输电线路的雷电波过程与防雷保护分析

范世锋

（广西电网公司河池供电局，广西 河池 547000）

1 引言

工程运行经验表明，输电线路的故障占电网中总事故的较大比例，而输电线路的故障又以雷击跳闸的比重最大，尤其是铺设在山区的线路，故障基本上都是由雷击引起的。据统计，在输电线路跳闸率较高的地区中，雷击引起的事故占到50% ～70%。

输电线路的防雷保护问题是一个综合的技术与经济问题，首先应该根据线路的雷击规律，分析雷电波过程，才能采取合适的防雷措施，防止雷击事故的发生［1－5］，研究表明，雷击具有选择性，输电线路存在雷击易击点与易击段［6－9］。

2 均匀无损导线的雷电波过程

输电线路单元长度的电感与电容值一般为一恒定值，分别为L0与C0，忽略R0与G0，其等值电路如图1所示，由电磁场理论架空线路与电缆的L0与C0分别为:

式中:hc—导线对地平均高度；

μ0—真空磁导率；

μr—相对磁导率；

ε0—真空介电常数；

εr—相对介电常数；

r—导线半径；

R—电缆接地铅包的内半径。

图1 均匀无损单导线的单元等值电路

等值电路的方程组为:

解为:

通过（1）与（2）式可得架空线路与电缆的雷电波速度分别为:

由上式可知:雷电波速与导线的周围介质有关，与导线的对地高度、半径、铅包半径无关，在电缆中的波速只有架空线路上的一半。

如图2所示，雷电波由一条波阻抗为Z1的无限长线路1在A点流向波阻抗为Z2线路2，线路上有原始波（u'1，i'1）与反射波（u″1，i″1），线路 2 上有折射波（u'2，i'2）。

图2 不同波阻抗的两条线路的波过程图

线路1、2上的总电压、电流分别为:

根据边界条件:

则:

式中:α—折射系数；

β—反射系数。

3 多导线系统的雷电波过程

上述分析考虑的是单导线情况，但实际工程中都是多导线系统，所以有必要对多导线系统的雷电波过程进行研究。

压波与电流波的关系为:

图3 n导线系统及其镜像

如图3所示的n导线系统，单位长度的电荷分别为:q1、q2，…，qn对地电压分别为:u1，u2，…，un，则:

根据HBN评分情况进行效果标准评价[3]:(1)治愈,面部症状全部消失,面神经功能完全恢复,面部运动正常;(2)显效,面部症状基本消失,存在轻微功能减弱,静止状态下面部对称,张力无异常,眼睛可完全闭合,口有轻微不对称;(3)有效,明显功能减弱,静止状态下面部对称,张力无异常,抬眉额纹对称,用力可闭合眼睛合,口较明显不对称;(4)无效,面部症状无显著改善,口无力,眼不能闭。总有效为治愈、显效及有效之和。

式中:αkk—导线k的自电位系数；

αkn—导线k、n的互电位系数。

式（7）可转换为:

则架空线路的自波阻抗与互波阻抗为:

4 输电线路的防雷保护

图4 线路雷害事故的发展过程及防护措施

输电线路的耐雷水平为雷击线路时，其绝缘不至于发生闪络的最大雷电流幅值或引起绝缘闪络的最小雷电流幅值。

各电压等级输电线路应有的耐雷水平如表1所示。

表1 各电压等级输电线路应有的耐雷水平

工程上的运行经验表明，在电网的总事故中，雷击输电线路造成的线路跳闸停电占很大比例，而且雷击线路产生的雷电过电压沿线路侵入变电所、发电厂，是造成其主要电气设备绝缘损坏的重要因素。输电线路常用的防雷保护措施为:

（1）合理选择输电线路路径

大量运行经验表明，在一些地段输电线路易遭受雷击，我们将这些线路遭受雷击比较集中的某些路段称之为选择性雷击区，或称为易击区。在铺设输电线路时避开易击区，或对易击区线段加强保护，是防止雷害的根本措施。

（2）架设避雷线

装设避雷线是架空输电线路最基本、最常用的防雷措施，其作用是:可以接闪雷电，防止雷直击导线；还可以雷击塔顶时对雷电流分流，以减少流入杆塔的雷电流，从而降低塔顶电位；还可以通过对导线的耦合作用减小线路绝缘子上承受的电压。

（3）降低杆塔接地电阻

对于一般输电杆塔，当杆塔型号、尺寸与绝缘子型号和数量确定后，降低杆塔接地电阻可以提高架空送电线路耐雷水平、减少反击概率。

（4）增设耦合地线

在降低杆塔接地电阻有困难时，可采用架设耦合地线的措施，因为它可以加强避雷线与导线间的耦合，减小绝缘子串两端电压的反击电压和感应电压的分量，还可以增加雷击塔顶时向相邻杆塔分流的雷电流。

（5）提高绝缘等级，采用不平衡绝缘方式

在所有防雷措施中，采用不平衡绝缘和加强绝缘是最经济，也是比较容易实现的，因为可以提高绝缘水平，从而提高反击和绕击的耐雷水平，还可以降低建弧率还可以减小保护角。

（6）安装线路型避雷器

装设线路避雷器对防止易击段、易击塔线路绝缘子雷击闪络作用显著，而且还可以提高线路耐雷水平、降低雷击跳闸率。

（7）装设自动重合闸装置

安装自动重合闸装置对于降低线路的雷击事故率具有较好的效果，因为线路绝缘具有自恢复性能，大多数雷击造成的闪络事故在线路跳闸后能够自行消除。

5 总结

随着输电线路规模逐渐扩大，电网结构的日益复杂，以及气候变化、雷电活动频繁，目前电网的雷害事故明显增多，输电线路和电网雷电防护是一项长期工作，加强雷电波过程研究及线路防雷分析，开展防雷改造、采取有效的防雷措施显得尤为重要。

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