输电线路雷击选择性及其影响因素的研究

赵士琦

（陶氏化学（中国）投资有限公司　201203）

引言

雷电是夏季经常出现的现象，其存在一般会对人们的生产生活产生很大的隐患。根据多年的实验研究证明，雷击发生的位置具有很强的规律性，这种规律在学术上被称为雷击的选择性，在实际情况中，输电线路的故障率很大程度上决定于雷电对输电线路的选择性。这也对输电线路的设计建造提出了新的要求，本文旨在研究输电线路的雷击选择性，并对其影响因素进行分析，从而得出解决的方法。

1　雷电放电过程及绕击机理

1.1　地面落雷密度和输电线路落雷密度

在雷云的放电过程中，云内闪电的放电量以及云层到云层的放电量是最大的，远远高于云到地之间的放电量。如果要控制电力设施的防雷性能，首先需要客观的表示雷云对地放电的频率，这种频率的描述方式为地面落雷密度，单位为次/km2·雷暴日，所表达的含义是在一个雷暴日的时间内，在每平方公里的地面上产生的平均落雷次数。通常情况下而言，一个地区在一年之内如果存在的雷暴日数较大的话，那么地面落雷密度的值也会随之增大。同时在计算输电线路的落雷密度时，需要规定100km的线路长度，其公式为：

N=γhT（1）式（1）中：γ 为年平均雷暴日，单位：次/km2·雷暴日；T 为雷暴日，单位：天/每年；h为避雷线的平均高度，单位：m。

但是如果是针对雷暴日较少的地区的话，公式则可以表示为：

式（2）中：b是相邻避雷线的距离值，单位用米来表示；h为避雷线的平均高度，单位为m。

1.2　输电线路绕击的过程

当雷电现象发生的时候，雷电先导会随着多种的因素向下发展，并且会接近于地面。同时，梯级先导的具体长度一般由先导头部的电位所决定，而电子崩游离区的电荷数量也会取决于雷电先导是否存在。而空中雷云的等效带电中心一旦发生一定的能量损耗，就会向地面进行分级发展，这时先导就会寻找其释放能量的最佳途径，这种发展方向会依据头部附近电场方向的变化而变化，这时如果出现击中某一地面物体的情况，就说明前方电场强度超过了某个水平。不可否认的是，雷电先导电场的数值是十分重要的，能够最终决定接地体所产生的先导数值的高低，而地面物体所形成的迎面先导的作用也十分突出，它对雷电先导会产生一定的阻碍作用，这也是雷电先导向某一个物体进行发展的核心步骤，一般情况下而言，不同材质和形状的物体，所产生的迎面先导效果会也存在差异。从理论上讲，先导能够接触到的接地体范围也是具有规律性的，一般是取决于先导较前端部分的游离区半径，这种半径值同时也决定了雷电对地表建筑物的闪击方位以及闪击距离，一般而言，当闪击的情况不一样时，先导所携带的电位也会不一样，并且电流的幅值也会造成差异。如果雷电先导没有击中避雷针和杆塔避雷线等装置时，就会击中其他的建筑物，这种现象就是绕击。

先导头部的电位如果产生了一定的幅值，就会很容易出现绕击的情况，但是如果已经存在了能够击穿很大空气间隙的先导头部电位，那么之前使用过的添加绝缘子的普通方法就不会有很突出的效果，因为其产生的影响也只是等于增加了一点空气间隙，主要的原因就是绕击的幅值还会升高。因此，添加杆塔绝缘设备对于防止绕击的作用并不大，但是也可以相对的减少绕击的发生几率。

2　绕击仿真计算

2.1　电气几何模型的概念

电气几何模型的主要作用是用来计算绕击的情况，经典的电气几何模型法是将具体某一段线路的特征和雷电放电的特点相互结合，进而创立的一种计算模型，这种计算模型的大致原理是雷云向地面发展的先导放电通道中，击中点一般是比较随机的，所以先导的头部如果到达了某一个建筑物的击距范围之内的话，就会首先向这个建筑物放电。然而从理论的层面上讲，仅仅只有雷电流幅值的大小才会影响击距的范围，所以先导对于其他保护装置的击距是相等的，这时就需要明确绕击率的大小是和雷电的流幅值有关系的，但是即使是这样，经典的电气几何模型在计算和分析最大击距时，并没有合理的将平均电场强度这个概念融入进去。这时，由于经典的电气几何模型存在着很多的缺陷，所以Eriksson改进了它的计算方式，之后形成了一种新的计算模型。这个新的计算模型充分的考虑了物体的具体高度值所产生的影响，进而出现了击距系数的新概念；基于新的概念和新的计算模型，某一段导线的受雷范围可以被严格的定义为一个圆弧，这个圆弧的圆心是导线，半径则是击距。这时如果出现雷电流变大的情况，就会进一步的使击距变大，从而物体的受雷范围就会变小，如果要导线完全的被屏蔽，就需要让击距变大到最大击距，这样雷电先导就会直接的击中避雷线或者是直接击中地面。

2.2　最小和最大绕击雷电流

如果要进一步的确定输电线的绕击耐雷程度，首先必须要计算出输电线的最小和最大绕击值，这将很大程度上决定着输电线的绕击跳闸率。对输电线所存在的最小绕击值的计算，首先需要设定某一段输电线路的绕击耐雷水平为Imin，临界击距为Rsc，这时公式为：

对于输电线的最大绕击值而言，当雷电先导的击距值小于避雷线的击距值时，就会造成绕击。因此，暴露的弧段长度值往往对线路绕击率的值影响非常大，并且一旦暴露的弧段长度值减少到了零，这个时候导线就不用再遭受到绕击的影响，这个时候的击距就会变成了最大击距，但是这个时候也可能会出现Imax受到绕击的情况，但是绕击一般不会造成线路跳闸的情况。

2.3　关于击距系数的讨论

击距系数可以直观的反映避雷线的核心属性，当实际的击距系数数值变小时，即使是使用相同型号的导线，也并不容易产生先导，同时如果地面土壤的电阻率数值较大时，也同样不容易产生先导，这时由于击距系数变化的原因，将会导致避雷线和地面始终无法完全屏蔽雷电先导，简单而言就是导线始终存在暴露弧。

3　绕击屏蔽的影响要素研究

不同输电线杆塔之间对于雷电选择性首先体现在杆塔输电线的高度以及杆塔输电线的避雷线保护角。通过输电线路的实际运行数据可以了解到，线路所截获的雷电量，会随着杆塔变高而逐渐的变多，主要原因便是杆塔高度变高之后，能够引雷的面积也会随之变大，所以雷的次数也会进而升高；另外，如果杆塔的高度值变高，就会使得相应的地面屏蔽能力变小，进而就会让更多的雷电击中导线，这个时候根据数据显示，在落入垂直平分线以下的绝大部分雷都会击中导线，这个时候绕击便会随时产生，所以现实中某一段线路的耐雷能力会大大减弱，意外跳闸情况也会变得常见。所以，在不用影响其他方面的情况下，降低杆塔高度是一种合适的方式。

其次，雷电选择性会体现在杆塔输电线所存在的避雷线保护角。这是因为在一般情况下而言，如果先导对地面物体的感应场强变大的话，避雷线将会更加容易的被雷电击中。但是如果下行先导的属性改变的话，就会出现其他的情况，雷电就会不击中输电线而击中地面，这个时候绕击就很难在出现了。所以说对于某个特定范围内的雷电流，是存在着某个临界屏蔽保护角的，这个避雷线保护角深刻影响着雷击的选择性。

另外，杆塔所在地的坡面角度也是输电线杆塔绕击屏蔽的重要因素，一般来说，如果某地区的地形为丘陵或者是山区的话，那么当地绕击率的值就会偏大，如果当地的地形为平原的话，那么绕击率的值就会偏小；所以说，如果存在长度很长的输电线路时，一旦它既穿过平原地区又穿过丘陵地区，那么属于这两个地区线路的绕击率则是不相同的，所以地面倾角的数值也是影响某一个地区雷击选择性的重要因素。

最后，杆塔周围土壤电阻率也会影响绕击屏蔽性能，这是因为雷击区与地质结构是密切相关的，根据多年来的实验结果表明，一旦某个地区出现了土壤表面电阻率散布不平均的情况，那么在数值比较小的那部分区域就会有较大的可能被雷击，并且近几年的研究也证明了这一点；究其原因，主要是由雷电放电过程中土地里面电流的流通路线决定的，电阻率比较小的路径对于电流来说比较通畅，所以土地表面电阻率相对较小的区域就会聚集大部分的电荷，进而雷电也就会被吸引过去。

4　总结

本文主要论证了输电线路雷击选择性的问题，可以进一步的为相应的施工设计提供具体的实施指导。上文通过对多种概念的分别论述，可以基本认为决定输电线路绕击耐雷能力的要素为避雷线保护角、地面倾角以及杆塔高度；同时上文还对输电线的经典电气几何计算模型进行了介绍，还利用新的电气几何模型来分析众多的影响要素，并且又对绕击的概率分布情况进行了研究。此外不可忽视的是，上文对于击距系数这个概念的介绍也是十分重要的，击距系数可以直观科学的描述雷电先导的属性，还可以进一步的区分导线与地面的击穿强度的差别。综上而言，输电线路雷击选择性是可以通过绕击计算进行系统论述的，但是对于目前的技术水平来说，针对某一段线路雷击的研究还面临着很大的不足，需要进一步验证的影响因素还有很多种，只有全面的了解输电线路雷击选择性的影响因素，才能有力的保护区域内的安全用电。