（广西聚源供电设计有限责任公司 广西南宁 530022）
摘要：本文介绍输电线路防绕击避雷针的电气设计优化部分，对其在针尖戴上绝缘帽和针体串联小气隙能够提高引雷能力进行了原理性分析和理论推导，并进行了电气试验验证，并对输电线路防绕击避雷针的电气设计优化。
关键词：绝缘帽：小气隙：避需针：电气设计：优化
1导言
雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌三种。对于线路来说，危害线路的主要是直击雷。雷直击于有避雷线的输电线路分为三种情况：①绕过避雷线击于导线：②雷击杆塔顶部或杆塔顶部附近避雷线：③雷击避雷线中央部分。且直击雷主要有绕击（雷电流为15kA～30kA）和反击（雷电流达100kA及以上）两种形式。高压送电线路各种防雷措施都有其针对性，因此，在进行高压送电线路设计时，我们选择防雷方式首先要明确高压送电线路遭雷击跳闸原因。
2线路发生雷击成因分析
高压送电线路绕击成因分析：根据高压送电线路的运行经验、现场实测和模拟试验均证明，雷电绕击率与避雷线对边导线的保护角、杆塔高度以及高压送电线路经过的地形、地貌和地质条件有关。山区高压送电线路的绕击率约为平地高压送电线路的3倍。山区设计送电线路时不可避免会出现大跨越、大高差档距，这是线路耐雷水平的薄弱环节：一些地区雷电活动相对强烈，使某一区段的线路较其它线路更容易遭受雷击。
高压送电线路反击成因分析：雷击杆、塔顶部或避雷线时，雷电电流流过塔体和接地体.使杆塔电位升高，同时在相导线上产生感应过电压。如果升高塔体电位和相导线感应过电压合成的电位差超过高压送电线路绝缘闪络电压值，即时，导线与杆塔之间就会发生闪络，这种闪络就是反击闪络。根据计算公式可以看出降低杆塔接地电阻、提高耦合系数k、减小分流系数B、加强高压送电线路绝缘都可以提高高压送电线路的耐雷水平。在实际实施中。我们着重考虑降低杆塔接地电阻和提高耦合系数k的方法作为提高线路耐雷水平的主要手段。
线路易发生雷击的主要原因：一是特殊的地理环境和多变的气候条件，容易产生雷电，雷电活动频繁：二是线路处在海拔较高的斜坡或山顶，易遭雷电绕击：三是线路设计标准偏低，杆塔防雷保护角较大，易遭绕击：四是线路绝缘配合偏低，耐雷水平低，易发生线路遭雷电反击跳闸：五是正电荷向大地放电频繁而且猛烈，杆塔及避雷线遭雷击易发生反击。
高压送电线路遭受雷击的事故主要与四个因素有关：线路绝缘子的50%放电电压：有无架空地线：雷电流强度：杆塔的接地电阻。
3现代直击雷防护普遍采用避雷针
通常认为普通避雷针的引雷机理是：当雷云先导发展到近地面时，山于避雷针尖端的电场强度最大，首先产生电离，并形成迎面先导，直至将雷击引到避雷针尖端，防比避雷针周围的物体避免遭受雷击。但是在模拟试验和实际应用中都表明，加装避雷针后仍时常有绕击现象的发生，这表明常规避雷针的引雷作用较小，保护范围有限，可靠性不高。因此有必要从完善避雷针的引雷机理入手，对避雷针的结构进行优化改进，以加强其引雷作用，增大其保护范围，减少反击的发生，提高其防雷保护的可靠性。
输电线路防绕击避雷针是一种地线避雷针，可有效防比雷电绕击导线而引起的闪络事故。本防绕击避雷针通过针尖戴上绝缘帽，针体串联小气隙的设计，比普通避雷针引雷能力增强10倍左右，因而可以很大程度上减小保护角，提高避雷线的屏蔽能力，比普通避雷针具有更好的防绕击效果。
4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，使电离减弱甚至停比：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避需针尖端处有负空间电荷存在时的电场分布
注：虚线为普通避需针针尖附近的电场分布：实线为带绝缘套避需针针尖附近的电场分布。
通过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。
5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。山于极化，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，并形成山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。
6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。
7电气试验
通过试验验证输电线路防绕击避雷针本体串联小气隙，针尖戴上绝缘帽，能够提高避雷针的引雷能力。
试品分别为普通避雷针、加绝缘帽避雷针、串入小气隙普通避雷针和加绝缘帽并串入小气隙的避雷针。为防止雷云板表面的不均匀性对实验结果的影响，实验中对试品位置进行互换。实验原理接线如图2所示。
实验结果证实了采用有帽有小气隙的避雷针结构，可以提高避雷针的引雷能力。当云针间达临界放电电压时，有帽有小气隙避雷针的引雷能力优于无帽无气隙的避雷针。随着冲击放电电压的提高，前者的引雷能力更强。可以预计在更高的电压作用下，这种结构的避雷针引雷效果更好。
8防绕击避雷针设计要点
根据绕击特点，防止绕击应考虑：
8.1对设计耐雷水平远高于本地区雷电活动强度的接地体，可在高空拦截雷电先导，不使其进入接地体绕击区。
8.2对既要防止反击，又要防止绕击的接地体，应降低雷电先导对接地体闪击的定位高度，使接地体不发出易使雷电先导定位高度较高的“定位迎面先导”。同时应在接地体侧面安装接闪装置，如在高接地体或线路杆塔侧面安装具有防绕击功能的“全屏蔽防雷装置”，作为对已进入接地体侧面屏蔽失效区的雷电先导可靠接闪的有效防绕击措施。
在地线上装设避雷针是有效的防止反击雷和直击雷的措施。避雷针的有效性与引雷效率紧密相连。避雷针的引雷（拦截）效率，即是对被保护物的保护作用（保护范围），与雷电极性、雷电通道及空间电荷分布、先导头部电位、放电定位高度、避雷针数量和高度、被保护物高度、相互之间位置以及当时的大气条件和地理条件等因素有关。一般说，地理条件影响先导阶段的电场分布及到主放电的发展：大气条件的影响是空气湿度和温度愈高，避雷针保护效果愈小：雷电流幅值（即放电定位高度）愈大，避雷针引雷（拦截）范围愈大，即保护范围愈大。
8.3其它几点建议
8.3.1高于雷电先导定位高度的避雷针，不能防止已在避雷针下方的先导对接地体闪击，因此应在接地体侧面安装符合要求的侧面接闪针，仅注意防护上部空间雷云，对接地体侧面的低空小雷电先导失去了防护，是装有防雷设备线路或接地体上依然发生绕击雷害事故的原因之一。
8.3.2不同方位的避雷针发生定位迎面先导的方位不同。垂直方向的避雷针更易于接闪高空、高幅值雷云，因而，不宜装在输电线路，尤其是已架有避雷线的输电线路上，以避免本来不应在杆塔顶部高空定位的高幅值雷云，反被吸引到杆塔自身。在杆塔上安装侧面接闪针，以防护进入杆塔侧面避雷线屏蔽失效区的低空雷电先导，补充避雷线屏蔽的不足。
8.3.3防止高空、高幅值先导直击接地体，是高建筑物防雷主要问题。但高建筑物顶端只宜安装符合要求的雷电接闪装置，不必一定要把高空中大范围的雷云都吸引到自身。对于四周空旷的超高建筑物，为防止低空小雷电先导对建筑物中部绕击，在建筑物中部适当位置安装侧向防绕接闪装置。
8.3.4防止雷电对接地体绕击，也可在接地体附近架设“旁路”避雷针、线。
9加强高压输电线路防雷设计
我国地域辽阔，各地区在不同季节拥有不同的气候特点，而高压输电线路电气设计和应用过程中，对其稳定性影响最大的因素就是雷雨等灾害。在这种情况下，必须积极加强高压输电线路防雷设计。传统的设计过程中，线路受到雷雨的影响，产生了短路和漏电现象，相关部门只能够在发生故障以后进行维修，严重缺乏主动性，同时还造成线路运行成本增加。
新时期，在积极进行高压输电线路防雷设计的过程中，应进行防雷设计，提升线路稳定性。在这种情况下，防雷设备和结构被有效应用于设计过程中。一方面，选择导线的过程中，考虑当地的气候和地质等特点，并保证导线材料拥有较高的机械强度，降低天气恶劣给线路造成的影响，减少短路现象的发生。
10结束语
现阶段我国在积极进行电网建设，提升电能可靠性的过程中，应根据不同地区的实际，可行的开展高压输电线路电气设计，只有科学的进行高压输电线路电气设计才能够保证施工过程中的安全性，也能够促进我国电网事业的长期发展。本文主要对输电线路防绕击避雷针电气性能优化进行研究，对其针尖戴上绝缘帽和针体串联小气隙能够吸引雷击进行了原理性分析和理论推导，并进行了试验验证。输电线路防绕击避雷针的这些电气特性能够提高避雷线的屏蔽能力，比普通避雷针具有更好的防绕击效果。
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论文作者:吴绍宁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/17
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