输电线远端返回A点的反射波，则根据彼德逊法则，可以得到电流源等值电路。其中ZC/2为导线的等值波阻抗，即A点两侧导线波阻抗ZC的并联值。
按图3的绕击雷过电压等值电路可求得雷击点A的电位为：
2 电气几何模型法绕击分析及绕击相关问题探讨
2.1 用电气几何模型法分析绕击
超高压线路绝缘水平很高，雷电击中避雷线或塔顶发生反击闪络的可能性较低；超高压高塔高达60～100m，绕击的可能性更大。前苏联特高压线路的运行经验表明，雷击跳闸是线路跳闸的主要原因。在1985～1994 年10 年期间，雷击跳闸高达16次，占总跳闸次数的84%。而雷击跳闸的主要原因是雷直接绕击于导线，主要原因是地线保护角 过大（ > 20€？ 。我国超高压工程的导、地线之间的水平偏移按1m考虑。在平丘地形考虑直线塔（猫头塔）地线保护角<5€埃谏角悸侵毕咚ň票┑叵弑；そ俏？5€啊A礁叵叩木嗬氩怀邢嗟枷呔嗬氲叵叩？倍。
图4 绕击的电气几何模型
绕击的电气几何模型如图4所示。分别以避雷线和导线为圆心，以击距为半径作两个圆弧，这两个圆弧交于F点；再在离地面高度为brs处作一水平线与以D为圆心的弧交于G点。由圆弧C1、C2和直线C3在沿线路方向形成一个曲面，此曲面叫做定位曲面。在雷电流为I的先导未到定位曲面之前，其发展不受地面物体的影响。若I的先导落在C1弧面上，则雷击避雷线；若落在C2弧面上，则雷绕击于导线上；若落在C3面上，则雷击大地。因此C2称为绕击暴露面。为考虑避雷针、避雷线或大地的系数，Mousa给出避雷线或大地的b为1，对避雷针的b为1.2。绕击雷不同的雷电流幅值对应不同的rs，所以可以做出一系列的定位曲面和绕击面来。可以证明，F点的轨迹为导线与避雷线连线的垂直平分线（即图中的直线EK），而G点的轨迹则为一抛物线（即图中的曲线HGK）。中垂线EK与抛物线HGK所包围的区域为绕击区。随着I的增大，C2弧段逐渐减小，当雷电流幅值增大到Ik时，C2弧段缩减为零，即此时已不可能发生绕击。相当于Ik的击距为临界击距rsk。
只有当雷电流大于线路绕击耐雷水平I2时才会闪络，与I2相对应的击距叫允许击距rsy，如果在某一保护角下，满足rsy≥rsk，则不会发生绕击闪络，这种情况称为有效屏蔽。若rsy
对于同一杆塔结构，绕击率会因为地面倾角的不同而改变，架设在山坡上的线路更容易遭受雷击。由于雷电的概率密度最大值出现在与地面的垂直线上，故当地面倾角为 ，地线保护角为 时，下山坡侧的地线有效保护角应为 + ，上山坡侧的地线有效保护角应为 - 。
（2）中相导线被绕击问题探讨。
当避雷线的保护角过小时，有人担心：两避雷线之间的间距拉得过开，雷电会不会从中间“漏”进去，绕击三相导线的中间相。从EGM可以很容易分析：可能会有雷电流会绕击中相，但能够引起绕击闪络的雷电流则不会。220kV的绕击耐雷水平一般大于10kA，根据击距公式，5kA的雷电流对应的击距是22.8m，双避雷线的间距要大于45.6m，5kA的雷电流才能“漏”进去。因此，从防止绕击的角度的看，避雷线的保护角应尽可能小，会好是负保护角。
（3）反击和绕击区分。
当雷电流较小时，无论是落在避雷线上还是导线上，均不会引起跳闸事故；随着电流幅值的提高，若雷绕击于导线上，会引起闪络跳闸；当电流幅值进一步升高，达到一定程度时，雷一般不会绕击导线，但若雷击避雷线或杆塔，会引起反击跳闸事故。根据统计，对于220kV输电线路，绕击雷电流为10kA到40kA，反击雷电流大于75kA；对于500kV输电线路，绕击雷电流为20kA到50kA，反击雷电流大于125kA。
3 结论
本文探析了雷击220kV以上输电线路的过电压问题，了解和掌握了绕击雷活动规律、雷击杆塔的物理过程、输电线路防绕击雷措施的机理。对于进一步深入研究线路设防标准与雷击故障率、各类防雷设施与雷击故障率的定量关系做了基础性研究。如果使这些知识能在线路设计、运行维护中得到应用，对提高线路的可靠运行将具有重要的现实意义。
参考文献：
[1] 张纬钹，何金良，高玉明.过电压防护及绝缘配合[M].北京：清华大学出版社，2002.
[2] 谷定燮，周沛洪，戴敏，等.1000kV交流输电工程防雷保护研究[J].高电压技术，2006，32（12）.
[3] 余建华，黄小晃.江西省雷电灾害分析及防雷减灾对策[J].中国雷电与防护网络班，2004（3）.