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(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731；4.佛山市順德區(qū)氣象局，廣東 佛山 528399；5.金盾防雷技術(shù)發(fā)展有限公司，廣東 佛山 528308；6.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

現(xiàn)代雷電科學(xué)證實(shí)，雷電放電是多脈沖放電(正雷擊的觀測數(shù)據(jù)極少不足以描述其放電規(guī)律，雷電放電是指負(fù)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(jìn)行防護(hù)研究。2019年，經(jīng)國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)授權(quán)，中國出版了《雷電參數(shù)的工程應(yīng)用》[2]。經(jīng)過對國內(nèi)外雷電放電觀測結(jié)果的系統(tǒng)研究，這里把雷電多脈沖放電分成5個(gè)階段并定量分析了每個(gè)階段的物理參數(shù)。顯然，這是雷電防護(hù)的基本理論依據(jù)。

高壓送電線路預(yù)防直接雷擊主要采用安裝架空避雷線(屏蔽線)進(jìn)行保護(hù)。架空避雷線相當(dāng)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(shù)進(jìn)行計(jì)算，并與雷擊雷電攔截器的物理參數(shù)進(jìn)行比較，給出了應(yīng)用雷電攔截新技術(shù)預(yù)防直接雷擊損害的新方法，為防雷工程設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒。

1 雷電放電過程及參數(shù)特征

1.1 雷電放電的5個(gè)階段及其效應(yīng)

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

1.2 先導(dǎo)的發(fā)生及對下風(fēng)向的屏蔽作用

雷云內(nèi)部電荷極性為上正下負(fù)，電場強(qiáng)度可達(dá)50～100 MV/m。通常，雷云內(nèi)部會發(fā)生放電現(xiàn)象，稱為預(yù)擊穿過程，為下行先導(dǎo)(又叫梯級先導(dǎo))的形成提供條件。當(dāng)?shù)撞侩妶鰪?qiáng)度達(dá)到300～500 kV/m時(shí)，開始擊穿空氣形成向下運(yùn)動的流光，稱為下行先導(dǎo)。其主要參數(shù)[4]：梯級先導(dǎo)到地面的平均速度V為2×105m/s；每一梯級先導(dǎo)平均長度L為20～50 m；不連續(xù)梯級間隔時(shí)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(dǎo)頭部端點(diǎn)電場強(qiáng)度E為5～10 MV/m。

受雷電下行先導(dǎo)端部電場的影響，鐵塔端部感應(yīng)出與下行先導(dǎo)端部電場相反極性的電荷。當(dāng)其電場強(qiáng)度達(dá)到30～50 V/cm時(shí)就發(fā)生電暈，產(chǎn)生方向向上的流光，稱為上行先導(dǎo)。上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)受電場力的約束作相對運(yùn)動，為上下先導(dǎo)連接提供必要條件。同時(shí)，鐵塔端部的電暈會產(chǎn)生大量的離子，在下風(fēng)向鐵塔端部高度以下區(qū)域形成離子屏蔽層，抑制此區(qū)域地表物體上行先導(dǎo)的發(fā)展，其地面電場半峰值距離約為4 km[5]。

1.3 首次回?fù)艏八拇笮?yīng)

當(dāng)上行先導(dǎo)發(fā)展到距鐵塔大約100 m左右，就與下行先導(dǎo)連接[6]。上行先導(dǎo)端部與下行先導(dǎo)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(guān)，可用經(jīng)驗(yàn)公式估算：r=aIb，式中a為10,b為0.65[7]。上下先導(dǎo)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?fù)?。其主要參?shù)：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?fù)魧a(chǎn)生以下四大效應(yīng)：1)在鐵塔本體產(chǎn)生垂直電位梯度；2)在鐵塔周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁場；3)在鐵塔所在的地面產(chǎn)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?fù)舭l(fā)生的同時(shí)，往往會有非主通道枝狀雷擊發(fā)生，在地面可見幾個(gè)雷擊點(diǎn)的痕跡。

1.4 箭式先導(dǎo)

箭式先導(dǎo)在首次雷擊發(fā)生后沿著雷擊通道運(yùn)動，由于其運(yùn)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?fù)襞c繼后回?fù)糁g的過渡過程，起到承上啟下的作用。其主要參數(shù)：傳播速度v為(1～2)×107m/s；持續(xù)時(shí)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(dǎo)端部平均電場強(qiáng)度E為1～2 MV/m；通道溫度T≥2×104K。

1.5 繼后回?fù)艏斑B續(xù)電流

繼后回?fù)粼诩较葘?dǎo)結(jié)束后開始，不斷重復(fù)首次回?fù)舻姆烹娺^程，幅值約為首次回?fù)舻囊话搿Ｈ蚱骄看卫讚暨^程存在3～5個(gè)回?fù)簦?010年9月12 日瑞士桑德斯山記錄到26個(gè)脈沖[6]。因?yàn)槊總€(gè)回?fù)舳际且粋€(gè)脈沖，多次回?fù)艚M成一組有時(shí)間間隔的脈沖串。2017年IEC 61643 -11:2011/2 PFG 《連接到低壓配電系統(tǒng)的多脈沖電涌保護(hù)裝置附加試驗(yàn)——性能要求和試驗(yàn)方法》正式使用“multi-pulses”，多脈沖電涌保護(hù)器(multi-pulses surge protective devices，MSPD)成為專有名詞[9]。其主要參數(shù)：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(xù)時(shí)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?fù)艚⒗纂娡ǖ篮螅ǖ乐写嬖谥S持通道的電荷直到放電結(jié)束。在繼后回?fù)舻亩鄠€(gè)回?fù)糁g，可見到在脈沖底部有運(yùn)動方向不變的脈動電流，叫連續(xù)電流(continous current，CC)。連續(xù)電流定義為緊接回?fù)暨^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(xiàn)為一系列浪涌的疊加。其主要參數(shù)：電流I為100～200 A；間隔時(shí)間t約為100 ms；總電荷量Q為10～20 C 。

連續(xù)電流轉(zhuǎn)移大量的電荷，會產(chǎn)生包括熱效應(yīng)在內(nèi)最嚴(yán)重的雷擊損壞。持續(xù)時(shí)間小于40 ms的連續(xù)電流叫短連續(xù)電流，大于40 ms的叫長連續(xù)電流，30%～50%的負(fù)地閃包含長連續(xù)電流。連續(xù)電流中持續(xù)幾毫秒或更短時(shí)間的擾動稱為M分量[10]。

1.6 末次回?fù)?/h3>

首次回?fù)綦娏鞣逯低ǔ１入S后的繼后回?fù)綦娏鞣逯荡?～3倍。然而，大約三分之一的地閃包含至少一個(gè)具有大電場峰值的繼后回?fù)?。理論上，其電流峰值也?yīng)大于首次回?fù)?。大于首次回?fù)舻睦^后回?fù)艨赡軐╇娋€路和其他系統(tǒng)構(gòu)成了額外的威脅。末次回?fù)糁傅氖亲詈蟮幕負(fù)?，其特點(diǎn)是前一個(gè)回?fù)舻侥┐位負(fù)糁g通常有一個(gè)長達(dá)300～400 ms的時(shí)間間隔,幅值大于首次回?fù)?，參?shù)與首次回?fù)纛愅氖状位負(fù)舻侥┐卫讚?，一次完整雷擊中多脈沖放電過程結(jié)束[11]。

2 現(xiàn)有防雷技術(shù)特點(diǎn)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(diǎn)分析雷擊鐵塔時(shí)傳導(dǎo)電流產(chǎn)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(qiáng)度

雷擊鐵塔的電流產(chǎn)生的空間磁場強(qiáng)度，用比奧-薩伐爾定理，計(jì)算公式[12]為

(1)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；μ0為真空磁導(dǎo)率，取4π×10-7T·m/A；I為雷擊點(diǎn)傳導(dǎo)電流，A；R為測量點(diǎn)至電流源點(diǎn)的距離，m。

電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之間系數(shù)為120 π(377)[13-14]，取雷擊電流30 kA,其磁場強(qiáng)度按式(1)計(jì)算，結(jié)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(yán)格應(yīng)按U0=Ldi/dt計(jì)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(diǎn)電流，kA，這里采用CIGRE負(fù)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(dāng)鐵塔高度為30 m時(shí)，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(guān)，假定接地體的面積等于鐵塔基礎(chǔ)面積，按土壤電阻率ρ=100 Ω/m直接計(jì)算。距鐵塔地面1 m處為電位參照點(diǎn)。

(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(shè)1 m處電位為300 kV，按式(3)計(jì)算，其值見表3。

表3 鐵塔地面的水平電位梯度

2.3 現(xiàn)有防雷技術(shù)的局限性

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

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

3)理論上，鐵塔的接閃概率比避雷線高。因?yàn)楸芾拙€產(chǎn)生的電場是一個(gè)面電場，受高斯定理約束；鐵塔產(chǎn)生的電場是一個(gè)點(diǎn)電場(鐵塔角鋼的90°拐彎處形成尖端)，用庫侖定律計(jì)算。點(diǎn)電場比面電場電暈周圍空氣所需電場強(qiáng)度要小得多[15]。

4)避雷線也是接閃器，采用電氣模型-保護(hù)角法計(jì)算。當(dāng)雷擊避雷線時(shí)，將對送電線路產(chǎn)生反擊或耦合[16]。

3 雷電攔截器的性能與優(yōu)勢

3.1 雷電攔截

雷電攔截器，依據(jù)電磁波色散、傳輸線、波導(dǎo)理論，應(yīng)用色散波導(dǎo)諧振腔體結(jié)構(gòu)技術(shù)，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(chǎn)生的雷擊和側(cè)面雷云產(chǎn)生的雷擊)并衰減雷擊點(diǎn)電流。該裝置適應(yīng)雷電多脈沖放電[17]。

雷電攔截器主要性能和優(yōu)勢[18]如下：

1)提前放電時(shí)間Δt為46.55 μs ，因此比避雷針形成的上行先導(dǎo)長 46.55 m。

2)直擊雷接閃概率為100%。

3)側(cè)擊雷接閃概率為大于90%。

4)衰減雷擊點(diǎn)電流Ia≥40%。

5)30 kA雷擊點(diǎn)空間磁場強(qiáng)度 0.24 mT 半徑為15 m。

6)下風(fēng)向保護(hù)范圍A= πr2/2 ，式中r為下風(fēng)向保護(hù)距離，m。

7)預(yù)防過頂雷擊和側(cè)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(shù)比較

設(shè)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(shù)據(jù)進(jìn)行比較，直觀地了解各自的特點(diǎn)。

1)鐵塔周圍空間磁場強(qiáng)度見表4。

表4 鐵塔周圍空間磁場強(qiáng)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(yōu)勢

從3.1節(jié)和3.2節(jié)的參數(shù)比較可以直觀地看出，雷電攔截器具有顯著的優(yōu)勢。

1)對雷電具有強(qiáng)烈的吸引作用，其產(chǎn)生的上行先導(dǎo)比避雷針長46.55 m。

2)采用的色散波導(dǎo)諧振腔體結(jié)構(gòu)，衰減雷擊點(diǎn)電流≥40%，而鐵塔接閃時(shí)沒有衰減。

3)大大優(yōu)化了雷擊點(diǎn)的電磁環(huán)境。在雷擊電流30 kA條件下，距雷擊點(diǎn)0.24 mT強(qiáng)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(diǎn)10 m處從30 kV減少到12 kV。

4)預(yù)防直接雷擊和側(cè)面雷擊。攔截器直接雷擊接閃概率100%，側(cè)擊雷接閃概率90%；而避雷針側(cè)擊雷接閃概率只有10%。

4 結(jié) 論

上面通過分析全球自然雷電的觀測數(shù)據(jù)，雷暴云時(shí)空變化與攔截點(diǎn)避雷針接閃的物理模型[19-20]，對雷電攔截技術(shù)[21]與現(xiàn)有防雷技術(shù)進(jìn)行比較：

1)將雷擊過程分為先導(dǎo)發(fā)展、首次回?fù)?、箭式先?dǎo)、繼后回?fù)艏澳┐位負(fù)?個(gè)階段，并給出每個(gè)階段的主要物理參數(shù)。

2)通過計(jì)算雷擊鐵塔時(shí)的空間電磁場、鐵塔的垂直電位梯度和水平電位梯度，進(jìn)而提出了現(xiàn)有高壓輸電線路直擊雷防護(hù)技術(shù)的局限性。

3)提出可實(shí)現(xiàn)更長上行先導(dǎo)并衰減雷擊點(diǎn)電流的雷電攔截新技術(shù)，通過與傳統(tǒng)避雷針的參數(shù)比較，直觀體現(xiàn)了雷電攔截新技術(shù)的優(yōu)勢。

應(yīng)用雷電攔截新技術(shù)，可有效克服高壓輸電線路現(xiàn)有防雷技術(shù)的局限性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2021年，在四川省鹽源縣的3條高壓輸電線路上應(yīng)用了該雷電攔截新技術(shù)，到目前為止未再發(fā)生高壓斷路器跳閘及損壞設(shè)備現(xiàn)象，防雷效果初顯。