曹峻峰

雷電繞擊的形成發(fā)展以及放電特點

曹峻峰

（大連依諾維電氣有限公司，遼寧大連116000）

近年來，隨著自然環(huán)境的每況愈下，大氣形式也在逐年惡化，其變化嚴重影響了冶金、石油、化工、發(fā)電等高密度電能傳輸行業(yè)。結合實際情況，以長間隙放電理論為基礎，根據(jù)大氣中影響雷電的諸多因素，具體分析雷電繞擊的形成、發(fā)展以及放電特點。

雷電；繞擊；直擊；侵害

1 引言

隨著國家標準對雷電防護等級的提高，以及新型防雷產(chǎn)品的研發(fā)及應用，在雷電直擊和感應過電壓防護方面均發(fā)揮了一定的作用。但是，雷電繞擊問題仍沒有徹底解決，每年仍要發(fā)生巨額經(jīng)濟損失，同時也極大地威脅著人的生命安全。究其原因，在于人們對于雷電的研究更多關注的是雷電直擊和感應的預防措施，而對于雷電繞擊的問題普遍關注較少。這就造成了相應問題的產(chǎn)生，如設有避雷線的線路為什么遭受雷擊；在密集避雷針條件下為什么雷電擊中站內(nèi)導線或設備等。這究竟是一種什么樣的侵害形式，是值得深入研究的課題。

2 雷電繞擊的形式及特點

雷電繞擊是指繞過避雷線或避雷針等防護裝置擊中線路導線或站內(nèi)設備的侵害形式，是分支流注放電的結果。當遇有同性電場時改變方向，尤其是演變?yōu)槊芗姾芍行臅r，其運動方向較為明顯，隨風飄移，但又不完全受風的影響，形似粒子碰撞，只是能量大小不同。

因此我們也可以用粒子碰撞模型（實驗室結論）來解釋雷電繞擊的具體形式。粒子與粒子間的碰撞是指它們在各種力場的作用下的相互作用。粒子受其他粒子的影響后，它的物理狀態(tài)發(fā)生了變化，就可以認為這些粒子間發(fā)生了碰撞。也可以認為碰撞使氣體放電中粒子體系的狀態(tài)發(fā)生了變化。例如，原子被激發(fā)和電離；電子的捕獲和復合都屬于粒子碰撞。

在理想氣體的簡單模型中，分子被看作彈性小球。如圖1所示，當一束A類帶電粒子（半徑為Ra）以速度v穿過具有B類分子（半徑為Rb）的氣體時，其軌跡為一不規(guī)則的折線，每發(fā)生一次碰撞就會出現(xiàn)一次轉折，相繼兩次碰撞間的距離稱為平均自由程，在大氣壓力和常溫下，空氣中的平均自由程為10-5cm數(shù)量級。

圖1 碰撞路徑示意圖

由粒子碰撞的自由概率我們可以知道雷電繞擊的形成是難以預測的，它與密集電荷中心（球雷）自身電場和大氣中電場有著密切關聯(lián)。

3 雷電繞擊的強度及危害

繞擊雷電的能量與電離通道的阻抗及距離有關。當距離較大時，能量衰減亦較大（運動中不斷吸收異性電荷時衰減）。若距離較小時，能量衰減亦較小，即危害較大。在雷電繞擊的發(fā)展過程中繞擊雷能量與運行距離成反比，當繞擊雷以密集電荷聚集中心時，局部強度超過雷電直擊強度。最高強度可達到26000 V/cm。遠高于雷云先導的初始放電電位的1000 V/cm。另一方面，由于密集電荷中心在大氣中不規(guī)則運動導致地面上固定位置的常規(guī)防雷裝置受方位和距離制約作用降低。實踐證明雷電繞過避雷線擊中導線，及球雷在站所避雷針之間穿過擊中導線或主變壓器等設備，每年均有諸多實例。

發(fā)生繞擊時導線上的雷電壓的計算與雷電直擊時的計算方法相同。當繞擊雷擊中架空輸電線路的導線時(圖2中A點)，等于沿主放電通道(其波阻為Z0)襲來i/2的電流波。由于輸電線的長度遠大于雷電波的波長，輸電線可視為無限長導線，此時雷電電流波碰到的是兩側導線的波阻相并聯(lián)后的Z/2，由于Z0≈Z/2，所以可近似認為此時在A點沒有波的折反射發(fā)生。于是A點的直擊雷過電壓為：Ua=i/2×（Z/2）=iZ/4。取Z=500 Ω，則當i=24 kA時，過電壓就高達3000 kV。雷電繞擊其他建筑物時亦相同。

圖2 雷擊無限長導線

通過計算比較我們可以看出雷電繞擊的破壞力是相當驚人的，在一定情況下其電壓幅值更是高于雷電直擊電壓，所造成事故的嚴重程度亦可想而知。因此，雷電繞擊的防護與消除則成為雷電過電壓防護方面的重中之重。只有從根本上解決雷電繞擊的危害才能徹底完善雷電過電壓防護工作。

4 雷電繞擊的空間分布

繞擊雷電形成后受到地面多個物體捕雷面區(qū)域分布影響，導致雷電下行先導流注前端在對地釋放能量時繞過雷電防護裝置直接擊中建筑物或線路的形式。通常在此種情況發(fā)生時，雷電在空中形成隨機扭曲的弧線，并出現(xiàn)繞開雷電保護裝置等現(xiàn)象。由雷電繞擊導致的系統(tǒng)過電壓我們稱之為雷電繞擊過電壓。下面我們將通過對輸電線路不同捕雷面的分析具體討論雷電繞擊的形成機理。

圖3為用于分析避雷線屏蔽效果的幾何模型。我們分別以避雷線a和導線b為中心，以r1為半徑作兩個圓弧，此兩圓弧交于途中B點，再以高度為r1作一水平線CD與以d為中心的圓弧交于C點，由圓弧AB、BC和CD形成的曲線在沿線路方向組成一曲面，此曲面稱為定位曲面，雷電流幅值為Ii的先導到達定位曲面前，其發(fā)展不受地面物體的影響，僅當它下行到定位曲面時才受到地面物體的影響而定。若Ii的先導AB弧上，則雷擊避雷線；若落在BC弧上，則雷擊導線（繞擊）；若落在CD線上，則雷擊大地，因此AB弧和BC弧分別稱為避雷線和導線對雷電流Ii的捕雷面，而水平面CD為地面的捕雷面，雷電先導落在某一物體的捕雷面上，雷就必然擊中該物體，這是因為先導到高物體的擊穿距離比到其他物體的距離小的緣故。

圖3 輸電線路繞擊的電氣幾何模型

不同的雷電流幅值有不同的r1，所以可以畫出一系列的定位曲面?？梢宰C明：AB弧與BC弧交點的軌跡為導線與避雷線的垂直平分線（即圖中直線oc），BC弧與CD線的交點軌跡為一拋物線將整個空間分為三部分，中垂線以上部分是擊中避雷線區(qū)，中垂線與拋物線所包圍的區(qū)域為擊中導線區(qū)（即繞擊區(qū)），拋物線以下部分為擊中地面區(qū)。隨著雷電流幅值的增大，BC弧逐漸減小，雷電流幅值增大至某一數(shù)值Ik時，BC弧縮減為零，相當于Ik的閃擊距離為臨界閃擊距離r2（圖3），雷擊時雷電流大于Ik時，則不可能發(fā)生雷電繞擊。

通過上述分析我們知道，雷電繞擊形成后，對于地面目標的侵害在一定概率上是存在空間界限的。其中主要路徑取決于大氣電場和地面雷擊物體的捕雷面分布，進而導致輸電線路脫離避雷線保護直接被雷擊中。只有通過網(wǎng)狀防護的方法才可徹底解決雷電繞擊問題，但因投資巨大一般不宜采用，尤其不適合長距離架空輸電線路，因此應把研究繞擊雷電形成過程特點與調(diào)整捕雷面理論結合起來更為適宜。

5 結論

（1）雷電繞擊的形成較難預測，加之橫向運動慣性無法通過常規(guī)防雷手段徹底解決，對其進行規(guī)律性防護，應探討非常規(guī)技術措施加以解決。

（2）雷電繞擊的破壞能力相當驚人，在一定情況下其電壓幅值更是高于雷電直擊電壓。只有從繞擊雷電形成的前期著手防護為宜。

（3）雷電繞擊對于地面目標的侵害在一定概率上是存在空間界限的。其中主要路徑取決于空間電場和地面雷擊物體的捕雷面分布。采用網(wǎng)狀防護可徹底解決，但因投資巨大一般不宜采用，尤其不適合長距離架空輸電線路，應把研究繞擊雷電形成過程特點與調(diào)整捕雷面理論結合起來更為適宜。

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圖2 原理接線示意圖

5 解決辦法

最后我們將到現(xiàn)場去的電流表拆除，只接低壓柜上的電流表，電流顯示正常，值班人員抄表也就到低壓配電室抄表，而不去現(xiàn)場了。如果真的要讓現(xiàn)場的電流表顯示正常，唯一的辦法只能在電機側加裝電流互感器，只是這個方法太麻煩，施工一般不采用。

一般電流表可以通過參數(shù)設定或調(diào)零等措施讓數(shù)值顯示正常，但是如果誤差太大或線路阻值太大都沒有辦法很好地調(diào)整過來。

收稿日期：2014－06－04

作者簡介：李建軍（1977－），男，2002年畢業(yè)于江西理工大學電氣技術及其自動化專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事電氣施工、檢修技術工作。

The Formation，Development and Discharging Characteristics of Lightening Circling Stroke

CAO Junfeng
(Dalian Innovative Electric Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116000,China)

In recent years,deterioration of natural environment and the atmosphere has seriously affected industries using high-density electric power transmission such as metallurgy, petroleum,chemicals and power generation.In the light of actual situation and based on long-gap discharge theory and various atmospheric factors affecting lightening,the formation, development and discharge characteristics of lightening are specifically analyzed.

lightening;circling stroke;direct stroke;damaging

TM862

B

1006-6764(2014)10-0014-03

2014－07－09

曹峻峰（1985－)，男，2008年畢業(yè)于哈爾濱理工大學，本科學歷，電氣助理工程師，現(xiàn)從事電氣技術研發(fā)及方案設計工作。