双ZBS2型酒杯塔输电线路雷电绕击特性研究*

刘 璇，刘全桢，毕晓蕾，姜 辉，刘宝全，张长秀，高 剑，刘 娟

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

0 引言

长期以来石化企业输配电线路的稳定运行遭受着各种因素的影响，其中雷击是造成输电线路跳闸故障的重要原因[1]。由于石化企业输配电线路布网区域广，位置分散，电压等级多，因此遭受雷击的风险较大。如果输配电线路遭受雷击，会造成设备和系统出现工作异常、电机掉闸、生产中断等问题，甚至引起危险区发生燃爆、火灾等事故，给企业造成重大的人员和财产损失[2]。据相关数据统计，雷电引起的跳闸事故约占总跳闸次数的70%左右。特别是处于多雷、土壤电阻率高、地形复杂的区域，其输变电架空线路遭受雷击的几率更高。输电线路遭受雷害的事故不断增多，将严重威胁到电网的供电安全，因此，必须加强输电线路防雷保护措施，才能从根本上保障企业输电线路的供电稳定运行[3]。

输电线路遭受雷击过程中，杆塔、避雷线和大地是主要的雷击点，是输电线路雷电屏蔽性能研究的重点对象。导致输电线路跳闸的雷击形式主要为雷电绕击[4]，线路绕击研究主要集中在实验室内小型模拟试验和现场运行经验的积累与总结。近年来国内外学者对小比例微缩模型下输电线路雷电屏蔽性能研究进行理论及试验研究[5-7]，但大多由于试验设计不够完善，或试验条件限制等因素，导致结论准确性及可行度不高。本文通过实验室中大量重复放电试验揭示了一些输电线路雷电绕击的规律和特征。

1 线路绕击试验设计

选取250 μs/2500 μs的标准操作波作为试验波形，其波形和放电特性更接近自然雷电。拍摄记录放电过程，判断雷击位置。

1.1 线路模型搭建

线路模型由小比例双ZBS2型酒杯杆塔、导线、避雷线及绝缘子模型组成，微缩比例为25∶1。整个试验共搭建两个35 kV酒杯塔模型组成一个档距，绝缘子用环氧树脂按照一致的微缩比例制作模拟，选用直径为2 mm和4 mm的裸导线分别作为避雷线和导线。

1.2 试验方法

通过不断的调整放电电极位置，来开展线路全段绕击试验。当电极处于某一试点位置时，施加同一放电电压30次，观测避雷线、输电导线及地极板遭受放电击中的次数。电极放电尖端位置用X-Y坐标的形式来表征，x轴线与地面平行，与线路垂直，高度与地面重合；y轴线与地面垂直；X-Y坐标系原点位于中相导线下方的地表位置。如图1所示。

图1 试验空间距离分布示意

2 塔头对绕击率的影响

研究了沿输电线路档距方向绕击概率的变化情况，以此反应杆塔塔头对于线路绕击率的影响。避雷线保护角为12°，电极垂直放置，将电极尖端分别放置于距离杆塔中心线1 400 mm、水平高度1 300 mm的直线上进行沿线路档距方向的放电试验。试验结果如图2所示。

图2 雷击点沿档距方向移动时绕击概率分布

由图2可见，绕击概率(记为P，单位：%)随电极由平面平移至导线中央处的变化规律是：先增加，后减小；在档距方向上，落雷点位于杆塔附近时，绕击概率趋于零，说明杆塔对于雷电先导具有吸引作用；当落雷点远离杆塔时，随着塔头吸引能力的失效，绕击概率将增大，直到0.9 m的位置出现最大值，反向证明了杆塔的引雷作用；线路档距中间区域，导线距离大地较近，大地对先导的吸引能力相对增强，绕击率因此较低。从杆塔到档距中央，绕击率呈现一种先增大后减小的趋势，绕击率的最高点为距离杆塔约0.9 m的位置，即线路遭受绕击的最严重区域，按照1∶25换算成实际情况大约为20 m。因此，在对输电线路绕击进行防护时，应重点针对此高绕击率区域采取防护措施，例如安装防绕击避雷针[8]。

3 避雷线保护角对绕击率的影响

为了研究避雷线保护角对绕击概率的影响，针对保护角12°，0°，-5°三种情况分别进行放电试验。电极垂直放置，置于(X，Y)=(1 400 mm，2 000 m)的直线，上下移动，其中X为距离电极距离档距的距离，Y为沿档距方向的坐标。试验结果如下图3所示。

图3 避雷线保护角对绕击率影响曲线

由图3可知：随着避雷线保护角由正到负变化，绕击概率依次降低，发生绕击的区间也逐步减小；当保护角为零甚至负角度时，线路模型绕击概率大幅降低，保护角-5°时绕击概率达到10%以下，甚至趋近零。试验结果验证了负保护角在防止绕击上的优势。

4 地面倾斜对绕击率的影响

为了研究地面倾斜角对绕击概率的影响，针对15°，30°，45°三种不同的地面倾斜角分别进行放电试验，模拟杆塔位于斜山坡的情况。避雷线保护角为12°，电极垂直放置，置于(X，Y)=(1 400 mm，2 000 m)的直线，上下移动。

试验中需利用支撑物将杆塔垫高，试验布置及坐标定义方法如图4所示。斜山坡使用5 m×5 m铁板模拟，以满足国外学者通过试验研究得出的当a/s≥2.5时，即可忽略其他物体影响，以消除邻近效应的结论。其中a为放电间隙到与板垂直的金属网的距离，s为棒-板放电间隙的长度。棒状电极投影通过铁板的中心线，以避免铁板边缘效应对试验结果的影响[9]。

将试验所得数据作平滑样条处理，如图5所示。

由图6可知：随着地面倾斜角从0°增加到30°，输电线路外侧绕击概率和发生绕击的区间均增大。而地面倾斜角过大时，例如45°时，绕击率反而较30°时降低，其原因可能是上方铁板对雷电先导产生了吸引作用。

5 试验观测结果分析

单反慢门拍摄方式捕捉到的典型放电现象如图6所示。

图4 地面倾斜角试验示意

图5 地面倾斜角度对绕击概率影响曲线

图6 1∶25缩小比例下典型放电现象

图6中(a)为击中导线的放电现象；(b)为击中避雷线的放电现象；(c)为击中杆塔塔头的放电现象；(d)为避雷线和导线相互竞争，但避雷线发展出的上行先导竞争胜利而与雷电先导连通的情形；(e)为同时击中导线和避雷线情况；(f)为同时击中导线和杆塔的情况。

从图6所记录的典型放电现象可以看出，在架空输电线路的屏蔽系统中，除了避雷线对下行雷电先导有吸引作用外，杆塔塔头对雷电也有较强的吸引能力。受拍摄速度的限制，试验中只能抓拍到主放电时刻的图像，但由图6(d)可以推断：使用标准操作波的放电试验中，击中避雷线和导线时，在主放电之前，避雷线和导线可能均产生了上行先导，下行流注选择性地击中先与其相遇的上行流注。

6 结语

a)杆塔对雷电先导具有吸引作用，雷电直击杆塔附近时，线路绕击率较低。线路档距中间区域，导线距离大地较近，大地对先导的吸引能力相对增强，绕击率因此较低。从杆塔到弧垂中央，绕击率呈现一种先增大后减小的趋势，绕击率的最高点出现在距离杆塔0.9 m的位置，按照1∶25换算成实际情况大约为20 m。在对输电线路绕击进行防护时，应重点针对此高绕击率区域采取防护措施，例如安装防绕击避雷针。

b)随着避雷线保护角由正到负变化，绕击概率依次降低，发生绕击的区间也逐步减小；当保护角为零甚至负角度时，线路模型绕击概率大幅降低。

c)地面倾斜角对绕击率影响试验表明，山区输电线路绕击概率随地面倾斜角增大而先增后降。

d)观测到了主放电击中导线(避雷线)的同时，也观测到了避雷线(导线)上竞争失利的残余迎面流注的存在。