葉 明，柳志江，吳芳華，鄒治寰

（湛江市防雷設(shè)施檢測(cè)所，廣東 湛江 524001）

1 引言

輸電線路縱橫交錯(cuò)分布在曠野上，極易遭受雷擊，因雷擊造成輸電線路閃絡(luò)引起的線路故障一直是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行較為主要的原因之一。在我國(guó)跳閘率比較高的地區(qū)，高壓線路運(yùn)行的總跳閘次數(shù)中由雷擊引起的次數(shù)約占 40 %～70 %，在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)，雷擊輸電線路而引起的事故率則更高。[1]雷電活動(dòng)特性是輸電線路防雷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，與輸變電工程雷電防護(hù)相關(guān)的雷電參數(shù)有雷暴日、地面落雷密度、雷電流幅值及波形等，目前積累最完整的只有雷暴日數(shù)值。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，高速攝影、雷電定向定位儀、雷電定位系統(tǒng)、衛(wèi)星雷電探測(cè)系統(tǒng)等現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)用于雷電觀測(cè)、人工觸發(fā)雷電及長(zhǎng)空氣間隙人工雷電放電實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展，豐富了人們對(duì)于雷電的認(rèn)識(shí)，本文對(duì)如何提高輸電線路的防雷性能進(jìn)行一些探討研究。

2 雷電參數(shù)研究方法

2.1 人工記錄方法

氣象觀測(cè)站記錄每天的雷電及閃電數(shù)據(jù)。

2.2 雷電定位系統(tǒng)

雷電放電是由帶電的雷云引起的，雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是當(dāng)前監(jiān)測(cè)雷電的主要技術(shù)平臺(tái)。我國(guó)電網(wǎng)已建立了29個(gè)省域的雷電定位系統(tǒng)（LLS）監(jiān)測(cè)地閃發(fā)生時(shí)間、位置、雷電流幅值、極性等，為電力系統(tǒng)提供具有地域特征的雷電日和地面落雷密度數(shù)據(jù)。廣東省電力試驗(yàn)研究所統(tǒng)計(jì)1997－1999年3年的LLS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出負(fù)極性云地閃擊分別占總閃擊次數(shù)的95.6 %、95.6 %和 95.8 %。[2]

2.3 衛(wèi)星雷電探測(cè)系統(tǒng)

衛(wèi)星雷電探測(cè)系統(tǒng)是對(duì)大范圍雷電現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)的有效手段，可獲得全球和局地閃電發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)的經(jīng)緯度、閃電光輻射能等信息。20世紀(jì)90年代，美國(guó)航天航空局（NASA）相繼發(fā)射衛(wèi)星探測(cè)器、光學(xué)瞬態(tài)探測(cè)器（OTD）和閃電成像傳感器（LIS）探測(cè)閃電活動(dòng)。

2.4 雷電流波形監(jiān)測(cè)

雷電流波形監(jiān)測(cè)裝置是了解雷電流幅值及波形的最直接的手段。先前雷電流波形監(jiān)測(cè)裝置主要安裝在高山或高塔上，最著名的是安裝在多倫多電視塔上的雷電流監(jiān)測(cè)裝置。自高塔或高山上的觀測(cè)塔的雷電流監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)輸電線路的防雷設(shè)計(jì)有一定的參考作用，但雷電流波形與實(shí)際的桿塔結(jié)構(gòu)及桿塔高度具有重要的關(guān)聯(lián)性，這些監(jiān)測(cè)結(jié)果用于線路防雷時(shí)可能會(huì)偏高。另外，輸電線路的工作電壓對(duì)雷電的吸引作用可能會(huì)導(dǎo)致雷擊概率的增加。近年來(lái)，已在輸電線路桿塔上安裝了雷電流波形監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行雷電流波形監(jiān)測(cè)裝置的研究。

2.5 雷電放電過(guò)程及閃絡(luò)路徑拍攝

安裝高速照相機(jī)、攝像機(jī)拍攝雷電放電過(guò)程及閃絡(luò)路徑是近年來(lái)雷電研究的一個(gè)方向，拍攝得到的雷擊輸電線路的圖片及過(guò)程為雷電先導(dǎo)模型的建立提供了重要依據(jù)。

2.6 火箭引雷

火箭引雷是用一根導(dǎo)線將火箭與地面連接，使火箭在幾秒內(nèi)加速進(jìn)行人工觸發(fā)閃電，是獲取雷電流波形的一種方法?；鸺撰@得的數(shù)據(jù)是在雷云還沒(méi)有完全孕育的情況下獲得的，所得出的雷電流幅值明顯低于監(jiān)測(cè)裝置的記錄結(jié)果，可供一定參考作用。

3 雷暴日

雷暴日是指某地區(qū)一年中有雷電放電的天數(shù)，一天中只要聽(tīng)到一次以上的雷聲就算一個(gè)雷暴日。但遠(yuǎn)距離的雷電由于雷聲大小、聽(tīng)覺(jué)原因、背景噪聲或傳播路徑上有障礙原因而漏統(tǒng)計(jì)，而且雷暴日不全是可能危及輸電線路安全的云地閃絡(luò)，也包含了云間放電。雷暴日只是對(duì)雷電活動(dòng)的粗略統(tǒng)計(jì)，雷暴日少的地區(qū)并不意味著雷擊次數(shù)少，而雷暴日高的地區(qū)并不意味著雷擊次數(shù)多。目前我國(guó)一個(gè)地域采用同一雷暴日參數(shù)來(lái)進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，無(wú)法考慮雷電的地域性。對(duì)于新建的輸電線路，要根據(jù)線路沿線附近氣象站點(diǎn)的地面氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最好采用年雷暴小時(shí)數(shù)，分析每年雷暴開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間等，可確保輸電線路的防雷設(shè)計(jì)效果更好。

4 地面落雷密度

地面落雷密度Ng指每年每平方千米落雷次數(shù)[單位為次/（km2·a）]。我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 620－1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》中取Ng＝γTd。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）推薦Ng＝0.023T1.3d。[3]IEEE推薦的經(jīng)驗(yàn)公式為 Ng＝0.04T1.25d。[4]

5 雷電流幅值

1962－1988年歷時(shí)27年間，浙江省電力試驗(yàn)研究院安裝磁鋼棒對(duì)220 kV新杭線I回路的雷電流進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，對(duì)106個(gè)雷擊塔頂?shù)睦纂娏鞣禂?shù)據(jù)和其中97個(gè)負(fù)極性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得到了雷電流幅值超過(guò)IM（單位為kA）的概率P為lgP＝－IM/88。該公式已寫入我國(guó)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 620－1997中。但將某一線路的雷電參數(shù)推廣到全國(guó)所有線路的防雷設(shè)計(jì)值得斟酌。雷電活動(dòng)具有明顯的地域性，不同地區(qū)的雷電流幅值概率特性相差很大，即使同一地區(qū)、由于區(qū)域地形、氣候的不同，雷電流幅值概率也相差很大。雷電流幅值概率P一般采用公式：

式中，a、b為與被統(tǒng)計(jì)地區(qū)雷電活動(dòng)相關(guān)的參數(shù)，IEEE推薦值為a＝31，b＝2.6。

雷電定位系統(tǒng)在提供地面落雷密度數(shù)據(jù)的同時(shí)，也提供每次雷擊對(duì)應(yīng)的雷電流幅值。其基本原理是通過(guò)測(cè)試?yán)纂姺烹姰a(chǎn)生的電場(chǎng)，根據(jù)假設(shè)的雷電通道模型來(lái)反演得出雷電流的幅值。但監(jiān)測(cè)到的雷電流產(chǎn)生的電場(chǎng)包含了地面、樹(shù)木、山體、建筑物等的反射波，因此監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)是已變形的數(shù)據(jù)，反演得到的雷電流幅值難以保證其準(zhǔn)確度。

6 雷電流波形

6.1 高塔監(jiān)測(cè)結(jié)果

可借助高測(cè)量塔對(duì)通道底部電流進(jìn)行測(cè)量，得出雷電流數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征。CIGRE推薦的負(fù)極性下行閃電的對(duì)數(shù)正態(tài)分布參數(shù)見(jiàn)表 1。[5]IEEE 采用的 CIGRE 雷電流推薦波形見(jiàn)圖 1。[3]

表1 負(fù)極性主放電電流統(tǒng)計(jì)表

圖1 典型的雷電主放電電流波形

6.2 火箭引雷的測(cè)量結(jié)果

采用火箭引雷可獲取雷電流波形。圖2所示是美國(guó)NASA（1985年、1987年、1988年）和法國(guó)（1986年）通過(guò)火箭引雷得到的雷電流幅值I及波頭部分的dI/dt之間的關(guān)聯(lián)圖。[6]

圖2 通過(guò)火箭引雷得到的雷電流幅值I及波頭部分的dI/dt之間的關(guān)聯(lián)圖

6.3 輸電線路雷電波形監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)結(jié)果

日本根據(jù)1994－2004年10年監(jiān)測(cè)得到的雷電流持續(xù)時(shí)間及幅值的概率分布與Berger等的高塔監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，[7]線路桿塔與高塔的雷電流幅值監(jiān)測(cè)結(jié)果概率分布基本一致，幅值＜10 kA時(shí)有些差別，但二者的波頭時(shí)間的概率分布相差較大。

7 線路防雷措施的決定因素

輸電線路遭雷擊閃絡(luò)時(shí)，經(jīng)自動(dòng)重合閘裝置消除工頻續(xù)流后繼續(xù)運(yùn)行。只有自動(dòng)重合閘無(wú)法消除的永久性故障時(shí)線路才退出運(yùn)行。輸電線路采用哪一類防雷措施主要是由電力運(yùn)行部門對(duì)雷害事故的考核方式?jīng)Q定的。衡量輸電線路防雷性能的優(yōu)劣主要有兩個(gè)指標(biāo)：一個(gè)指標(biāo)是線路雷擊跳閘率，它是指每一百公里線路每年（折算到40個(gè)雷電日下）由雷擊引起的跳閘次數(shù)；另一個(gè)指標(biāo)是線路的耐雷水平，它指雷擊線路時(shí)線路絕緣不發(fā)生沖擊閃絡(luò)的最大雷電流幅值，單位是kA。線路的耐雷水平越高，線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)的機(jī)會(huì)越小，說(shuō)明線路的防雷性能越好。我國(guó)的防雷措施的出發(fā)點(diǎn)是盡量不讓線路雷擊閃絡(luò)。雖然雷擊閃絡(luò)后經(jīng)自動(dòng)重合閘裝置來(lái)排除閃絡(luò)故障，但絕緣子表面在工頻電弧作用下會(huì)發(fā)生燒蝕。

8 防雷措施

在高壓輸電線路中，落雷所擊的部位有三處：桿塔頂、避雷線檔距中央及其附近以及繞過(guò)避雷線直擊導(dǎo)線處，其中以雷擊桿塔頂端最為嚴(yán)重。輸電線路的耐雷水平主要與四個(gè)因素有關(guān)：線路絕緣子的50 %放電電壓U50 %、有無(wú)避雷線、雷電流強(qiáng)度、桿塔的接地電阻。其中，U50 %是一定的，雷電流強(qiáng)度與地理位置和氣候條件相關(guān)。目前多采用降低桿塔接地電阻值、架設(shè)避雷線、安裝避雷器等方式來(lái)提高輸電線路的耐雷水平，主要防雷措施包括以下幾個(gè)方面：

8.1 安裝避雷線

避雷線是輸電線路最基本的防雷措施之一，可防止雷電直擊導(dǎo)線；對(duì)雷擊電流的分流；與導(dǎo)線耦合，降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過(guò)電壓；降低雷擊桿塔時(shí)塔頭絕緣上的電壓。但避雷線的作用是引雷，會(huì)造成反擊、繞擊及感應(yīng)雷擊事故，對(duì)高桿塔或大檔距的輸電線路保護(hù)不夠理想。

8.2 提高線路絕緣水平

在線路設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般不按雷電過(guò)電壓的要求選擇絕緣子串的絕緣子強(qiáng)度，但可根據(jù)具體情況對(duì)輸電線路進(jìn)行調(diào)爬，110 kV輸電線路調(diào)整到8片絕緣子，500 kV線路調(diào)整為27片、28片，既減少污閃又起到增強(qiáng)線路防雷性能的作用。

8.3 桿塔接地技術(shù)

對(duì)一般高度的桿塔，降低線路桿塔地網(wǎng)接地電阻是提高線路耐雷水平，以防止反擊的有效措施。接地裝置在雷電流作用下，存在電感效應(yīng)和火花效應(yīng)，電感效應(yīng)導(dǎo)致阻抗增加，而火化效應(yīng)導(dǎo)致阻抗降低。降低桿塔接地電阻應(yīng)該降低的是沖擊接地電阻，一般來(lái)說(shuō)，接地裝置的沖擊接地電阻低于工頻接地電阻。但經(jīng)常出現(xiàn)工頻接地電阻很低的桿塔而雷擊閃絡(luò)事故頻繁的現(xiàn)象。其原因是，在一些高土壤電阻率地區(qū)采用較長(zhǎng)的水平伸長(zhǎng)接地體可以有效降低工頻接地電阻，但由于接地體具有雷電沖擊有效長(zhǎng)度，沖擊接地電阻卻不會(huì)隨之降低。目前，我國(guó)一般將桿塔的工頻接地電阻乘以一個(gè)估算的沖擊系數(shù)來(lái)得到?jīng)_擊接地電阻。

8.4 架設(shè)耦合地線

在降低桿塔接地電阻有困難的時(shí)候，可以在導(dǎo)線下方架設(shè)一條接地線（耦合地線），作用有：①增加避雷線與導(dǎo)線之間的禍合作用，降低絕緣子串兩端的反擊電壓；②在雷擊塔頂時(shí)，增大向相鄰桿塔分流的雷電流。

8.5 雙回輸電線路采用不平衡絕緣

雙回輸電線路采用不平衡絕緣，低絕緣水平的一回線路在雷擊時(shí)將率先閃絡(luò)來(lái)保護(hù)另一回線路。過(guò)去日本的不平衡絕緣線路采用降低一回線路的絕緣水平的差絕緣方式，結(jié)果導(dǎo)致線路總體雷擊閃絡(luò)率增加，目前我國(guó)采用的是加強(qiáng)一回線路絕緣水平的方式。

8.6 線路裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置

由于雷擊造成的閃絡(luò)大多能在跳閘后可自行恢復(fù)絕緣性能，所以裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置可使線路恢復(fù)供電。

8.7 安裝線路避雷器

線路避雷器工作的基本原理是雷擊避雷線或塔頂時(shí)，當(dāng)產(chǎn)生的過(guò)電壓超過(guò)一定的幅值時(shí)避雷器發(fā)生動(dòng)作，給雷電流提供一個(gè)低阻抗的通路，使其泄放到大地，從而限制了電壓的升高。避雷器的性能有待改進(jìn)使其提高容量、降低殘壓和延遲老化等，同時(shí)降低生產(chǎn)成本、擴(kuò)大應(yīng)用范圍。經(jīng)驗(yàn)表明，線路避雷器可達(dá)到100 %防止被保護(hù)線段雷擊閃絡(luò)的效果，要消除線路雷擊閃絡(luò)，需要在易擊段每個(gè)桿塔上安裝線路避雷器。

9 結(jié)束語(yǔ)

輸電線路的防雷措施主要包括安裝避雷線、提高線路絕緣水平、同塔多回線路的不平衡絕緣、改善桿塔接地裝置沖擊特性、架設(shè)耦合地線、裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置、安裝線路避雷器等。對(duì)于已投運(yùn)的輸電線路，減小屏蔽角、提高絕緣水平等措施受到桿塔結(jié)構(gòu)的限制，最有效的方法是安裝線路避雷器。對(duì)于新建線路，減小輸電線路的雷擊故障一般的方法是盡量減小避雷線的屏蔽角，降低桿塔接地裝置的沖擊接地電阻，適量安裝線路避雷器。對(duì)于不同電壓等級(jí)的輸電線路，安裝線路避雷器都是最為有效的線路防雷措施，可實(shí)現(xiàn)100 %消除被保護(hù)線段的雷擊跳閘事故。但線路避雷器的保護(hù)范圍有限，投資較高，在不可能全線安裝線路避雷器時(shí)，應(yīng)充分利用雷電定位系統(tǒng)開(kāi)展線路避雷器的選址。防雷設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合雷電參數(shù)的地域特性，綜合評(píng)估線路的防雷特性和防雷措施的有效性，因地制宜，不同區(qū)域線段采取與之相應(yīng)的防雷措施。

1 武漢高壓研究所.輸電線路雷擊跳閘率計(jì)算方法和500 kV超高壓線路防雷設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[R]，1982

2 陳水明、樊靈孟、何宏明等.廣東省雷電定位系統(tǒng)運(yùn)行情況[J].中國(guó)電力，2001.34（12）：43～47

3 Anderson R B, Eriksson A J.Lightning parameters for engineering application [J].Electra,1980.39（69）: 65～102

4 IEEE Std 1410－1997 IEEE guide for improving the lightning performance of electric power overhead distribution lines[S],1997

5 CIGRE.Guide to procedure for estimating the lightning performance of transmission lines: CIGRE Brochure 63[R].[S.l.]: CIGRE, 1991

6 Leteinturier C, Hamelin J H, Eybert－Berard A.Submicrosecond characteristics of lightning return stroke currents[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1991.33（4）:351～357

7 Takami J, Okabe S.Observational results of lightning currenton transmission towers[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007.22（1）：547～556