谈如何优化输电线路防绕击避雷针的电气设计

江波

摘要：随着时代的进步，人们对电力供应的需求量越来越大，输电线路上承载的电压也越来越高。在电力传输过程中避雷针对于线路的保护发挥着重要的作用，但是传统的避雷针因其避雷效果比较差，因此已经逐渐不能适应目前的电力系统了。输电线路防绕击避雷针的出现能够满足人们对避雷针的要求。加强输电线路防绕击避雷针的电气优化设计是目前科研人员的重要课题。本文就输电线路防绕击避雷针电气设计的优化进行简单介绍，以期为今后避雷针的发展提供理论依据。

关键词：输电线路；防绕击避雷针；电气优化设计

引言

目前避免直击雷雷击的方法通常是安装避雷针，雷云放电快到达大地的时候可以对地面的场强造成影响。在避雷针的顶端，形成局部电场集中的空间，可以对雷电先导放电的形成走向造成影响，指引着雷电向避雷针处放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，进而让被防护的物体避免雷击。然而在现实生活中，虽然已经安装了避雷针，但是仍然还经常会出现绕击。绕击现象出现表明传统的避雷针不能很好的避免建筑物等遭受雷击，所以要不断的对避雷针进行改良，以避免雷击事件的发生。

输电线路防绕击避雷针属于地线避雷针，能够保护超过110KV的超高压输电线路，属于新出现的电力系统防雷设备。该避雷针在其顶端处增加了绝缘帽和针体串联小气隙的装置，与没有佩戴这些装置的避雷针相比引雷的效果增加了10倍。同时该避雷针可以在均压环的保护下改变架空地线上方的电场强度，导致即使雷云距离线路很近也不会出现放电的情况发生，从而避免了雷击的出现。

1.普通避雷针引雷机理分析

在雷云向地面进行放电的过程中，雷云和地面之间能够产生一种直流静电场。如果把放电过程中的雷云当作是一个电极，就可以看作是直流电压下的长间隙放电过程。如有雷云存在时，避雷针的顶端周围场强最大，局部空间电离形成的和雷云极性相同的电荷会在避雷针的作用下传输到地面，但是极性不相同的电荷则会向雷云处移动，造成避雷针上方和空间电荷层极性一致，在空间电荷的影响下避雷针顶端的电场强度逐渐下降，电离会消弱甚至终止。当和避雷针极性相同的空间电荷慢慢没有的时候，针顶部的场强复原到电离的强度后就会形成电离，就这样一直反复。但是电离比较少，空间电荷的数量也不是无穷无尽的，电离区的扩大也比较小，所以引雷的效果就比较小。但是在雷云同极性的空间电荷和避雷针顶端电离出的电荷没办法在很短时间内消失的时候，会出现附加电场，该电场会持续的增大避雷针顶端周围的电场强度。如图1所示，避雷针顶端处负空间电荷存在时候的电场分布。

图1避雷针尖端处存在负空间电荷时的电场分布

2.绝缘帽增加了避雷针的引雷能力

如果针尖的周围电荷越多那么会造成雷云电场的电场强度越大，能够避免雷击的范围就越大。如果想要进一步增加针尖附近的电荷数，一方面可以通过增长避雷针的高度，另一方面可以以相关的电介质极化理论为基础，让偶极子形成的电介质能够在电场的影响下做定向移动，从而导致电场形成有序的排列造成其表面可以形成束缚电荷，显示出极性。因为极化会导致电极上富集更多的附加电荷，而且附加电荷和本来就有的电荷的极性是一致的，所以造成电荷数越来越多，因此电场强度也就越来越大。所以在避雷针针头上安装绝缘套管会增强避雷针的引雷效果。

除此之外，绝缘帽的存在能够防止避雷针顶端周围形成的空间电荷进到避雷针中而消失。因为雷云的影响，避雷针顶端周围的电场强度依旧是最强的。与此同时，雷云的下行先导不断地向地面蔓延，增强了针体周围的电场强度，局部空间电离出来的电荷和雷云的同极电荷被绝缘帽所阻隔，会造成电荷和避雷针的绝缘帽表面相紧靠，而不会从避雷针进入到地面。和针体极性不同的电荷会增强避雷针顶端周围的电场强度，因此当配有绝缘帽的时候，尖端周围的电场强度和普通的避雷针相比总是更强，造成不断有电离情况的出现，产生导电性高、密度大的区域，而且形成的由避雷针向上发展的迎面先导会加强针体的避雷能力，就相当于是增加了避雷针的高度。

3.在针体串联小气隙增加避雷针的引雷能力

如果有雷云，雷云就会和地面之间产生电场，一般场强能够高达5kV/m，位于地面上突起的地方和金属物件等就会发生电晕放电。如果在雷云的内部出现下行先导那么就会开始放电的发生。下行先导的电荷会以阶梯式的方式向下传递直至大地，而且其带有的电荷会和地面之间产生电场。除此之外，金属和突起的建筑物之间也会形成向上的先导电荷，而且这些电荷会向上运动从而和下行先导的电荷相遇，闪电的电流会通过他们共同形成的通道。金属或者建筑物形成的多个上行先导会和下行先导相遇，但是只有首个的和下行先导相遇的上行先导决定雷击点的地点。输电线路防绕击避雷针会串联小空气间隙，当雷云先导通道发生移动的时候，小间隙就像是避雷针上串联的一个电容，而且会在小间隙本身的两端不断地富集电荷。场强增大到一定值的时候会击穿小间隙，然后小间隙进行放电，电荷在热动力的作用下向上移动最终和避雷针的顶端的电荷相遇，两者形成迎面上行先导，最后增加了小间隙避雷针的引雷效果。

4.电气试验

综上所述，在输电线路防绕击避雷针的顶端增加绝缘帽和串联小间隙两个处理都会大大增强避雷针的防雷效果，保护电路设施，下面将通过电气试验进行验证。

4.1试验材料

普通避雷针、串联小气隙避雷针、装有绝缘帽的避雷针、同时串联小气隙和装有绝缘帽的避雷针。

4.2实验原理

首先把模拟雷云板以及避雷针顶端的距离设置为1米，通过操作冲击波以及雷电冲击波对小气隙的临界击穿电压和超过临界值的击穿电压的数值进行多次重复并确定数值。在进行实验的过程中要将雷云板和避雷针的位置进行互换，消除雷云板对实验可靠性的影响，从而将外界的影响系数降到最小，增强实验的真实可靠性。如图2为试验原理。

4.4实验结果

在上面的实验中可以总结发现，输电线路防绕击避雷针顶端配有绝缘帽和针体串联小间隙可以大幅度的提高避雷针的防雷击能力。在避雷针和雷云板间的电压达到临界点的时候没有串联小间隙和配置绝缘帽的避雷针与两者都配置的避雷针相比较，引雷效果降低。在冲击放电电压的数值持续变大的时候，配有绝缘帽和针体串联小间隙的避雷针的引雷效果也在持续增强。因此，在电压数值比较大的情况下，避雷针能够很好的起到引雷的作用。

5.结语

在输电线的电压越来越大的情况下，要对其避雷针装置进行优化，从而达到保护输电线的效果。本文在普通避雷针的基础上增加了绝缘帽和针体串联小气隙，并对其引雷能力进行了验证，发现和普通的避雷针的引雷效果相比较，输电线路防绕击避雷针可以很好的增加避雷针的引雷能力。

参考文献：

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[2]王汉良，周银彪，周军.输电线路防绕击避雷针的电气设计优化[N].江西电力职业技术学院学报，2017，23（01）：8~10.