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(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研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

現(xiàn)代雷電科學證實，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(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個階段并定量分析了每個階段的物理參數(shù)。顯然，這是雷電防護的基本理論依據(jù)。

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(shù)進行計算，并與雷擊雷電攔截器的物理參數(shù)進行比較，給出了應用雷電攔截新技術(shù)預防直接雷擊損害的新方法，為防雷工程設(shè)計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(fā)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(fā)生及對下風向的屏蔽作用

雷云內(nèi)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(nèi)部會發(fā)生放電現(xiàn)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?shù)撞侩妶鰪姸冗_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(shù)[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(xù)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(fā)生電暈，產(chǎn)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(chǎn)生大量的離子，在下風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的發(fā)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(fā)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(guān)，可用經(jīng)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(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。

首次回擊將產(chǎn)生以下四大效應：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]。首次回擊發(fā)生的同時，往往會有非主通道枝狀雷擊發(fā)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(fā)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(shù)：傳播速度v為(1～2)×107m/s；持續(xù)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(xù)電流

繼后回擊在箭式先導結(jié)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(tǒng)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(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(jié)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(xù)電流(continous current，CC)。連續(xù)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(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)生包括熱效應在內(nèi)最嚴重的雷擊損壞。持續(xù)時間小于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(tǒng)構(gòu)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(shù)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(jié)束[11]。

2 現(xiàn)有防雷技術(shù)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(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 空間電磁場強度

雷擊鐵塔的電流產(chǎn)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(shù)為120 π(377)[13-14]，取雷擊電流30 kA,其磁場強度按式(1)計算，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(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(shè)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(xiàn)有防雷技術(shù)的局限性

1)雷擊鐵塔時將產(chǎn)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(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，在鐵塔端部產(chǎn)生垂直電位高達600 kV和在距鐵塔周圍地面10 m處產(chǎn)生水平電位高達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。因為避雷線產(chǎn)生的電場是一個面電場，受高斯定理約束；鐵塔產(chǎn)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(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、波導理論，應用色散波導諧振腔體結(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(yōu)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(cè)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(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(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)對雷電具有強烈的吸引作用，其產(chǎn)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(jié)構(gòu)，衰減雷擊點電流≥40%，而鐵塔接閃時沒有衰減。

3)大大優(yōu)化了雷擊點的電磁環(huán)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(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(shù)[21]與現(xiàn)有防雷技術(shù)進行比較：

1)將雷擊過程分為先導發(fā)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(shù)。

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(xiàn)有高壓輸電線路直擊雷防護技術(shù)的局限性。

3)提出可實現(xiàn)更長上行先導并衰減雷擊點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(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。