雷電概述1.1 雷電現場

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的放電現象。產生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性。

雷電一般產生于對流發展旺盛的積雨云中，因此常伴有強烈的陣風和暴，有時還伴有冰雹和龍卷,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對流等過程，使云中產生電荷。云中電荷的分布較復雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度后，就會產生放電，這就是我們常見的閃電現象。閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時，它們之間就發生激烈的放電。放電過程中，由于閃道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產生沖擊波，導致強烈的雷鳴。在雷電放電地點會出現強烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。

1.2 雷電的危害形式

雷電侵入地面的建（構）筑物、設備、人、畜等會造成災害，其形式主要有：

直接雷擊（包括直擊雷、繞擊雷）——在雷電活動區內，雷電直接通過人體、建（構）筑物、設備等對地放電產生的電擊現象為直接雷擊。

間接雷擊——雷電流通過靜電感應、電磁感應、電磁脈沖輻射、雷電過電壓入侵、雷電反擊等（統稱感應雷）形式侵入建（構）筑物內，使建（構）筑物、設備部件損壞或人身傷亡。

雷電災害的嚴重性表現在它具有巨大的破壞性上，其特點是雷電放電電壓高，閃電電流幅值大，變化快，放電時間短，閃電電流波形陡度大。雷電的破壞作用在于強大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場以及強烈的電磁輻射等物理效應，給人類社會帶來極大的危害，造成人員傷亡、巨大破壞、起火爆炸、嚴重損失。雷電災害波及面廣，人類社會活動、農業、林業、牧業、建筑、電力、通信、航空航天、交通運輸、石油化工、金融證券等各行各業，幾乎無所不及。隨著高科技的發展，雷電災害顯得越來越嚴重。

2雷擊機理 雷電一般起于對流發展旺盛的雷雨云中。感應起電理論認為，在晴天大氣電場下，電場方向自上而下，在垂直電場中下落的降水粒子被電場極化后，上部帶負電荷，下部帶正電荷。云中的小冰?；蚴切∷卧谕@些較大的降水粒子相碰撞后，就獲得了正電荷，然后會隨著上升氣流向上走，從而發生了電荷的轉移過程，使得小冰?；蛘咝∷螏д姾伞⒔邓Ｗ訋ж撾姾?。下圖給出了小水滴或小冰粒與極化的降水粒子碰撞獲得電荷過程示意圖。

圖  小水滴和小冰粒與極化的降水粒子碰撞獲得電荷過程示意圖

在雷電發生之前，帶有不同極性和不同數量電荷的雷雨云之間，或是雷雨云與大地物體之間會形成了強大的電場，如下圖所示。隨著雷雨云的運動和發展，一旦空間電場強度超過大氣游離放電的臨界電場強度時，就可能在雷雨云內部或者是雷雨云與大地之間發生放電現象，此時的放電電流可達幾十kA到數百kA，伴隨著強大的電流會產生強烈的發光和發熱，空氣受熱急速膨脹會產生轟隆聲，這就是雷電的產生過程。

圖 雷雨云內部和雷雨云與地面物體電場分布示意圖

地閃放電通道發展的實際拍攝照片如下圖所示。地閃的放電通道暴露于云體之外易于光學觀測。因此，目前對地閃放電過程已經有了相對較系統的研究。

圖 一次地閃放電通道發展的高速攝像圖片

3雷擊分類 根據形成原因，輸電線路雷擊過電壓可分為感應雷過電壓和直擊雷過電壓。感應雷過電壓是雷擊線路附近大地由于電磁感應在導線上產生的過電壓，而直擊雷過電壓則是雷電直接擊中桿塔、地線或導線引起的線路過電壓。從運行經驗來看，對35 kV及以下電壓等級的架空線路，感應過電壓可能引起絕緣閃絡；而對110（66）kV及以上電壓等級線路，由于其絕緣水平較高，一般不會引起絕緣子串閃絡。由于對輸電線路造成危害的主要雷擊過電壓為直擊雷過電壓，所以本手冊著重講述直擊雷過電壓。

架空輸電線路是電力系統的重要組成部分。由于它暴露在自然之中，所經之處大都為曠野或丘陵、高山，且線路距離較長，桿塔高度較高，因此遭受雷擊的概率很大。下圖所示為輸電線路雷擊物理過程。

(a)雷云下行先導向地面物理發展

(b)鐵塔或地線、導線產生迎面先導

(c)雷云下行先導擊中鐵塔或地線

(d)雷云下行先導擊中導線

雷云下行先導到達地面一定距離時，輸電線路鐵塔、地線、導線、地面其他物體都會產生迎面先導，這些迎面先導會競爭和雷云下行先導連接，決定著最終回擊路徑和雷電擊中點。根據這一物理過程，輸電線路的雷擊形式大致可分為繞擊和反擊。

3.1 繞擊

雷電繞擊是指地閃下行先導繞過地線和桿塔的攔截直接擊中相導線的放電現象，如下圖所示。雷電繞擊相導線后，雷電流波沿導線兩側傳播，在絕緣子串兩端形成過電壓導致閃絡。當地面導線表面電場或感應電位還未達到上行先導起始條件時，即上行先導并未起始階段，下行先導會逐步向下發展，直到地面導線上行先導起始條件達到并起始發展，這個階段為雷擊地面物體第一階段。地面導線上行先導起始后，雷擊地面導線過程進入第二個階段。在該階段內上下行先導會相對發展，直到上下行先導頭部之間的平均電場達到末躍條件，上下行先導橋接并形成完整回擊通道從而引起首次回擊。雷電繞擊的發展過程如下圖所示。

圖 雷電繞擊示意圖圖

圖 雷電繞擊發展過程

造成輸電線路繞擊頻發的原因主要有：

①自然界中的雷電活動絕大多數為小幅值雷電流，而恰恰是它們能夠穿透地線擊中導線；

②在運的輸電線路地線保護角普遍較大，加之山區地段地面傾角較大；

③超特高壓、同塔多回線路桿塔高度普遍增加；且線路多沿陡峭山區架設，使大檔距桿塔增多；這兩方面因素均使線路對地高度增加，降低了地面的屏蔽作用。

3.2  反擊

3.2.1 常規型輸電線路

對于常規型桿塔，雷擊地線或桿塔后，雷電流由地線和桿塔分流，經接地裝置注入大地。塔頂和塔身電位升高，在絕緣子兩端形成反擊過電壓，引起絕緣子閃絡，如下圖所示。

圖 雷電反擊示意圖

3.2.1.1 雷擊塔頂

雷擊線路桿塔頂部時，由于塔頂電位與導線電位相差很大，可能引起絕緣子串的閃絡，即發生反擊。雷擊桿塔頂部瞬間，負電荷運動產生的雷電流一部分沿桿塔向下傳播，還有一部分沿地線向兩側傳播，如下圖所示。負極性雷電流一部分沿桿塔向下傳播，還有一部分沿地線向兩側傳播；同時，自塔頂有一正極性雷電流沿主放電通道向上運動，其數值等于三個負雷電流數值之和。線路絕緣上的過電壓即由這幾個電流波引起。

圖 雷擊塔頂時雷電流分布

3.2.1.2 雷擊地線檔距中央

如下圖所示，雷擊地線檔距中央時，雖然也會在雷擊點產生很高的過電壓，但由于地線的半徑較小，會在地線上產生強烈的電暈；又由于雷擊點離桿塔較遠，當過電壓波傳播到桿塔時，已不足以使絕緣子串擊穿，因此通常只需考慮雷擊點地線對導線的反擊問題。

圖  雷擊地線檔距中央

3.2.2 緊湊型輸電線路

緊湊型輸電線路具有自然輸送功率高、電磁環境友好等方面優勢，在如今線路走廊日益緊張、環境保護要求逐漸提高的背景下得到日益廣泛的應用。緊湊型輸電技術是指通過縮小相間距離、優化導線排列、增加相分裂子導線根數等改變線路幾何結構的方法，壓縮線路走廊，增大導線電容，減少線路電抗，大幅提高自然輸送功率的新型輸電技術，如下圖所示。

圖 單回緊湊型線路桿塔

緊湊型線路由于采用了負保護角，防繞擊性能明顯優于常規線路，但是，由于緊湊型線路桿塔特殊的塔窗結構和導線布置方式，造成塔頭間隙特殊位置雷電沖擊放電電壓偏低，使得緊湊型線路反擊跳閘在總跳閘數中所占的比例要高于常規線路的反擊比例。

緊湊型直線塔特殊的塔窗結構，三相導線均位于塔窗內部，其雷擊閃絡的放電路徑與常規線路沿絕緣子串放電的路徑有明顯差異。我國相關的研究機構曾對緊湊型輸電線路桿塔的雷電反擊機理進行試驗研究。我國第一條500kV緊湊型線路昌房線采用的直線塔塔頭布置及電氣間隙如下圖所示。通過對模擬塔頭進行1.7/50μs雷電波沖擊試驗，得到的試驗結果如下表所示。

圖  昌房500kV緊湊型直線塔塔面布置及其電氣距離

表 模擬塔頭雷電沖擊電壓試驗結果（修正到標準大氣條件）加壓相別50%放電電壓

kV間隙距離

m平均場強

kV/mABC地+地22003.7594+地地23503.8618從模擬塔頭的試驗結果可以看出，上相導線與下相導線塔身側均壓環之間的間隙放電電壓比下相導線低7%左右，是緊湊型線路雷電沖擊絕緣水平中相對薄弱的部分，即下圖中間隙G4。實際運行經驗表明，G3也是較易發生反擊閃絡的路徑，如下圖所示。

圖  緊湊型桿塔雷擊放電路徑

以華北電網為例，2003～2010年華北電網主要500kV線路共發生雷擊跳閘95次，其中緊湊型線路17次，占雷擊跳閘總數的17.9％。500kV線路平均雷擊跳閘率為0.195次/（百公里?年），其中常規線路為0.224次/（百公里?年），緊湊型線路為0.115次/（百公里?年），緊湊型線路的雷擊跳閘率明顯低于常規線路。這也說明雖然從個體來看緊湊型線路不能保證在防雷性能上萬無一失，但從統計來看緊湊型線路相比于常規線路，其防雷性能仍然具有明顯優勢。

從雷擊故障的性質來看，華北電網2003～2010年間常規型線路發生了78次雷擊跳閘中僅有2次為反擊跳閘，占跳閘總數的2.6％，其余均為繞擊跳閘；而在緊湊型線路發生的17次雷擊跳閘中，除1次大電流雷擊斷線外，12次為繞擊跳閘，4次為反擊跳閘。緊湊型線路反擊跳閘在總跳閘數中所占的比例要明顯高于常規線路的反擊比例。

4輸電線路防雷擊的重要性在現代生活中，雷電以其巨大的破壞力給人類、社會帶來了慘重的災難。據不完全統計，我國每年因雷擊造成的財產損失高達上百億元。輸電線路是地面上最大的人造引雷物體，作為國民經濟重要支柱的電力系統，長期以來雷擊引起的輸電線路跳閘對電網安全穩定運行構成了較大的威脅。

據電網故障分類統計表明，在我國跳閘率較高的地區，高壓線路運行的總跳閘次數中，由雷擊引起的次數占40％～70％，尤其是在多雷、土壤電阻率高、地形復雜的地區，雷擊輸電線路引起的故障率更高。雷電流具有高幅值、高頻及高瞬時功率等特性，發生時往往伴隨著機械力效應和電氣效應的出現。

4.1  機械效應

雷擊輸電線路時，導線的屈服點會由于焦耳熱而降低，徑向自壓縮力有可能超過導線的屈服點，從而使鋼芯鋁絞線發生形變，最終導致原本組合在一起的不同材料發生剝離和分層，降低了導線的機械強度，從而發生斷線、斷股事故，如下圖所示。

(a)某輸電線路被雷擊致斷線

(b)某線路被雷擊致斷線并燃燒

圖  雷擊的機械效應

4.2 電氣效應

輸電線路防雷重點在于雷電由于電氣效應產生的過電壓的防護。雷擊過電壓超過線路絕緣耐受水平時，將使導線和地（地線或桿塔）發生絕緣擊穿閃絡，而后工頻電壓將沿此閃絡通道繼續放電，發展成為工頻電弧，電力系統的保護裝置將會動作使線路斷路器跳閘影響正常送電。雷擊對電網造成的危害，主要有雷擊單相短路、相間短路等。

(a)某線路遭受雷擊瞬間

(b)被雷擊后的輸電線路絕緣子串

隨著電網建設的架空線路桿塔越來越高，線路走廊越來越密集，客觀導致輸電線路遭受雷擊的風險增多增大。每發生一次雷擊線路的跳鬧故障，都會對電力系統造成強擾動，還將造成設備損毀、線路停運，甚至出現大面積停電事件，嚴重的還將造成巨額經濟損失和較大社會影響。在全球氣候環境日益惡劣的大背景下，我國近十年來雷電活動加劇頻繁，同時隨著我國經濟的高速發展，電力需求不斷增長，電網建設不斷增速，因雷擊造成的電網故障所發生的經濟損失正呈逐年上漲的勢頭，雷擊造成線路兩相閃絡、同塔雙回線路同時閃絡、同一輸電通道多回線路相繼跳閘等嚴重故障明顯增加。因此，有針對性的開展雷電監測與防護方面的相關工作，對于保障電網安全穩定運行意義重大。