防绕击避雷针在防绕击避雷针在 220kV 输电线路防雷中的效果分析输电线路防雷中的效果分析摘 要：为了评估在 220kV 输电线路地线上安装防绕击避雷针后的防雷效果，文 章提出了 3D 的电气几何模型（EGM）来计算防绕击避雷针对导线的保护距离，以及加装 防绕击避雷针后对线路耐雷性能的改善情况。对 220kV 典型杆塔（ZM1）的计算结果表明： 防绕击避雷针可以起到一定的绕击保护作用。 关键词：输电线路；防绕击避雷针；效果 1 概述 在我国，输电线路纵横交错，线路走廊大多在山区，线路受雷电绕击而跳闸的次数 越来越多。正在建设的特高压线路中，线路防护的主要工作是雷电绕击的防护，地线的保 护角是影响线路绕击的跳闸率的重要因素，保护角越小，跳闸率越小。对已建成的输电线 路来说，保护角已经固定，目前一种使用较多的防绕击措施是在地线上加装防绕击避雷针 以提高地线对导线的屏蔽能力。由于避雷针的针杆长度一般只有 0.2 到 0.6 米，所以其保护 范围有限，在实际工程中尚无足够的运行经验可以证明其有效性。因此，本文对防绕击避 雷针的防雷效果进行分析，具有一定实际意义。 2 防绕击避雷针的结构和保护原理 防绕击避雷针是一种安装在输电线路地线上的金属针。一般都是间隔一定距离的， 尖端的朝向是杆塔附近的地线，增加地线的引雷作用。一般在距离杆塔 15m 和 30m 处的 地线上各安装 1 根防绕击避雷针，每基塔共安装 8 根3。 如图 1 所示，防绕击避雷针的主要结构是头部的 1 根 0.20.4m 长的针杆，以及位 于其尾部的平衡球和防震锤头、套管、线夹等组成。 当输电线路受到雷击时，防绕击避雷针的尖端引雷作用将原本会绕击导线的雷电引 至地线，然后通过杆塔将雷电流泄入大地。它的保护原理与将地线往外平移 1 个铁杆长度 的距离类似，从而减小下方导线地线保护角，以此降低跳闸频率。 3 仿真模型与计算方法 二维平面计算模型是传统的电气几何模型，它仅仅能模拟线路在平面上绕击保护情 况，却无法对立体屏蔽的效果进行分析。本文提出三维立体的电气几何模型，对防绕击避 雷针的保护范围进行建模计算，建模方法如下： 击距理论是 EGM 的核心，本文采用 IEEE 推荐的击距公式4 rs=10I0.65 （3-1） 式中，rs 为雷电对导线的击距，m；I 为雷电流的幅值，kA。 如图 3 所示，弧 AB，BC、CD 是位于防绕击避雷针的二维平面上的，通过对击距 的理论分析，弧 AB、CD 为该地线和大地的屏蔽弧，此处雷电先导优先对地线和大地放电， 导线处于屏蔽的保护中；弧 BC 为雷电先导，是该导线的暴露弧，直接对导线进行放电， 形成绕击。N 和 P 是地线和导线上的某一点。沿档距方向将弧 BC 平移扩充则形成图中的曲面 BCEF，此曲面是线屏蔽系统下的三维绕击暴露曲面。同样通过对击距的理论分析，可知防绕击避雷针的放电在尖端上发生，其击距曲面用针尖 O 为球心、击距 rs 为半径 的球面来表示。 根据击距理论，当导线的暴露曲面 BCEF 位于防绕击避雷针的屏蔽球 O 内时，雷电 会先对防绕击避雷针放电而不会绕击导线，防绕击避雷针可以屏蔽保护位于球内的导线暴露曲面。防绕击避雷针弥补了地线保护的不足之处，实现了对绕击的全保护。 通过上面的分析可知，对于某一雷电流幅值 I，若导线上 P 点的弧 BC 都在球 O 之 内，则表明 P 点处线路受到了防绕击避雷针的保护。为了计算防绕击避雷针之间的保护距 离，先暂时固定位置，再增加 P 点和防绕击避雷针之间的距离，直到球 O 不能完全屏蔽 P 处暴露弧为止，这时 P 点和防绕击避雷针之间的距离就是在雷电流幅值下的防绕击避雷针 最大保护距离 lmax。在该距离 lmax 内，线路因受到防绕击避雷针的完全屏蔽而不会发生 绕击。 当雷电流发生变化时，雷电流的击距 rs 也随着改变，导致防绕击避雷针的屏蔽球 O 和导线的暴露弧面 BCEF 的半径及相对位置发生变化，所以还应计算不同雷电流幅值 I 下 防绕击避雷针的保护距离。对于某条具体线路，只有幅值介于耐雷水平 Imin（由线路的绝 缘水平决定）与最大可绕击电流 Imax（由地线保护角 和杆塔呼称高度 h 决定）之间的雷 电流才会绕击导线。因此，为求得防绕击避雷针的保护距离，首先应计算雷电流在 Imin，Imax区间内时不同的雷电流幅值 I 所对应的防绕击避雷针的最大保护距离 lmax； 然后将计算结果按照雷电流幅值的分布概率进行加权平均，得到最终的防绕击避雷针的有 效保护距离 L，具体计算流程如图 4 所示。 4 220kV 输电线路加装防绕击避雷针后保护效果分析 为分析防绕击避雷针的保护效果，本文采用 220kV 单回输电线路中常见的 ZMT1 猫 头型直线杆塔进行计算，ZMT1 型单回直线杆塔上导线和地线的相对位置和杆塔具体参数 5如图 5、表 1 所示。 ZMT1 型杆塔导线为三角形布置，一般只有边相导线会发生绕击。文献6采用小规 模试验法对 220kV 输电线路的 ZMT1 杆塔进行了防雷性能研究，结果显示绕击危险区域 （绕击可能性比较高的区域）位于距离杆塔 720m 的范围内。 为了有效地降低线路绕击跳闸率，在架设防绕击避雷针的时候，要把保护范围覆盖 到所有的危险区域。本文上述仿真模型和计算方法对 ZMT1 杆塔上的防绕击避雷针的保护 距离进行了计算，得出了完全屏蔽绕击危险区域所需要的防绕击避雷针的最少个数，计算 时取防绕击避雷针的针杆长度为 0.2m，线路的绝缘水平依照规程78进行选取。 本文中采用 MATLAB 编程计算。 从表 2 可以看出，在 220kV 线路 ZMT1 杆塔的地线上，1 根防绕击避雷针（针杆长 度为 0.2m）的保护距离为 2.02m，此结果与文献9根据小规模试验所得出的保护距离 2.15 十分接近。而 220kV 线路危险区域为距离杆塔 720m 处，危险区长度为 13m，所以在 220kV 线路 ZMT1 杆塔两侧的每根避雷线上，间隔 4.04m 共安装 4 根防绕击避雷针，就可 以完全屏蔽在距杆塔 720m 范围内的绕击危险区域，即每基 ZMT1 杆塔两侧地线上共需 安装 16 根防绕击避雷针。 显然，如果安装 16 根防绕击避雷针，则其成本和施工量 都是巨大的，对地线的机械性能也会产生负面影响。现实的 220kV 输电线路常用标准是在 地线上距离杆塔 720m 处等距安装 2 根防绕击避雷针，即每基杆塔安装 8 根防绕击避雷 针，本文计算了安装 8 根防绕击避雷针后线路绕击跳闸率的改善情况。计算中假设两基杆 塔内百分之五十的绕击事故发生在位于杆塔两侧的绕击危险区域内。 从计算结果可以看出，220kV 线路 ZMT1 杆塔在安装 8 根 0.2m 长的防绕击避雷针 后，绕击跳闸率只有 0.074，降低了 31.1%，说明防绕击避雷针可以起到一定降低输电线路 绕击跳闸率的作用。 5 结束语 对单回 220kV 输电线路典型杆塔的计算结果表明，在输电线路的绕击危险区域内安 装防绕击避雷针可以起到一定的绕击保护作用。由于受到防绕击避雷针的尺寸限制，单根 防绕击避雷的保护距离太小，防绕击避雷针的绕击保护效果比较依赖于在地线上的安装个数。每基 220kV 线路 ZMT1 杆塔两侧至少需要安装 16 根 0.2m 的防绕击避雷针才能完全屏 蔽绕击危险区域，当安装数量不足时，防绕击避雷针则无法成功屏蔽绕击的危险区域，对 线路绕击跳闸率的作用效果甚微。 参考文献 1王志勇，余占清，李雨，等.减小地线保护角对改善线路防雷性能的效果J.高电 压技术，2011，37（3）：622-628. 2林，肖鱼.规程法在计算输电线路雷击跳闸率中的应用J.实用科技，2011：248. 3寻凯.架空线路防绕击避雷针实用化技术J.高电压技术，2008，34（6）：1301- 1305. 4Transmission and Distribution Committee of the IEEE Power Engineering Society.IEEE guide for improving the lightning performance of transmission linesM.New York，USA：The Institude of Electrical and Electronics Engineers Inc，1997. 5刘振亚.国家电网公司输变电工程典型设计M.北京：中国电力出版社， 2005：29-59. 6钱冠军，王晓瑜，徐先芝，等.沿输电线路档距方向绕击概率的变化J.高电压技 术，1999，25（1）：23-25. 7DL/T 620-1997.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合S.1997. 8DL/T 5092-1999.110500kV 架空送电线路设计技术规程S.1999. 9郭秀慧，李志强，钱冠军.输电线路绕击防护的新措施J.高电压技术， 2005，31（7）：37-41. 作者简介：刘阳（1989，12-） ，男，汉族，湖北宜昌，助理工程师，大学本科，国 网安徽省电力公司枞阳县供电公司，研究方向：输电线路。