雷電攔截新技術在高壓輸電線路的應用研究

宋海東1，楊 暉2，鐘馳宇1，李默林3，周茹萍4，黃 昱5，張 榆，李建明

(1.四川鹽源華電新能源有限公司，四川 涼山 615000；2.廣州市氣象局，廣東 廣州 510530；3.電子科技大學成都學院，四川 成都 611731；4.佛山市順德區氣象局，廣東 佛山 528399；5.金盾防雷技術發展有限公司，廣東 佛山 528308；6.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

現代雷電科學證實，雷電放電是多脈沖放電(正雷擊的觀測數據極少不足以描述其放電規律，雷電放電是指負雷擊放電)[1]。長期以來，人們基本按照雷電放電為單脈沖放電進行防護研究。2019年，經國際大電網會議(CIGRE)授權，中國出版了《雷電參數的工程應用》[2]。經過對國內外雷電放電觀測結果的系統研究，這里把雷電多脈沖放電分成5個階段并定量分析了每個階段的物理參數。顯然，這是雷電防護的基本理論依據。

高壓送電線路預防直接雷擊主要采用安裝架空避雷線(屏蔽線)進行保護。架空避雷線相當于一根水平的避雷帶，而高壓送電線路的鐵塔猶如一根垂直的避雷針[3]。下面對雷擊鐵塔避雷針的物理參數進行計算，并與雷擊雷電攔截器的物理參數進行比較，給出了應用雷電攔截新技術預防直接雷擊損害的新方法，為防雷工程設計人員提供參考和借鑒。

1 雷電放電過程及參數特征

1.1 雷電放電的5個階段及其效應

雷電對鐵塔放電的過程可以簡單的分為5個階段。第一階段：先導的發生及對下風向的屏蔽作用。第二階段：上行與下行先導的連接，即首次回擊。第三階段：箭式先導。第四階段：繼后回擊。第五階段：末次回擊。下面以偶極子負地閃過程為例。

1.2 先導的發生及對下風向的屏蔽作用

雷云內部電荷極性為上正下負，電場強度可達50～100 MV/m。通常，雷云內部會發生放電現象，稱為預擊穿過程，為下行先導(又叫梯級先導)的形成提供條件。當底部電場強度達到300～500 kV/m時，開始擊穿空氣形成向下運動的流光，稱為下行先導。其主要參數[4]：梯級先導到地面的平均速度V為2×105m/s；每一梯級先導平均長度L為20～50 m；不連續梯級間隔時間t為10～200 μs；通道溫度T為1×104K；過程平均總電荷Q為5 C；先導頭部端點電場強度E為5～10 MV/m。

受雷電下行先導端部電場的影響，鐵塔端部感應出與下行先導端部電場相反極性的電荷。當其電場強度達到30～50 V/cm時就發生電暈，產生方向向上的流光，稱為上行先導。上行先導與下行先導受電場力的約束作相對運動，為上下先導連接提供必要條件。同時，鐵塔端部的電暈會產生大量的離子，在下風向鐵塔端部高度以下區域形成離子屏蔽層，抑制此區域地表物體上行先導的發展，其地面電場半峰值距離約為4 km[5]。

1.3 首次回擊及四大效應

當上行先導發展到距鐵塔大約100 m左右，就與下行先導連接[6]。上行先導端部與下行先導端部相連接的距離(最后一跳)叫擊距[4]，用r表示。通常，r的大小與雷電放電電流相關，可用經驗公式估算：r=aIb，式中a為10,b為0.65[7]。上下先導連接后，電荷從大地沿著放電通道沖向云端去中和通道和雷云電荷，形成放電通道，這一過程稱為首次回擊。其主要參數：電流峰值i為30 kA；電流陡度di/dt為10～20 kA/μs；總電荷量Q為5 C；傳播速度v為(1～2)×108m/s；通道半徑r為1～2 cm；通道溫度T為3×104K。

首次回擊將產生以下四大效應：1)在鐵塔本體產生垂直電位梯度；2)在鐵塔周圍空間產生強烈電磁場；3)在鐵塔所在的地面產生水平電位梯度；4)以鐵塔底部為圓心向地下穿透形成電位漏斗[8]。首次回擊發生的同時，往往會有非主通道枝狀雷擊發生，在地面可見幾個雷擊點的痕跡。

1.4 箭式先導

箭式先導在首次雷擊發生后沿著雷擊通道運動，由于其運動路徑從通道頂部直到底部，形狀像箭一樣而得名。它是首次回擊與繼后回擊之間的過渡過程，起到承上啟下的作用。其主要參數：傳播速度v為(1～2)×107m/s；持續時間t為1～2 ms；過程通道滯留總電荷量Q為1～2 C；電流i峰值為1 kA；先導端部平均電場強度E為1～2 MV/m；通道溫度T≥2×104K。

1.5 繼后回擊及連續電流

繼后回擊在箭式先導結束后開始，不斷重復首次回擊的放電過程，幅值約為首次回擊的一半。全球平均每次雷擊過程存在3～5個回擊，2010年9月12 日瑞士桑德斯山記錄到26個脈沖[6]。因為每個回擊都是一個脈沖，多次回擊組成一組有時間間隔的脈沖串。2017年IEC 61643 -11:2011/2 PFG 《連接到低壓配電系統的多脈沖電涌保護裝置附加試驗——性能要求和試驗方法》正式使用“multi-pulses”，多脈沖電涌保護器(multi-pulses surge protective devices，MSPD)成為專有名詞[9]。其主要參數：電流i峰值為10～15 kA ；電流陡度極值di/dt為100 kA/μs；電流陡度di/dt(10%～90%)為30～50 kA/μs；持續時間t為30～40 μs；總電荷Q為1 C；傳播速度v為(1～2)×108m/s；通道半徑r為1～2 cm；通道溫度T為3×104K。

從首次回擊建立雷電通道后，通道中存在著維持通道的電荷直到放電結束。在繼后回擊的多個回擊之間，可見到在脈沖底部有運動方向不變的脈動電流，叫連續電流(continous current，CC)。連續電流定義為緊接回擊過程后的較低幅值電流，是雷擊通道中雷擊過程的直流分量，通常呈現為一系列浪涌的疊加。其主要參數：電流I為100～200 A；間隔時間t約為100 ms；總電荷量Q為10～20 C 。

連續電流轉移大量的電荷，會產生包括熱效應在內最嚴重的雷擊損壞。持續時間小于40 ms的連續電流叫短連續電流，大于40 ms的叫長連續電流，30%～50%的負地閃包含長連續電流。連續電流中持續幾毫秒或更短時間的擾動稱為M分量[10]。

1.6 末次回擊

首次回擊電流峰值通常比隨后的繼后回擊電流峰值大2～3倍。然而，大約三分之一的地閃包含至少一個具有大電場峰值的繼后回擊。理論上，其電流峰值也應大于首次回擊。大于首次回擊的繼后回擊可能對供電線路和其他系統構成了額外的威脅。末次回擊指的是最后的回擊，其特點是前一個回擊到末次回擊之間通常有一個長達300～400 ms的時間間隔,幅值大于首次回擊，參數與首次回擊類同。從首次回擊到末次雷擊，一次完整雷擊中多脈沖放電過程結束[11]。

2 現有防雷技術特點及局限性

目前高壓輸電線路防雷主要由鐵塔接地、避雷線和線路避雷器組成。為了便于比較，重點分析雷擊鐵塔時傳導電流產生的空間電磁場，鐵塔的垂直電位梯度和地面水平梯度。

2.1 空間電磁場強度

雷擊鐵塔的電流產生的空間磁場強度，用比奧-薩伐爾定理，計算公式[12]為

(1)

式中：B為磁感應強度，T；μ0為真空磁導率，取4π×10-7T·m/A；I為雷擊點傳導電流，A；R為測量點至電流源點的距離，m。

電場強度與磁場強度之間系數為120 π(377)[13-14]，取雷擊電流30 kA,其磁場強度按式(1)計算，結果如表1所示。

表1 雷擊鐵塔空間磁場梯度

2.2 垂直電位梯度與地面水平電位梯度

2.2.1 垂直電位梯度

鐵塔的垂直電位梯度嚴格應按U0=Ldi/dt計算，按諾頓等效電路，沒有考慮雷電波的反射[7]。

Ug=IZt

(2)

式中：Ug為鐵塔垂直電位，kV；I為雷擊點電流，kA，這里采用CIGRE負雷擊平均電流峰值的全球分布I為30 kA；Zt為鐵塔本體阻抗，取10 Ω/m。當鐵塔高度為30 m時，其值見表2。

表2 鐵塔垂直電位梯度

2.2.2 地面水平電位梯度

鐵塔地面的水平電位梯度與鐵塔接地體的面積和阻抗大小有關，假定接地體的面積等于鐵塔基礎面積，按土壤電阻率ρ=100 Ω/m直接計算。距鐵塔地面1 m處為電位參照點。

(3)

式中：Uv為鐵塔水平距離電位，kV；U0為鐵塔距地面1 m處電位，kV；ρ為土壤電阻率，Ω/m；l為地面水平距離，m。設1 m處電位為300 kV，按式(3)計算，其值見表3。

表3 鐵塔地面的水平電位梯度

2.3 現有防雷技術的局限性

1)雷擊鐵塔時將產生強烈的空間電磁場，30 kA雷電流流過鐵塔時，在半徑30 m處磁場強度高達0.24 mT，對鐵塔搭載的電子設備安全帶來威脅。

2)雷擊鐵塔(塔高為30 m，雷電流為30 kA)時，在鐵塔端部產生垂直電位高達600 kV和在距鐵塔周圍地面10 m處產生水平電位高達30 kV，對安全生產帶來威脅。

3)理論上，鐵塔的接閃概率比避雷線高。因為避雷線產生的電場是一個面電場，受高斯定理約束；鐵塔產生的電場是一個點電場(鐵塔角鋼的90°拐彎處形成尖端)，用庫侖定律計算。點電場比面電場電暈周圍空氣所需電場強度要小得多[15]。

4)避雷線也是接閃器，采用電氣模型-保護角法計算。當雷擊避雷線時，將對送電線路產生反擊或耦合[16]。

3 雷電攔截器的性能與優勢

3.1 雷電攔截

雷電攔截器，依據電磁波色散、傳輸線、波導理論，應用色散波導諧振腔體結構技術，自動識別雷電的空間位置，全方位攔截直接雷擊(包括過頂雷云產生的雷擊和側面雷云產生的雷擊)并衰減雷擊點電流。該裝置適應雷電多脈沖放電[17]。

雷電攔截器主要性能和優勢[18]如下：

1)提前放電時間Δt為46.55 μs ，因此比避雷針形成的上行先導長 46.55 m。

2)直擊雷接閃概率為100%。

3)側擊雷接閃概率為大于90%。

4)衰減雷擊點電流Ia≥40%。

5)30 kA雷擊點空間磁場強度 0.24 mT 半徑為15 m。

6)下風向保護范圍A= πr2/2 ，式中r為下風向保護距離，m。

7)預防過頂雷擊和側面雷擊,使用無需限高。

3.2 雷擊鐵塔與雷擊雷電攔截器的參數比較

設定鐵塔高度與攔截器安裝高度一致，雷擊電流30 kA。用3組分析數據進行比較，直觀地了解各自的特點。

1)鐵塔周圍空間磁場強度見表4。

表4 鐵塔周圍空間磁場強度對比

2)鐵塔的垂直電位梯度見表5。

表5 鐵塔的垂直電位梯度對比

3)鐵塔地面的水平電位梯度見表6。

表6 鐵塔地面的水平電位梯度對比

3.3 雷電攔截器的優勢

從3.1節和3.2節的參數比較可以直觀地看出，雷電攔截器具有顯著的優勢。

1)對雷電具有強烈的吸引作用，其產生的上行先導比避雷針長46.55 m。

2)采用的色散波導諧振腔體結構，衰減雷擊點電流≥40%，而鐵塔接閃時沒有衰減。

3)大大優化了雷擊點的電磁環境。在雷擊電流30 kA條件下，距雷擊點0.24 mT強度的半徑由鐵塔的25 m減少為15 m；垂直電位梯度在30 m高度從600 kV減少為240 kV；水平電位梯度在距雷擊點10 m處從30 kV減少到12 kV。

4)預防直接雷擊和側面雷擊。攔截器直接雷擊接閃概率100%，側擊雷接閃概率90%；而避雷針側擊雷接閃概率只有10%。

4 結 論

上面通過分析全球自然雷電的觀測數據，雷暴云時空變化與攔截點避雷針接閃的物理模型[19-20]，對雷電攔截技術[21]與現有防雷技術進行比較：

1)將雷擊過程分為先導發展、首次回擊、箭式先導、繼后回擊及末次回擊5個階段，并給出每個階段的主要物理參數。

2)通過計算雷擊鐵塔時的空間電磁場、鐵塔的垂直電位梯度和水平電位梯度，進而提出了現有高壓輸電線路直擊雷防護技術的局限性。

3)提出可實現更長上行先導并衰減雷擊點電流的雷電攔截新技術，通過與傳統避雷針的參數比較，直觀體現了雷電攔截新技術的優勢。

應用雷電攔截新技術，可有效克服高壓輸電線路現有防雷技術的局限性，具有重要的現實意義。2021年，在四川省鹽源縣的3條高壓輸電線路上應用了該雷電攔截新技術，到目前為止未再發生高壓斷路器跳閘及損壞設備現象，防雷效果初顯。