输电线路防绕击避雷针的电气优化设计分析

输电线路防绕击避雷针的电气优化设计分析

胡爱东

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司新疆乌鲁木齐830001)

摘要：输电线路防绕击避雷针是高压输电线路架空地线中的一种新型电力系统防雷装置，适用于110kV以上的超高压输电线路，其工作原理是利用均压环影响架空地线上方的电场强度，使雷云在靠近线路时不产生放电现象。基于此，作者结合自身经验，对输电线路防绕击避雷针的电气优化设计进行分析，以供人员参考。

关键词：输电线路；防绕击避雷针；电气优化设计

1引言

随着时代不断发展，输电线路的电压不断升高，传统的避雷针逐渐满足不了当前的需求，因此，输电线路防绕击避雷针的电气优化设计成为当前设计人员的首要任务。防绕击避雷针属于地线避雷针，利用自身针尖的绝缘帽与针体串联小气隙，能有效防止雷电绕击导线，降低雷击事故的发生几率，避免安全事故。

2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。

3普通避雷针引雷的原因分析

在雷雨天气中，雷云与地面之间首先会形成一定的电场，通常是直流静电场，并且电场的形成是在雷云对地面放电之前。在放电过程中，如果将雷云比作电极，那么可以将整体比作直流电压作用下的长间隙放电装置。受雷云形成的电场影响，输电线路的避雷针尖端的电场强度最大，而局部空间电离产生的电荷与雷云雷云产生的电荷同极性，通过避雷针流入大地，并在避雷针的上空形成空间电荷，该空间电荷与了避雷针同极性，同时与雷云的异极性电荷向雷云方向运动，降低避雷针尖端附近的电场强度，减弱或停止电离。当空间电荷与避雷针自身的同极性电荷逐渐消散时，避雷针针尖处的电场强度逐渐恢复，并循环该过程。在电离较少时，空间电荷的数量也较少，并降低空间电荷层外的场强数值，导致电离区的扩展较小，因此，引雷的作用较小。当雷云同极性空间电荷与避雷针针尖电离出的电荷没有同时快速消散时，产生的附加电场将不断增强避雷针针尖附近的电场强度。

4防绕击避雷针针尖的绝缘帽避雷分析

在实际的避雷过程中，如果避雷针的针尖处电荷密度较大，将导致对雷云产生的电场不断变强，从而导致引雷空间变大，保护范围也变大。想要增加避雷针针尖处的电荷密度，应做到以下两点：①增加避雷针本身的高度；②根据相关的电介质计划理论，使偶极子电介质受电场作用影响，做规律的定向移动，并使电场有序进行排列，介质的表面产生电荷呈现极性。受极化影响，附加电荷在电极上较多，并与电极原有的电荷极性相同，利用增大电荷密度，增强电场的强度，因此，在避雷针针尖处安装绝缘帽能有效增强避雷针的引雷能力。绝缘帽的安装，防止避雷针针尖附近的空间电荷进入避雷针内，从而避免电荷消失。受雷云自身的作用影响，避雷针针尖处的电荷强度最大，并随着雷云的下行先导向地面延伸，使避雷针针尖处电荷不断增强，当雷云的同极电荷与局部空间电离出的电荷同时被绝缘帽阻隔时，使电荷其紧贴避雷针的绝缘帽外部，并避免电荷通过避雷针流入大地。当避雷针戴有绝缘帽时，避雷针尖端的电场强度不断升高，并始终大于未戴绝缘帽的避雷针电场强度，使得电离现象不断发生，形成导电性好、密度大的区域，最终形成由避雷针向上发展的迎面先导，其作用与提升避雷针本身的高度相同，从而增强避雷针的避雷效果。

5防绕击避雷针针体串联小气隙避雷分析

当天空出现雷云时，地面与雷云之间形成电场，该电场强度可高达5kV/m，并使电场内的部分金属物体或建筑物出现电晕放电现象。当下行先导在雷云内部形成时，雷击放电过程开始。下行先导电荷首先向地面移动，在运动过程中呈阶梯式规律，并使自身所携带的电荷与地面形成电场，与此同时，地面的部分金属物或建筑物产生上行的先导电荷，并不断向上移动，最终，与下行先导电荷会合，当两个先导电荷会合时，闪电电流将流过二者形成的通道。在地面产生上行先导过程中，可能会产生多个上行先导电荷，但第一个与下行先导会合的上行先导决定了雷击位置。输电线路防绕击避雷针本体串联小空气间隙，在雷云先导通道运行过程中，避雷针串联的小间隙相当电容的存在，并在小间隙自身的两极积累电荷，当场强超过极限值时，将击穿小间隙，导致小间隙开始放电，电荷在一定的作用下，与避雷针针尖处的电荷会合，同时向上发展，从而形成迎面上行先导，从而增大小间隙避雷针的引雷能力。

6相关电气试验

经过上述分析，可以通过相关的电气试验进行验证，验证输电线路防绕击避雷针针尖戴上绝缘帽与避雷针本体串联小间隙是否能提升避雷针的引雷能力。

6.1试验物品

在试验前，应准备普通避雷针、串联小气隙避雷针、安装绝缘帽避雷针以及串联小气隙同时安装绝缘帽的避雷针。

6.2试验原理

在试验过程中，将避雷针针尖与试验雷云板的空气间隙设置为1m，利用操作冲击波与雷电冲击波，设置气隙的临界击穿电压与超过临界值的击穿电压，重复进行实验，与此同时，为避免云板对试验数据的真实性产生影响，应将云板位置与试验品的位置进行调换，从而将影响因素降到最低。

6.3试验过程

在试验过程中，通过对电压值重复试验，能测量出空气间隙操作波1.7m与1m的雷电波实验数据，通过比较可以发现，输电线路防绕击避雷针针尖戴上绝缘帽与避雷针本体串联小间隙的避雷针的引雷能力值。

6.4试验结果

通过上述试验结果，能有效证明输电线路防绕击避雷针针尖戴上绝缘帽与避雷针本体串联小间隙能有效提升避雷针的引雷能力。当避雷针与云层之间的电压达到临界值时，没有串联间隙和戴绝缘帽的避雷针引雷能力明显小于串联间隙和戴绝缘帽的避雷针，同时随着冲击放电电压的不断增大，串联间隙和戴绝缘帽的避雷针引雷能力不断提升，由此可知，在更高电压的环境下，该避雷针的作用效果更好。

7结束语

综上所述，在输电线路防绕击避雷针电气优化设计过程中，避雷针中串联小气隙与针尖戴上绝缘帽能有效提升避雷针的防绕击效果，并同时提升避雷线的屏蔽能力，降低雷击事故的发生几率，从而保证输电线路正常运行。但在实际的优化设计过程中，还存在一些问题，需要设计人员不断创新，以保证线路的安全。

参考文献：

[1]王允龙.输电线路防绕击避雷针的电气优化设计分析[J].低碳世界,2017,(31):66-67.

[2]刘阳.防绕击避雷针在220kV输电线路防雷中的效果分析[J].科技创新与应用,2017,(01):47-49.

[3]马卫平,罗国通,周文俊,程方晓.降低输电线路雷击跳闸率的研究与应用[J].吉林电力,2011,39(03):24-27.

[4]沈晓龙,祁利,胡萍,吉容佩.湖北省超高压典型输电线路防雷效果评估[J].湖北电力,2009,33(03):4-6.

[5]彭福先,熊启新,胡涛,周正梅,王晓峰,喻剑辉,周文俊,邱凌.自控防绕击避雷针电气和机械特性研究[J].江西电力,2009,33(01):7-10+25.