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摘要：在我国，输电线路纵横交错，线路走廊大多在山区，线路受雷电绕击而跳闸的次数越来越多。正在建设的特高压线路中，线路防护的主要工作是雷电绕击的防护，地线的保护角是影响线路绕击的跳闸率的重要因素，保护角越小，跳闸率越小。对已建成的输电线路来说，保护角已经固定，目前一种使用较多的防绕击措施是在地线上加装防绕击避雷针以提高地线对导线的屏蔽能力。由于避雷针的针杆长度一般只有0.2到0.6米，所以其保护范围有限，在实际工程中尚无足够的运行经验可以证明其有效性。因此文章重点就输电线路防绕击避雷针的电气设计展开探讨。
关键词：输电线路；防绕击避雷针；电气设计；优化措施
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，由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，防止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。输电线路防绕击避雷针是一种地线避雷针，可有效防止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。
一、防绕击避雷针的结构和保护原理
防绕击避雷针是一种安装在输电线路地线上的金属针。一般都是间隔一定距离的，尖端的朝向是杆塔附近的地线，增加地线的引雷作用。一般在距离杆塔15m和30m处的地线上各安装1根防绕击避雷针，每基塔共安装8根。防绕击避雷针的主要结构是头部的1根0.2～0.4m长的针杆，以及位于其尾部的平衡球和防震锤头、套管、线夹等组成。当输电线路受到雷击时，防绕击避雷针的尖端引雷作用将原本会绕击导线的雷电引至地线，然后通过杆塔将雷电流泄入大地。它的保护原理与将地线往外平移1个铁杆长度的距离类似，从而减小下方导线地线保护角，以此降低跳闸频率。
二、不同类型的避雷针引类机理分析
（一）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，使电离减弱甚至停止；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。通过上述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，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。
（二）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。由于极化，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，并形成由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。
（三）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。
三、电气试验
下面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。为防止由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。实验雷云板与针尖的空气间隙为1m。实验采用雷电冲击波和操作冲击波，每个气隙施加的电压有临界击穿电压和远超过临界条件的击穿电压，每个电压值重复30次，两个针在云板的几何位置，重复实验，防止雷云板对实验的影响。
表1试验数据对比结果
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。
总之，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。
参考文献
[1]黄欢,曾华荣,罗洪,刘华麟,唐程.架空输电线路防绕击避雷针防护效果试验研究[J].电瓷避雷器,2013,01
[2]黄欢,曾华荣,罗洪,刘华麟.架空输电线路防绕击避雷针防护效果试验研究[J].中国电业(技术版),2012,11
[3]江海燕,周银彪,周军.输电线路防绕击避雷针设计[J].科协论坛(下半月),2010,02
论文作者:容启望
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/28
标签：避雷针论文; 电荷论文; 电场论文; 电离论文; 先导论文; 场强论文; 极性论文; 《电力设备》2017年第21期论文;