雷電概述1.1 雷電現(xiàn)場(chǎng)

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點(diǎn)令人生畏的放電現(xiàn)象。產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性。

雷電一般產(chǎn)生于對(duì)流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強(qiáng)烈的陣風(fēng)和暴，有時(shí)還伴有冰雹和龍卷,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對(duì)流等過程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復(fù)雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負(fù)電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個(gè)電位差。當(dāng)電位差達(dá)到一定程度后，就會(huì)產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達(dá)30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時(shí)，它們之間就發(fā)生激烈的放電。放電過程中，由于閃道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致強(qiáng)烈的雷鳴。在雷電放電地點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。

1.2 雷電的危害形式

雷電侵入地面的建（構(gòu)）筑物、設(shè)備、人、畜等會(huì)造成災(zāi)害，其形式主要有：

直接雷擊（包括直擊雷、繞擊雷）——在雷電活動(dòng)區(qū)內(nèi)，雷電直接通過人體、建（構(gòu)）筑物、設(shè)備等對(duì)地放電產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象為直接雷擊。

間接雷擊——雷電流通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、電磁脈沖輻射、雷電過電壓入侵、雷電反擊等（統(tǒng)稱感應(yīng)雷）形式侵入建（構(gòu)）筑物內(nèi)，使建（構(gòu)）筑物、設(shè)備部件損壞或人身傷亡。

雷電災(zāi)害的嚴(yán)重性表現(xiàn)在它具有巨大的破壞性上，其特點(diǎn)是雷電放電電壓高，閃電電流幅值大，變化快，放電時(shí)間短，閃電電流波形陡度大。雷電的破壞作用在于強(qiáng)大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場(chǎng)以及強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，給人類社會(huì)帶來極大的危害，造成人員傷亡、巨大破壞、起火爆炸、嚴(yán)重?fù)p失。雷電災(zāi)害波及面廣，人類社會(huì)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、建筑、電力、通信、航空航天、交通運(yùn)輸、石油化工、金融證券等各行各業(yè)，幾乎無所不及。隨著高科技的發(fā)展，雷電災(zāi)害顯得越來越嚴(yán)重。

2雷擊機(jī)理 雷電一般起于對(duì)流發(fā)展旺盛的雷雨云中。感應(yīng)起電理論認(rèn)為，在晴天大氣電場(chǎng)下，電場(chǎng)方向自上而下，在垂直電場(chǎng)中下落的降水粒子被電場(chǎng)極化后，上部帶負(fù)電荷，下部帶正電荷。云中的小冰粒或是小水滴在同這些較大的降水粒子相碰撞后，就獲得了正電荷，然后會(huì)隨著上升氣流向上走，從而發(fā)生了電荷的轉(zhuǎn)移過程，使得小冰粒或者小水滴帶正電荷、降水粒子帶負(fù)電荷。下圖給出了小水滴或小冰粒與極化的降水粒子碰撞獲得電荷過程示意圖。

圖  小水滴和小冰粒與極化的降水粒子碰撞獲得電荷過程示意圖

在雷電發(fā)生之前，帶有不同極性和不同數(shù)量電荷的雷雨云之間，或是雷雨云與大地物體之間會(huì)形成了強(qiáng)大的電場(chǎng)，如下圖所示。隨著雷雨云的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展，一旦空間電場(chǎng)強(qiáng)度超過大氣游離放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，就可能在雷雨云內(nèi)部或者是雷雨云與大地之間發(fā)生放電現(xiàn)象，此時(shí)的放電電流可達(dá)幾十kA到數(shù)百kA，伴隨著強(qiáng)大的電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的發(fā)光和發(fā)熱，空氣受熱急速膨脹會(huì)產(chǎn)生轟隆聲，這就是雷電的產(chǎn)生過程。

圖 雷雨云內(nèi)部和雷雨云與地面物體電場(chǎng)分布示意圖

地閃放電通道發(fā)展的實(shí)際拍攝照片如下圖所示。地閃的放電通道暴露于云體之外易于光學(xué)觀測(cè)。因此，目前對(duì)地閃放電過程已經(jīng)有了相對(duì)較系統(tǒng)的研究。

圖 一次地閃放電通道發(fā)展的高速攝像圖片

3雷擊分類 根據(jù)形成原因，輸電線路雷擊過電壓可分為感應(yīng)雷過電壓和直擊雷過電壓。感應(yīng)雷過電壓是雷擊線路附近大地由于電磁感應(yīng)在導(dǎo)線上產(chǎn)生的過電壓，而直擊雷過電壓則是雷電直接擊中桿塔、地線或?qū)Ь€引起的線路過電壓。從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)35 kV及以下電壓等級(jí)的架空線路，感應(yīng)過電壓可能引起絕緣閃絡(luò)；而對(duì)110（66）kV及以上電壓等級(jí)線路，由于其絕緣水平較高，一般不會(huì)引起絕緣子串閃絡(luò)。由于對(duì)輸電線路造成危害的主要雷擊過電壓為直擊雷過電壓，所以本手冊(cè)著重講述直擊雷過電壓。

架空輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分。由于它暴露在自然之中，所經(jīng)之處大都為曠野或丘陵、高山，且線路距離較長(zhǎng)，桿塔高度較高，因此遭受雷擊的概率很大。下圖所示為輸電線路雷擊物理過程。

(a)雷云下行先導(dǎo)向地面物理發(fā)展

(b)鐵塔或地線、導(dǎo)線產(chǎn)生迎面先導(dǎo)

(c)雷云下行先導(dǎo)擊中鐵塔或地線

(d)雷云下行先導(dǎo)擊中導(dǎo)線

雷云下行先導(dǎo)到達(dá)地面一定距離時(shí)，輸電線路鐵塔、地線、導(dǎo)線、地面其他物體都會(huì)產(chǎn)生迎面先導(dǎo)，這些迎面先導(dǎo)會(huì)競(jìng)爭(zhēng)和雷云下行先導(dǎo)連接，決定著最終回?fù)袈窂胶屠纂姄糁悬c(diǎn)。根據(jù)這一物理過程，輸電線路的雷擊形式大致可分為繞擊和反擊。

3.1 繞擊

雷電繞擊是指地閃下行先導(dǎo)繞過地線和桿塔的攔截直接擊中相導(dǎo)線的放電現(xiàn)象，如下圖所示。雷電繞擊相導(dǎo)線后，雷電流波沿導(dǎo)線兩側(cè)傳播，在絕緣子串兩端形成過電壓導(dǎo)致閃絡(luò)。當(dāng)?shù)孛鎸?dǎo)線表面電場(chǎng)或感應(yīng)電位還未達(dá)到上行先導(dǎo)起始條件時(shí)，即上行先導(dǎo)并未起始階段，下行先導(dǎo)會(huì)逐步向下發(fā)展，直到地面導(dǎo)線上行先導(dǎo)起始條件達(dá)到并起始發(fā)展，這個(gè)階段為雷擊地面物體第一階段。地面導(dǎo)線上行先導(dǎo)起始后，雷擊地面導(dǎo)線過程進(jìn)入第二個(gè)階段。在該階段內(nèi)上下行先導(dǎo)會(huì)相對(duì)發(fā)展，直到上下行先導(dǎo)頭部之間的平均電場(chǎng)達(dá)到末躍條件，上下行先導(dǎo)橋接并形成完整回?fù)敉ǖ缽亩鹗状位負(fù)?。雷電繞擊的發(fā)展過程如下圖所示。

圖 雷電繞擊示意圖圖

圖 雷電繞擊發(fā)展過程

造成輸電線路繞擊頻發(fā)的原因主要有：

①自然界中的雷電活動(dòng)絕大多數(shù)為小幅值雷電流，而恰恰是它們能夠穿透地線擊中導(dǎo)線；

②在運(yùn)的輸電線路地線保護(hù)角普遍較大，加之山區(qū)地段地面傾角較大；

③超特高壓、同塔多回線路桿塔高度普遍增加；且線路多沿陡峭山區(qū)架設(shè)，使大檔距桿塔增多；這兩方面因素均使線路對(duì)地高度增加，降低了地面的屏蔽作用。

3.2  反擊

3.2.1 常規(guī)型輸電線路

對(duì)于常規(guī)型桿塔，雷擊地線或桿塔后，雷電流由地線和桿塔分流，經(jīng)接地裝置注入大地。塔頂和塔身電位升高，在絕緣子兩端形成反擊過電壓，引起絕緣子閃絡(luò)，如下圖所示。

圖 雷電反擊示意圖

3.2.1.1 雷擊塔頂

雷擊線路桿塔頂部時(shí)，由于塔頂電位與導(dǎo)線電位相差很大，可能引起絕緣子串的閃絡(luò)，即發(fā)生反擊。雷擊桿塔頂部瞬間，負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的雷電流一部分沿桿塔向下傳播，還有一部分沿地線向兩側(cè)傳播，如下圖所示。負(fù)極性雷電流一部分沿桿塔向下傳播，還有一部分沿地線向兩側(cè)傳播；同時(shí)，自塔頂有一正極性雷電流沿主放電通道向上運(yùn)動(dòng)，其數(shù)值等于三個(gè)負(fù)雷電流數(shù)值之和。線路絕緣上的過電壓即由這幾個(gè)電流波引起。

圖 雷擊塔頂時(shí)雷電流分布

3.2.1.2 雷擊地線檔距中央

如下圖所示，雷擊地線檔距中央時(shí)，雖然也會(huì)在雷擊點(diǎn)產(chǎn)生很高的過電壓，但由于地線的半徑較小，會(huì)在地線上產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈；又由于雷擊點(diǎn)離桿塔較遠(yuǎn)，當(dāng)過電壓波傳播到桿塔時(shí)，已不足以使絕緣子串擊穿，因此通常只需考慮雷擊點(diǎn)地線對(duì)導(dǎo)線的反擊問題。

圖  雷擊地線檔距中央

3.2.2 緊湊型輸電線路

緊湊型輸電線路具有自然輸送功率高、電磁環(huán)境友好等方面優(yōu)勢(shì)，在如今線路走廊日益緊張、環(huán)境保護(hù)要求逐漸提高的背景下得到日益廣泛的應(yīng)用。緊湊型輸電技術(shù)是指通過縮小相間距離、優(yōu)化導(dǎo)線排列、增加相分裂子導(dǎo)線根數(shù)等改變線路幾何結(jié)構(gòu)的方法，壓縮線路走廊，增大導(dǎo)線電容，減少線路電抗，大幅提高自然輸送功率的新型輸電技術(shù)，如下圖所示。

圖 單回緊湊型線路桿塔

緊湊型線路由于采用了負(fù)保護(hù)角，防繞擊性能明顯優(yōu)于常規(guī)線路，但是，由于緊湊型線路桿塔特殊的塔窗結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線布置方式，造成塔頭間隙特殊位置雷電沖擊放電電壓偏低，使得緊湊型線路反擊跳閘在總跳閘數(shù)中所占的比例要高于常規(guī)線路的反擊比例。

緊湊型直線塔特殊的塔窗結(jié)構(gòu)，三相導(dǎo)線均位于塔窗內(nèi)部，其雷擊閃絡(luò)的放電路徑與常規(guī)線路沿絕緣子串放電的路徑有明顯差異。我國(guó)相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)曾對(duì)緊湊型輸電線路桿塔的雷電反擊機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究。我國(guó)第一條500kV緊湊型線路昌房線采用的直線塔塔頭布置及電氣間隙如下圖所示。通過對(duì)模擬塔頭進(jìn)行1.7/50μs雷電波沖擊試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

圖  昌房500kV緊湊型直線塔塔面布置及其電氣距離

表 模擬塔頭雷電沖擊電壓試驗(yàn)結(jié)果（修正到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件）加壓相別50%放電電壓

kV間隙距離

m平均場(chǎng)強(qiáng)

kV/mABC地+地22003.7594+地地23503.8618從模擬塔頭的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，上相導(dǎo)線與下相導(dǎo)線塔身側(cè)均壓環(huán)之間的間隙放電電壓比下相導(dǎo)線低7%左右，是緊湊型線路雷電沖擊絕緣水平中相對(duì)薄弱的部分，即下圖中間隙G4。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，G3也是較易發(fā)生反擊閃絡(luò)的路徑，如下圖所示。

圖  緊湊型桿塔雷擊放電路徑

以華北電網(wǎng)為例，2003～2010年華北電網(wǎng)主要500kV線路共發(fā)生雷擊跳閘95次，其中緊湊型線路17次，占雷擊跳閘總數(shù)的17.9％。500kV線路平均雷擊跳閘率為0.195次/（百公里?年），其中常規(guī)線路為0.224次/（百公里?年），緊湊型線路為0.115次/（百公里?年），緊湊型線路的雷擊跳閘率明顯低于常規(guī)線路。這也說明雖然從個(gè)體來看緊湊型線路不能保證在防雷性能上萬無一失，但從統(tǒng)計(jì)來看緊湊型線路相比于常規(guī)線路，其防雷性能仍然具有明顯優(yōu)勢(shì)。

從雷擊故障的性質(zhì)來看，華北電網(wǎng)2003～2010年間常規(guī)型線路發(fā)生了78次雷擊跳閘中僅有2次為反擊跳閘，占跳閘總數(shù)的2.6％，其余均為繞擊跳閘；而在緊湊型線路發(fā)生的17次雷擊跳閘中，除1次大電流雷擊斷線外，12次為繞擊跳閘，4次為反擊跳閘。緊湊型線路反擊跳閘在總跳閘數(shù)中所占的比例要明顯高于常規(guī)線路的反擊比例。

4輸電線路防雷擊的重要性在現(xiàn)代生活中，雷電以其巨大的破壞力給人類、社會(huì)帶來了慘重的災(zāi)難。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因雷擊造成的財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)上百億元。輸電線路是地面上最大的人造引雷物體，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支柱的電力系統(tǒng)，長(zhǎng)期以來雷擊引起的輸電線路跳閘對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了較大的威脅。

據(jù)電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)表明，在我國(guó)跳閘率較高的地區(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)占40％～70％，尤其是在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜的地區(qū)，雷擊輸電線路引起的故障率更高。雷電流具有高幅值、高頻及高瞬時(shí)功率等特性，發(fā)生時(shí)往往伴隨著機(jī)械力效應(yīng)和電氣效應(yīng)的出現(xiàn)。

4.1  機(jī)械效應(yīng)

雷擊輸電線路時(shí)，導(dǎo)線的屈服點(diǎn)會(huì)由于焦耳熱而降低，徑向自壓縮力有可能超過導(dǎo)線的屈服點(diǎn)，從而使鋼芯鋁絞線發(fā)生形變，最終導(dǎo)致原本組合在一起的不同材料發(fā)生剝離和分層，降低了導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度，從而發(fā)生斷線、斷股事故，如下圖所示。

(a)某輸電線路被雷擊致斷線

(b)某線路被雷擊致斷線并燃燒

圖  雷擊的機(jī)械效應(yīng)

4.2 電氣效應(yīng)

輸電線路防雷重點(diǎn)在于雷電由于電氣效應(yīng)產(chǎn)生的過電壓的防護(hù)。雷擊過電壓超過線路絕緣耐受水平時(shí)，將使導(dǎo)線和地（地線或桿塔）發(fā)生絕緣擊穿閃絡(luò)，而后工頻電壓將沿此閃絡(luò)通道繼續(xù)放電，發(fā)展成為工頻電弧，電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置將會(huì)動(dòng)作使線路斷路器跳閘影響正常送電。雷擊對(duì)電網(wǎng)造成的危害，主要有雷擊單相短路、相間短路等。

(a)某線路遭受雷擊瞬間

(b)被雷擊后的輸電線路絕緣子串

隨著電網(wǎng)建設(shè)的架空線路桿塔越來越高，線路走廊越來越密集，客觀導(dǎo)致輸電線路遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)增多增大。每發(fā)生一次雷擊線路的跳鬧故障，都會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成強(qiáng)擾動(dòng)，還將造成設(shè)備損毀、線路停運(yùn)，甚至出現(xiàn)大面積停電事件，嚴(yán)重的還將造成巨額經(jīng)濟(jì)損失和較大社會(huì)影響。在全球氣候環(huán)境日益惡劣的大背景下，我國(guó)近十年來雷電活動(dòng)加劇頻繁，同時(shí)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求不斷增長(zhǎng)，電網(wǎng)建設(shè)不斷增速，因雷擊造成的電網(wǎng)故障所發(fā)生的經(jīng)濟(jì)損失正呈逐年上漲的勢(shì)頭，雷擊造成線路兩相閃絡(luò)、同塔雙回線路同時(shí)閃絡(luò)、同一輸電通道多回線路相繼跳閘等嚴(yán)重故障明顯增加。因此，有針對(duì)性的開展雷電監(jiān)測(cè)與防護(hù)方面的相關(guān)工作，對(duì)于保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。