0 引言

输电线路是电力系统的大动脉,它的安全运行直接影响到电网的稳定和向用户的可靠供电。在电力系统中,雷击输电线路是造成线路跳闸停电事故的主要原因。因此,输电线路的防雷工作至关重要。现有的防雷措施主要有：架设避雷线、降低杆塔接地电阻、杆塔外引地线、安装避雷器等。这些防雷措施大多依靠“堵”的方式,即在雷电活动期间通过加强线路自身绝缘和防护等级,这些措施对雷电是否会击中导线不起到任何效果,无法从根本上杜绝雷击线路跳闸的频繁发生^[1]。

2006年底,南方电网公司分别在深圳牛头山、凤凰山和塘朗山迎风面建立了60 m高的引雷塔,进行主动式引雷,以保护背风面区域密集线路走廊。引雷塔运行十几年以来,被保护的区域线路跳闸事故明显降低,高塔区域性防雷初显成效。引雷塔塔高一般为40~60m,其保护临近输电线路的方式是利用“引雷而消雷”的原理：引雷塔一般建设在线路临近的山体顶部,在雷云下行先导在向地面的发展过程中,引雷塔顶部容易产生上行先导,与雷云的下行先导先接触,从而完成了放电过程,对周围的输电线路起到保护作用,以减少附近线路雷击跳闸次数^[1-2]。目前,引雷塔这一防雷手段经过十多年的运行,积累了一定的运行数据,但尚缺乏准确、可靠的雷电测量数据对其引雷效果进行评估,故需要做大量的实验工作,针对引雷塔的引雷能力进行系统而全面的评估。

引雷塔主要由接闪器、塔体和接地体等组成,其中接闪器为可控避雷针,其作用是产生上行先导与雷云下行先导相连;塔体材质分为RS复合材料和角钢,一般起支撑接闪器的作用;接地体分为引下线和埋入地里的接地装置所组成,其作用是雷击高塔时将雷电流导入地下。文献[3]研究了在不同阻值的接地电阻下地面目标物的引雷能力问题,发现电阻越小,引雷能力越强;文献[4-6]对不同电压等级下的输电线路进行缩比比例为1:100放电实验,发现线路的引雷距离与目标物的高度呈正相关;文献[7]对可控放电避雷针灵敏度进行了冲击放电实验研究,发现其相对于普通避雷针放电灵敏度提高了3.7%;但对由不同材质的引雷塔的引雷能力强弱问题尚未有学者进行相关研究。在研究不同材质的高塔引雷能力问题时,实验组人员采用热镀锌角钢塔替代钢管塔,环氧树脂塔替代RS复合塔进行研究。钢管塔一般通过接闪器-金属塔体-接地装置形成雷电流泄放通道,RS复合塔一般通过接闪器-引下线-接地装置形成雷电流泄放通道,这2种导流通道的差别对高塔引雷能力的强弱会产生区别。

本文采用负极性标准操作波对缩小比例为1:12.5的模型塔进行放电实验,研究了热镀锌角钢和环氧树脂2种典型材料引雷塔的引雷能力的问题,结合理论分析了高塔不同接地方式对其接闪特性的影响机制,为引雷塔的设计和建设提供参考。

1 雷击模拟实验理论基础

自然地闪过程是一种数千米超长空气间隙的云-地放电过程,其中负地闪的数量占地闪总数比例超过90%。1999—2008年,重庆地区的闪电中,负极性雷闪占闪电总数的94.84%,正极性雷闪仅占总数的5.16%^[8]。自然界负地闪的放电过程与实验室长空气间隙的负极性冲击放电的物理过程具有一定的相似性,它们放电的主要过程均具有：负极性下行流注和先导、空间先导、正极性迎面流注和先导等放电发展阶段^[9-10],以下为长间隙放电物理过程和负地闪放电过程的对照,如表1所示。

为更明确阐述实验室负极性长间隙放电与负地闪放电过程参数的关系,综合国内外学者对放电实验观测数据及雷电观测各物理参量的整理^[11-19],

表1 长间隙放电过程与雷电第一分量放电过程对比^[10] Tab. 1 Comparison of long gap discharge process and lightning first component discharge process^[10]

对单位长度下两者的观测结果进行对比分析发现：1）长间隙放电的通道尺寸、电荷量、放电时间在为负地闪放电通道的1/1000;2）长间隙放电下行先导通道能量低于负地闪先导通道能量的1/100;

3）下行先导发展速度、电荷密度等参量约为雷电下行先导的1/10或者相同数量级。根据上述学者的研究成果,可以认为当实验室长空气间隙尺寸足够长时,长空气放电过程中的先导发展速度、先导电流、梯级先导发展尺度及回击电流等参数完全可以与微型雷击放电过程参数具有相同的数量级。因此,当采用的放电间隙尺寸足够长时,可通过模拟实验研究微型雷击放电过程^[20]。

2 引雷塔雷击模拟实验设计

2.1 引雷塔缩比模型

缩比实验是一种常用的工程实践验证方法,而合理设计缩比模型是实验成功的关键,研究结果表明：在雷击模拟实验中,不仅要在几何结构方面与原型保持高度相似,而且实验结果的真实性随目标物的缩比比例的增大而增大^[21-24]。因此,在后续输电线路雷击特性模拟实验中,应尽量采用大尺寸且结构相似的真型塔进行模拟实验。鉴于实验场地的原因,本文采用1:12.5的缩比比例对高为60 m的引雷塔进行模型制作,加工制成高度为480 cm,下底尺寸为72 cm×72 cm,上顶部尺寸为20 cm×20 cm的引雷塔缩比模型,如图1所示。

2.2 避雷针缩比模型

可控放电避雷针由底座、主针、储能元件,与底座连接的4根斜拉杆(呈放射状向上)等部分组成,动态环固定在斜拉杆上,储能元件、主针依次固定于底座上,主针处于动态环的圆心,起支撑和隔离作用的绝缘水平拉杆连接在主针与斜拉杆之间,底座固定在避雷针支柱上;主针与储能元件电连接,在斜拉杆的下部安装连接有辅助储能元件;辅助储能元件与储能元件相连,如图2所示。

为保证实验数据的可靠性,根据可控放电避雷针的实际尺寸,采用1:12.5的缩比比例,加工制成高度为14.5 cm,底部尺寸为20 cm×20 cm,圆环半

图1 引雷塔真型及缩比模型尺寸 Fig. 1 True and scale model size

图2 可控放电避雷针 Fig. 2 Controlled discharge lightning rod

径为12 cm的避雷针模型,可控放电避针模型见图2,实验中可控放电避雷针置于缩比模型塔塔顶。

2.3 高压电极的设计

实验室间隙放电与自然界雷击放电的过程上具有相似性,但实验室的长间隙放电无法模拟雷击的全过程,故在目前的长间隙放电实验中一般采用负极性冲击放电来模拟自然界雷击的最后跃变阶段。在模拟雷击实验中,放电间隙的尺寸相对于自然界的雷击几乎可以忽略不计,因此,可近似认为雷电最后一击之前的下行先导沿垂直地面的方向发展。雷电下行先导作用下的空间电场分布与棒-板间隙的电场分布相似,即假设下行先导流注区为圆柱体,其头部为半球形^[14,17]。雷电下行先导头部电晕套的直径大约在1 m或大于1 m,本文中以1 m来计算,采用1:12.5比例缩小,即1 m/12.5=0.08 m。下行先导头部半球形电晕套的直径比本体圆柱形流注区半径大。因此,本体圆柱形直径取60 mm,即高压电极为长10 m,直径60 mm的圆钢棒,其头部为一直径80 mm圆球的棒状电极来模拟下行先导。

2.4 施加放电波形的选择

为使缩比引雷塔的接闪放电能够反映自然界高塔接闪放电过程,需要选择合理的放电电压波形。目前,国内外学者在进行雷击放电实验中,选取电压波形主要的依据有以下2种：梯级先导的停顿时间、地面物体表面电场强度及电场强度变化率^[17]。本文的研究重点在于考虑雷云背景下不同塔材的引雷能力强弱的问题,而非击距,故选择模拟实验电压波形的主要关注点在不同材料的杆塔表面电场的变化。

在缩比模型塔仿真计算中对比自然界雷电和实验室采用的各实验电压波形,发现采用标准负极性操作波时,塔顶表面电场强度变化率与自然界雷击引起的目标物表面的电场强度变化率最为接近^[23-25]。因此,在本次实验中选取了负极性标准操作波,波头时间为250 μs,波尾时间为2500 μs,以此来满足实验的电压波形条件。

2.5 间隙50%放电电压的确定

参照GB/T 16927.1—2011《高电压实验技术》^[25],间隙放电实验采用升降法求取50%放电电压,每组实验加压40次。实验结果依据标准进行气象修正,每组实验前后分别对温度、湿度和气压3个参数进行测量,取各参数的平均值作为本次实验数据的气象条件^[26-28]。

为使间隙击穿后空气绝缘恢复,两次放电的间隔不小于3 min,使得在充电间隙时间内塔体残留电荷转移到大地,排除其他因素对实验结果的干扰。

2.6 引雷塔放电实验的布置

2.6.1 引雷塔-单塔间隙放电实验布置

实验中将单个模型塔置于高压电极正下方,塔顶放置可控放电避雷针,保持引雷塔顶部避雷针针尖与高压电极头部始终处于同一铅垂线上,高压电极与塔顶避雷针的间隙距离取d(d=1、3、5、7 m),模型塔置于60 cm高的绝缘支柱上,实验过程中复合材料塔顶的避雷针通过引下线实验场地接地网相连;角钢塔塔顶的避雷针通过塔体直接与场地的接地网相连。采用升降法得到不同间隙下高塔的U_50%,同时采用单反相机记录下间隙的放电路径,实验原理接线如图3所示。

图3 单塔实验平台配置 Fig. 3 Experimental platform configuration of single tower

2.6.2 引雷塔-双塔选择性放电实验布置

为排除实验过程中其他因素的干扰,更直接地有效评估不同材料对引雷塔的引雷能力的影响。实验中将缩比模型塔放置在高度为60 cm的支柱绝缘子上,以此来保证实验过程中,缩比模型塔对地的绝缘,支柱绝缘子底板对称放置在高压电极下并做好标记,防止在换塔过程中出现位置偏移。将两实验模型塔放置在支柱绝缘子底板上,两塔中心间距1.2 m,高压电极布置在两塔中心连线中点的正上方,且始终保证电极距两塔顶部避雷针针尖的间隙距离为1 m。实验过程中复合材料塔顶的避雷针通过引下线与实验场地地网相连,引下线为线长5 m,直径为5 mm的铜导线;角钢塔塔顶的避雷针通过塔体直接与实验场地的接地网相连接,实验布置如图4所示。

实验过程中用高速摄像系统记录下间隙的击穿过程,Phantom V2512型高速摄影仪作为放电发展光学观测主要设备,其最大拍摄速率为680 000 fps(fps表示帧/s),即最快可达约1.5 μs/张,在最大拍摄速率下,最小曝光时间为1 μs,基本与

图4 双塔实验平台配置 Fig. 4 Experimental platform configuration of double tower

流注发展时间相当。Phantom V2512可持续拍摄时间长达约10 s,远大于操作冲击电压的波尾时间2500 μs,可以准确拍摄到放电发展的整个过程。从分辨率、拍摄速率、曝光时间以及可持续拍摄时间4个角度而言,Phantom V2512型高速摄影仪均能满足放电发展过程的拍摄要求,实验中高速相机的具体参数如表2所示。

表2 高速摄像仪的参数设置 Tab. 2 Parameter setting of high speed camera system

在高速拍摄的过程中,为保证拍摄的放电发展过程照片与电压波形同步性一致,Phantom V2512型高速摄影仪同样采用Tektronix MDO3024型示波器同步触发,如图4所示。

3 引雷塔放电实验结果及分析

3.1 引雷塔-单塔放电实验结果及分析

实验过程中通过更换不同材料的模型塔和调节高压电极与模型塔之间的间隙距离进行放电实验,采用升降法获取了间隙放电的50%击穿电压,并对40次放电击穿的时间进行了统计和计算,统计与计算结果如表3所示,其中,U_50%为间隙的50%击穿电压,T_av为间隙的平均击穿时间,本节实验持续1周,温度变化范围为32.1~38.5℃,相对湿度变化范围为24.3%~35.4%,大气压强变化范围为101.1~102.6 kPa。

表3 单塔间隙放电实验结果 Tab. 3 Single tower gap discharge test results

由表3可知,在平均击穿电压和平均击穿时间上,角钢塔相对于环氧树脂塔要低,且随着实验间隙距离的增大,这种差别更加明显。因此,在更长的间隙下,角钢模型塔更容易与高压电极发生接闪。

在间隙距离为5 m的条件下,通过单反相机长时间曝光拍摄得到不同塔材的放电发展路径,如

图5所示,图中的红点为下行先导和上行先导的连接位置。通过对实验中不同间隙下两塔的上、下行先导接闪位置的统计,发现角钢塔塔材迎面流注连接位置比环氧树脂塔的连接位置要更靠近高压电极,说明相比环氧树脂塔,角钢塔更容易产生向上的迎面流注。迎面流注连接位置的确定方

图5 5 m时不同塔材接闪过程中先导连接位置 Fig. 5 Leader connection position during different flashing of the tower in 5 m

法：上、下行先导在空间连接位置的两侧会出现向上和向下的流注分支,分支连接处存在明显的弯曲现象^[24]。

根据迎面流注连接位置的确定方法,本文对1、3、5、7 m等实验条件下,同一空间尺度下,上、下行先导在空间发展尺度的比值P进行计算,计算结果如图6所示。

图6 在间隙距离d下P值与塔材的关系 Fig. 6 Relationship between P and tower material in different gap distance

可以看出,同一空间尺度下,角钢塔上、下行先导发展尺度的比值P,角钢塔要大于环氧树脂塔。因此,不同材质引雷塔的雷电泄流通道的不同会影响塔顶避雷针的上行先导的发展尺度。在同一实验间隙距离D下,角钢塔塔顶上行先导的发展尺度要优于环氧树脂塔。

3.2 引雷塔-双塔放电实验结果及分析

为更加直观地反映不同塔材在同一电极下的接闪能力差异,本文设计了双塔选择性放电实验,实验过程中两塔塔顶避雷针针尖距离高压电极距离为1 m,实验电压幅值取800 kV,放电次数为50次。结果如表4所示。双塔选择性放电实验共进行了2组：1）I组,左、右两塔均为角钢塔,且塔顶均安放可控放电避雷针;2）II组,左塔为环氧树脂塔,右塔角钢塔,两塔塔顶均放置可控放电避雷针。

表4 相同塔材间隙放电实验结果 Tab. 4 Same tower gap discharge test results

其中,I组实验左、右两塔接闪次数分别为24次、26次,且在进行不同塔材间隙选择性放电实验过程中,底部的支柱绝缘子底座的位置未发生偏移。2个相同的塔被击概率基本相当,可以认为能排除由于实验布置、接线等因素对实验结果造成的偏差。

实验中记录下II组不同塔材时两塔的接闪次数,并通过高速摄像机对1 m间隙两塔的接闪过程的记录,对比两塔在接闪过程的时间,II组实验结果如表5所示。

表5 双塔间隙放电实验结果 Tab. 5 Double tower gap discharge test results

在双塔选择性放电实验中,角钢塔发生放电次数占总次数的72%,复合塔发生的放电占比为28%,这验证了引雷塔-单塔的放电实验结果。角钢塔较环氧树脂塔在平均击穿时间上要更短,双塔选择性的击穿时间与单塔间隙击穿的时间相比,也要更大一些,这是由于双塔选择性放电时,两塔会出现上行先导竞争的机制,这将延长高压电极与避雷针之间的间隙放电时间。

实验过程中,用高速摄像系统记录下高压电极对不同塔材的放电过程和放电路径(左侧高塔为环氧树脂塔,右侧高塔为角钢塔),如图7所示。对双塔选择性放电的平均放电时间统计结果如表5所示,角钢塔的接闪时间要更短,以下分析不同塔材的典型放电过程影像。

图7 引雷塔选择性放电过程典型照片 Fig. 7 Selective discharge process

由图7可见,发现高压电极先向角钢塔产生下行的流注,且角钢塔与高压电极间的流注通道在t=135.45 μs率先贯穿,比环氧树脂塔与高压电极间在t=136.97 μs流注贯穿的时间要早大约1.52 μs;在t=136.97 μs时,角钢塔和环氧树脂塔与高压电极间均出现流注贯穿,但是高压电极向角钢塔出现两支下行先导,角钢塔的迎面先导较环氧树脂塔的也要长一些;在t=138.49 μs时,角钢塔与高压电极之间发生接闪,而高压电极和环氧树脂塔之间的先导长度占整个放电间隙大约45%~50%。

对1 m条件下双塔选择性放电实验中,两塔塔顶避雷针的先导起始进行统计,统计结果如表6所示。

表6 双塔间隙放电选择性放电中塔顶先导起始时刻统计 Tab. 6 Statistics on the starting time of the tower in selective discharge of double-towers

这说明在相同的实验条件下,角钢塔较环氧树脂塔要更早产生迎面先导,更易于高压电极发生接闪。

本文运用静电场方法^[29]来对高塔塔顶的电场强度进行仿真分析,仿真时根据运行中引雷塔的实际参数,在模型中将引雷塔的高度设为H=60m,雷云的高度设为2 km,雷云背景电场取15 kV/m。在仿真中根据塔材的不同,角钢塔的相对介电常数设为1,电阻率设为$1\times {{10}^{-8}}(\Omega \cdot \text{m})$;环氧树脂的相对介电常数设为4,电阻率设为$4.8\times {{10}^{17}}(\Omega \cdot \text{m})$,角钢塔与大地直接相连,电位设为零电位,复合材料塔顶的避雷针通过引下线与大地连接,避雷针的电位设为零电位。仿真结果显示,角钢塔塔顶的最大场强为4.69×10⁸ V/m,环氧树脂塔塔顶的最大场强为4.53×10⁸ V/m,两者相对差值在3.5%左右。

实际运行中角钢塔和复合塔在引雷方面主要的区别是两者雷击泄流通道不同和在高压电极下两塔顶部电场畸变的程度不同,角钢塔是塔顶避雷针通过塔体与接地装置相连,复合塔是塔顶避雷针通过接地引下线与接地装置相连。在雷击下行先导的发展中,地面高塔顶部表面会感应出相反的电荷,2种类型的塔顶顶部电场存在差别,角钢塔顶部电场强度要略大于复合塔顶部场强,使角钢塔在同一高压电极下较复合材料塔要更容易产生迎面先导,从而解释了角钢塔的引雷能力更强的现象。

4 结论

为研究不同塔材的引雷塔的引雷能力,本文设计了引雷塔-单塔间隙放电实验和引雷塔-双塔选择性放电实验和观测,对间隙击穿的电压、时间进行了统计处理,并利用高速摄像系统和单反相机构成的放电光学观测系统对放电过程进行记录,通过对实验数据的分析,得到如下结论：

1）角钢塔的引雷能力效果要强于复合材料塔。

2）单塔间隙放电实验中,同等间隙条件下角钢塔间隙的50%击穿电压和间隙平均击穿时间要小于复合材料塔。

3）在同一空间尺度下,角钢塔上行先导间隙放电通道的占比高于环氧树脂塔。

4）双塔间隙放电实验中,角钢塔的接闪次数百分比较环氧树脂塔的多44%,对放电过程观测数据的处理,发现角钢塔更易产生上行先导,且其间隙击穿的时间要更短。

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