雷电绕击机理分析_王惠忱

0 前 言
相对于日臻成熟的雷击塔杆和避雷线引起对导 线的“反击”的防护技术 ,“绕击”防护的问题日渐突 出。现有的雷击防护措施 ,如避雷针、线等 ,由于防绕 功能不足 ,难以满足高建筑物和旷野输电线路防绕 要 求。而 500kV 线路 雷 击闪 络的 主 要形 式 是“绕 击” [1 ]。尤其是运行在山区 ,接地电阻已满足设计耐 雷水平的线路杆塔 ,绕击发生的机率远高于反击。因 此 ,研究绕击防护对策十分现实和紧迫。
低空低幅值雷电先导对低耐雷水平的输电线路 会有反击危害 ,且容易满足绕击的自身条件 ,在接地 体同时满足自身绕击条件时 ,绕击的机率较高。
2 先导的流动、定位和闪击特性
空中雷云等效带电中心向地面分级发展是电场 畸变和能量损耗过程 ,同时也是一个寻找最佳能量 释放途径的过程 ,发展方向是随机的 ,依据头部附近 空中电场畸变结果而不断调整 ,其对某一目的物的 定位决定于先导前方电场的强度和分布情况 ,随机 的雷电先导每一次分级跃变都是选择的必然结果。 雷电先导电场的大小 ,是接地体产生迎面先导大小 的决定因素。接地体迎面先导对随机雷电先导的拦 截能力 ,是后者能否对接地体定位的关键。不同材 质、不同形状处在不同地质地貌的接地体 ,发生迎面 先导的能力不同 ,对雷电先导的拦截高度不同 ,亦即 最后定位高度不同。这是研究绕击机理和正确选择 防绕措施必须关注的问题。
低空高幅值雷电先导由于到达接地体的时间较 短 ,使接地体附近感应场强较高 ,接地体顶端易于产 生迎面流注与之交汇 ,且高幅值先导前端游离区半 径较大 ,能在较高处定位 ,故一般高度 50m 以下的 平原、丘陵地带的输电线路杆塔不易产生绕击 ,而山 区、山坡杆塔不仅可发生绕击 ,且有很大的感应雷过 电压机率。另外四周较为空旷的高大建筑物绕击机 率也很高 ,且绕击雷电流幅值也相对较大。 1. 2 低幅值雷电先导闪击特性
目前我国 500kV 线路杆塔防雷保护设计重在 “反击” ,而高接地体和 500 kV 高压输电线路频次较 高的绕击现象不仅暴露了杆塔防雷保护中采取的防 绕措施不力 ,也显示出对雷电先导特性和绕击机理 的认识不足。 4. 2 对先导携带的雷电流幅值、接地体阻抗和接地 体 绝缘 配 置是 接 地 体、 绝缘 击 穿 造 成反 击 的 决定 因 素。所以防止接地体反击应考虑:
侧面低空的雷电先导 ,将向便于泄放自己能量的方 位“最后阶跃” ,这是雷电先导有可能向接地体绕击 的原因 ,而接地体自身是否存在易于遭受绕击的条 件 ,也是绕击能否发生的重要原因。
通 常 把 > 1000m 的 雷 云 称 为 高 空 雷 云 , < 600m 则为低空雷云 ,雷电流≥ 100k A时称为高幅 值雷电流 , < 100k A则为低幅值雷电流。高空雷云 可有两种情况: 一为能形成高幅值雷电先导的高密 度高场强带电雷云 ,即高空高幅值雷云 ; 另一为高空 低幅值雷云。低空雷云亦分为低空高幅值雷云和低 空低幅值雷云两种情况。不同空间高度、不同幅值区 分的雷电先导 ,对接地体的雷击具有不同的性质和 特点。 1. 1 高幅值雷云先导闪击特性
低幅值雷电先导易于向产生迎面先导能力较强 的金属尖端 ,或带有电压的输 电线路导线发展。因 此 ,在地质、地貌、杆塔固有参数等条件相同的情况
下 ,输电线路电压水平越高 ,导线电场愈强 ,绕击的 可能性越大。反击决定于雷电先导幅值和杆塔本身 固有参数 (包含绝缘配置 ) ,而绕击仅决定于“接地 体”和“先导”是否具备绕击条件。绕击到导线后绝缘 是否闪络 ,则与杆塔的绝缘水平和雷电幅值有关。高 绝缘水平的 500 kV 输电线路频繁发生的绕击现象 即是很有说服力的证明。
2) 对既要防止反击 ,又要防止绕击的接地体 , 应降低雷电先导对接地体闪击的定位高度 ,使接地 体不发出易使雷电先导定位高度较高的“定位迎面 先导”。同时应在接地体侧面安装接闪装置 ,如在高 接地 体 或线 路 杆塔 侧 面 安装 具 有 防绕 功 能 的“ 全 屏 蔽防雷装置” [ 3] ,作为对已进入接地体侧面屏蔽失效 区的雷电先导可靠接闪的有效防绕措施。
图 3 不同电压导 线电磁场对定位高度的影响
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导线电压越高、导线电磁场越强 ,先导对导线的绕击 机率越高 ,避雷线的屏蔽效果也越差。
图 4为 国家电力 公司武汉 高压研究 所 5. 4M V 冲击试验接线图 ,图中 IG 为冲击发生器 , RD为保护 电阻 , 接地电 阻 Rg = 3. 5Ψ ,模 拟雷云 极板 4m× 4m, 高度 H = 6. 5m, 地极板 15m× 20m ,避雷针高 2m,绝缘架高 1m。试验中先导—— 针和先导—— 避 雷线放电次数分别为 49和 1次 [2 ] ,表明金属针的引雷 能力远高于金属线 (约数十倍 )。
尤其已进入线路杆塔侧面 ,避雷线屏蔽失效区 域内的雷电先导 (见图 2)在带有电压的导线电磁场 和雷电场共同作用下 ,向其定位和发展。由高空到低 空长距离发展游离Βιβλιοθήκη Baidu程使先导幅值大大降低是一般 对低空接地体绕击的雷电流幅值较低的原因之一。
发展到低空的高空高幅值雷电先导发生绕击必
1999年 9月 高 电 压 技 术 第 25卷第 3期 · 53·
高空低幅值雷电先导由于能量有限 ,对最先遇 到的较高接地体会形成直击雷危害 ,在向地面多次 分级发展的过程中多次发生电场畸变 ,能量损失较 大 ,放电能力不断降低 ,游离到低空后才能向某个接 地体定向发展 ,接受最易被吸引的接地体提供的放 电快捷通道。因此它只有满足自身绕击条件且目的 物也符合绕击条件时才能发展“最后阶跃”—— 击穿 放电 ,即小电流、小击距绕击。
DOI : 10. 13336 /j . 1003 -6520. hve . 1999. 03. 019
· 52· Sept. 1999 HIGH V OL T AGE ENGIN EERIN G Vo l. 25 No. 3
雷电绕击机理分析
M echa nism of Ligh tni ng Shieldi ng Failure
高空高幅值雷云先导因其电荷量和电位较高 , 头部电场较强 ,使地面的高建筑物易于产生迎面先 导。雷云先导往往未到接地体侧面绕击定位高度时 , 即被高接地体的迎面先导拦截。迎面先导的产生与 发展不仅与自身产生电荷的能力有关 ,也与激发电 场的雷电先导头部电位密切相关。高幅值雷电先导 激发的迎面先导流注发展速度和幅值也较高 ,因而 , 高幅值雷电先导对接地体的定位时间快 ,定位高度 较高 ,即大多数高幅值雷电先导被较高接地体所吸 引 ,不易发展为绕击 ,这也是高幅值雷电先导易击中 接地体顶部的主要原因之一。
辽宁省朝阳电业局 (朝阳 122000) 王惠忱
摘 要 对不 同高度、不 同幅 值的雷 电先 导进 行了 分析 研 究 ,根据 雷电 先导的 绕击 特性 和不同 雷击 目的 物的 接闪 效 能 ,提出 了“绕 击充要条件 ”和“定位迎 面先导”概念 ,制定 了 雷电绕击防护对策。 Abstract This pa per pr esents th e analy sis and study o n ligh tning leader o f differ ent lig ht and amplitvde. Th e co nception o f "necessar y co nditio n o f lgih tning shieding failure" and "lo cating leader " ar e pr oposed based o n the charac teristics o f shielding failure o f lig htning leader a nd effect of different lig htning strike objec ts. The sug gestions of prev enting f ro m shielding failur e are g iv en. 关键词 雷电 绕击 机理 Key words lig htning shielding failur e mechanism
但不是所有的高空高幅值雷电先导都不能发展 绕击。在向接地体定位之前 ,高空高幅值先导头部发 展方向是依客观条件随机变化的 ,其向下分级发展 的过程既是能量损耗、幅值衰减的过程 ,也是受气象 条件、地质地貌、接地体固有参数等因素影响而随机 寻找释放能量最佳途径的过程。这一过程若未受到 高接地体迎面先导 拦截 ,它将继续向下 , 到达低空 时 ,它将可能受到低接地体或高接地体侧面迎面先 导的影响 ,从而向其闪击或绕击。(见图 1)
图 1 进入低空的雷电先导
图 2 进入 杆塔侧面屏蔽失效区的先导
须具备两个条件: 一是低空接地体顶端电场产生的 迎面先导不足以使雷电先导向其定位 ,即不能拦截 雷电先导而接地体侧面却有吸引雷电先导的能力 ; 二是应运动到距接地体一定的范围内且先导幅值足 以达到对剩余空气间隙击穿放电 ,而具备了这两个 条件则必然发生绕击 ,因此 ,同时具备二者即是发生 绕击的充要条件。
3 雷击目的物接闪特性
被接地体感应而向其发展的迎面先导定位该接 地体并最终导致闪击 ,闪击方向指向迎面先导出发 点 ,故称为定位迎面先导。因而雷击目的物的安装方 位是定位迎面先导发展、最终闪击的导向。因此 ,目 的物的方位既决定先导的定位高度 ,也决定雷电先 导闪击的方向。
架有避雷线的输电线路侧面存在屏蔽失效区域 说明 ,避雷线对侧向低幅值雷电先导的引雷能力较 弱 ,杆塔保护角越大 ,侧面雷电先导的定位越高 ,屏 蔽失效区域也越大。如图 3示意 ,在保护角相同时 ,
图 4 针、线引雷能力对比试验原理接线图 (针线等 距 )
接地体能否发出迎面先导和发出的方位是成功 拦截雷云先导的关键 ,而被拦截雷云先导幅值与其 定位高度成正比 ,即定位迎面先导发出的位置和方 向 ,不仅仅是对被拦截先导的定位 ,也是对它在幅值 数量上的某种界定。
4 雷电防护决策的思考
4. 1 不同幅值不同高度雷电先导有各自的定位和 闪击特点 ,必须根据不同先导的不同定位闪击特性 , 结合不同方位雷击目的物接闪效能和特点 ,因地制 宜的制定雷电防护措施。对同一个接地体而言 ,“反 击”的特点是: ①与先导雷电流幅值密切相关 ; ②机 率与绝缘配置密切相关。“绕击”的特点是: ①定位高 度比反击低 ; ②只在满足绕击充要条件时发生。
1 雷电先导闪击的特性
高空带电雷云激励地面接地体 ,使其快速、强烈 响应 ,自顶端产生迎面先导与之交汇。装有雷电接闪 装置的接地体 ,将把雷云先导发展方向引向自身。有 些接地体在顶端装设避雷针、线等 ,用以控制接地体 上部高空雷电先导对建筑物的危害。但并不是所有 的高场强雷云在不断向下分级发展的过程中 ,都恰 好被装在高接地体顶端的雷电接闪装置所吸引。装 设在接地体顶端的雷电接闪装置能否接闪 ,不仅与 接闪装置产生异性电荷的能力和异性电荷迁移速率 有关 ,也与雷电先导头部电场游离范围即先导对接 地体迁移异性电荷的吸引半径有关 ; 同时也和接地 体产生迎面先导的能力有关。雷云在随风向快速移 动的过程中 ,受到雷云与雷云之间 ,雷云与大地之间 各种不断变化的随机因素影响。雷云先导在接受各 种影响的同时 ,不断地调整先导头部分级发展的方 向 ,从而使先导头部向接地体定向发展时的定位高 度并不一定恰在接地体的上部空间。发展到接地体
1) 提高接地体反击耐雷水平 , 其中包括降阻、 均 压、屏 蔽、分 流、 增加 绝缘 等等 措施 。
2) 不在接地体上安装可拦截高幅值雷电先导 的接闪装置。 4. 3 根据绕击特点 ,防止绕击应考虑:
1) 对设计耐雷水平远高于本地区雷电活动强 度的接地体 ,可在高空拦截雷电先导 ,不使其进入接 地体绕击区。