輸電線路防繞擊避雷針的電氣優化設計

摘要：隨著時代不斷發展，輸電線路的電壓不斷升高，傳統的避雷針逐漸滿足不了當前的需求，因此，輸電線路防繞擊避雷針的電氣優化設計成為當前設計人員的首要任務。防繞擊避雷針屬于地線避雷針，利用自身針尖的絕緣帽與針體串聯小氣隙，能有效防止雷電繞擊導線，降低雷擊事故的發生幾率，避免安全事故。

關鍵詞：輸電線路;防繞擊避雷針;電氣優化設計

一、普通避雷針引雷機理分析

由于雷云對地放電發生前，雷云和地面之間所形成的電場，基本上是直流靜電場。在雷云先導通道發展過程中若把雷云看成一個電極的話，那就是直流電壓作用下的長間隙放電。

在雷云電場作用下，金屬避雷針尖端附近的電場強度最強，局部空間電離產生的與雷云同極性的電荷通過避雷針入地，與雷云異極性的電荷向雷云方向運動，在避雷針上方形成與避雷針同極性的空間電荷層，這些空間電荷將使避雷針尖端附近的場強降低，使電離減弱甚至停止;待與避雷針同極性的空間電荷逐漸散失，針尖處的場強恢復達到電離的強度又產生電離，如此循環。但總的來說，電離較少，空間電荷數量有限，使空間電荷層外的場強增加有限，電離區的擴展較小，故引雷作用較小。

通過上述空間電荷對電場畸變作用的分析，我們可以設想，當避雷針尖端的高場強區電離出來的與雷云同極性空間電荷不能很快消失時，空間電荷產生的附加電場將進一步增強針尖附近的電場強度，圖1所示為當雷云電場為負極性時，避雷針尖端處有負空間電荷存在時的電場分布。高場強電離或強場放射的作用易于在避雷針尖端形成上行先導，從而加強避雷針的引雷作用，其保護范圍也將加大。

二、防繞擊避雷針針尖的絕緣帽避雷分析

想要增加避雷針針尖處的電荷密度，應做到以下兩點：①增加避雷針本身的高度;②根據相關的電介質計劃理論，使偶極子電介質受電場作用影響，做規律的定向移動，并使電場有序進行排列，介質的表面產生電荷呈現極性。受極化影響，附加電荷在電極上較多，并與電極原有的電荷極性相同，利用增大電荷密度，增強電場的強度，因此，在避雷針針尖處安裝絕緣帽能有效增強避雷針的引雷能力。絕緣帽的安裝，防止避雷針針尖附近的空間電荷進入避雷針內，從而避免電荷消失。受雷云自身的作用影響，避雷針針尖處的電荷強度最大，并隨著雷云的下行先導向地面延伸，使避雷針針尖處電荷不斷增強，當雷云的同極電荷與局部空間電離出的電荷同時被絕緣帽阻隔時，使電荷其緊貼避雷針的絕緣帽外部，并避免電荷通過避雷針流入大地。當避雷針戴有絕緣帽時，避雷針尖端的電場強度不斷升高，并始終大于未戴絕緣帽的避雷針電場強度，使得電離現象不斷發生，形成導電性好、密度大的區域，最終形成由避雷針向上發展的迎面先導，其作用與提升避雷針本身的高度相同，從而增強避雷針的避雷效果。

三、防繞擊避雷針針體串聯小氣隙避雷分析

當天空出現雷云時，地面與雷云之間形成電場，該電場強度可高達5kV/m，并使電場內的部分金屬物體或建筑物出現電暈放電現象。當下行先導在雷云內部形成時，雷擊放電過程開始。下行先導電荷首先向地面移動，在運動過程中呈階梯式規律，并使自身所攜帶的電荷與地面形成電場，與此同時，地面的部分金屬物或建筑物產生上行的先導電荷，并不斷向上移動，最終，與下行先導電荷會合，當兩個先導電荷會合時，閃電電流將流過二者形成的通道。在地面產生上行先導過程中，可能會產生多個上行先導電荷，但第一個與下行先導會合的上行先導決定了雷擊位置。輸電線路防繞擊避雷針本體串聯小空氣間隙，在雷云先導通道運行過程中，避雷針串聯的小間隙相當電容的存在，并在小間隙自身的兩極積累電荷，當場強超過極限值時，將擊穿小間隙，導致小間隙開始放電，電荷在一定的作用下，與避雷針針尖處的電荷會合，同時向上發展，從而形成迎面上行先導，從而增大小間隙避雷針的引雷能力。

四、相關電氣試驗

4.1試驗物品

在試驗前，應準備普通避雷針、串聯小氣隙避雷針、安裝絕緣帽避雷針以及串聯小氣隙同時安裝絕緣帽的避雷針。

4.2試驗原理

在試驗過程中，將避雷針針尖與試驗雷云板的空氣間隙設置為1m，利用操作沖擊波與雷電沖擊波，設置氣隙的臨界擊穿電壓與超過臨界值的擊穿電壓，重復進行實驗，與此同時，為避免云板對試驗數據的真實性產生影響，應將云板位置與試驗品的位置進行調換，從而將影響因素降到最低，其試驗原理如圖2所示。

4.3試驗過程

在試驗過程中，通過對電壓值重復試驗，能測量出空氣間隙操作波1.7m與1m的雷電波實驗數據，通過比較可以發現，輸電線路防繞擊避雷針針尖戴上絕緣帽與避雷針本體串聯小間隙的避雷針的引雷能力值，試驗布置如圖3所示。

4.4試驗結果

通過上述試驗結果，能有效證明輸電線路防繞擊避雷針針尖戴上絕緣帽與避雷針本體串聯小間隙能有效提升避雷針的引雷能力。當避雷針與云層之間的電壓達到臨界值時，沒有串聯間隙和戴絕緣帽的避雷針引雷能力明顯小于串聯間隙和戴絕緣帽的避雷針，同時隨著沖擊放電電壓的不斷增大，串聯間隙和戴絕緣帽的避雷針引雷能力不斷提升，由此可知，在更高電壓的環境下，該避雷針的作用效果更好。

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梁興平（1990.08.29），男，福建長汀，漢，大學本科，工程師，高壓線路帶電檢修工，研究方向：輸電線路運檢。