雷电绕击的形成发展以及放电特点

曹峻峰

雷电绕击的形成发展以及放电特点

曹峻峰

（大连依诺维电气有限公司，辽宁大连116000）

近年来，随着自然环境的每况愈下，大气形式也在逐年恶化，其变化严重影响了冶金、石油、化工、发电等高密度电能传输行业。结合实际情况，以长间隙放电理论为基础，根据大气中影响雷电的诸多因素，具体分析雷电绕击的形成、发展以及放电特点。

雷电；绕击；直击；侵害

1 引言

随着国家标准对雷电防护等级的提高，以及新型防雷产品的研发及应用，在雷电直击和感应过电压防护方面均发挥了一定的作用。但是，雷电绕击问题仍没有彻底解决，每年仍要发生巨额经济损失，同时也极大地威胁着人的生命安全。究其原因，在于人们对于雷电的研究更多关注的是雷电直击和感应的预防措施，而对于雷电绕击的问题普遍关注较少。这就造成了相应问题的产生，如设有避雷线的线路为什么遭受雷击；在密集避雷针条件下为什么雷电击中站内导线或设备等。这究竟是一种什么样的侵害形式，是值得深入研究的课题。

2 雷电绕击的形式及特点

雷电绕击是指绕过避雷线或避雷针等防护装置击中线路导线或站内设备的侵害形式，是分支流注放电的结果。当遇有同性电场时改变方向，尤其是演变为密集电荷中心时，其运动方向较为明显，随风飘移，但又不完全受风的影响，形似粒子碰撞，只是能量大小不同。

因此我们也可以用粒子碰撞模型（实验室结论）来解释雷电绕击的具体形式。粒子与粒子间的碰撞是指它们在各种力场的作用下的相互作用。粒子受其他粒子的影响后，它的物理状态发生了变化，就可以认为这些粒子间发生了碰撞。也可以认为碰撞使气体放电中粒子体系的状态发生了变化。例如，原子被激发和电离；电子的捕获和复合都属于粒子碰撞。

在理想气体的简单模型中，分子被看作弹性小球。如图1所示，当一束A类带电粒子（半径为Ra）以速度v穿过具有B类分子（半径为Rb）的气体时，其轨迹为一不规则的折线，每发生一次碰撞就会出现一次转折，相继两次碰撞间的距离称为平均自由程，在大气压力和常温下，空气中的平均自由程为10-5cm数量级。

图1 碰撞路径示意图

由粒子碰撞的自由概率我们可以知道雷电绕击的形成是难以预测的，它与密集电荷中心（球雷）自身电场和大气中电场有着密切关联。

3 雷电绕击的强度及危害

绕击雷电的能量与电离通道的阻抗及距离有关。当距离较大时，能量衰减亦较大（运动中不断吸收异性电荷时衰减）。若距离较小时，能量衰减亦较小，即危害较大。在雷电绕击的发展过程中绕击雷能量与运行距离成反比，当绕击雷以密集电荷聚集中心时，局部强度超过雷电直击强度。最高强度可达到26000 V/cm。远高于雷云先导的初始放电电位的1000 V/cm。另一方面，由于密集电荷中心在大气中不规则运动导致地面上固定位置的常规防雷装置受方位和距离制约作用降低。实践证明雷电绕过避雷线击中导线，及球雷在站所避雷针之间穿过击中导线或主变压器等设备，每年均有诸多实例。

发生绕击时导线上的雷电压的计算与雷电直击时的计算方法相同。当绕击雷击中架空输电线路的导线时(图2中A点)，等于沿主放电通道(其波阻为Z0)袭来i/2的电流波。由于输电线的长度远大于雷电波的波长，输电线可视为无限长导线，此时雷电电流波碰到的是两侧导线的波阻相并联后的Z/2，由于Z0≈Z/2，所以可近似认为此时在A点没有波的折反射发生。于是A点的直击雷过电压为：Ua=i/2×（Z/2）=iZ/4。取Z=500 Ω，则当i=24 kA时，过电压就高达3000 kV。雷电绕击其他建筑物时亦相同。

图2 雷击无限长导线

通过计算比较我们可以看出雷电绕击的破坏力是相当惊人的，在一定情况下其电压幅值更是高于雷电直击电压，所造成事故的严重程度亦可想而知。因此，雷电绕击的防护与消除则成为雷电过电压防护方面的重中之重。只有从根本上解决雷电绕击的危害才能彻底完善雷电过电压防护工作。

4 雷电绕击的空间分布

绕击雷电形成后受到地面多个物体捕雷面区域分布影响，导致雷电下行先导流注前端在对地释放能量时绕过雷电防护装置直接击中建筑物或线路的形式。通常在此种情况发生时，雷电在空中形成随机扭曲的弧线，并出现绕开雷电保护装置等现象。由雷电绕击导致的系统过电压我们称之为雷电绕击过电压。下面我们将通过对输电线路不同捕雷面的分析具体讨论雷电绕击的形成机理。

图3为用于分析避雷线屏蔽效果的几何模型。我们分别以避雷线a和导线b为中心，以r1为半径作两个圆弧，此两圆弧交于途中B点，再以高度为r1作一水平线CD与以d为中心的圆弧交于C点，由圆弧AB、BC和CD形成的曲线在沿线路方向组成一曲面，此曲面称为定位曲面，雷电流幅值为Ii的先导到达定位曲面前，其发展不受地面物体的影响，仅当它下行到定位曲面时才受到地面物体的影响而定。若Ii的先导AB弧上，则雷击避雷线；若落在BC弧上，则雷击导线（绕击）；若落在CD线上，则雷击大地，因此AB弧和BC弧分别称为避雷线和导线对雷电流Ii的捕雷面，而水平面CD为地面的捕雷面，雷电先导落在某一物体的捕雷面上，雷就必然击中该物体，这是因为先导到高物体的击穿距离比到其他物体的距离小的缘故。

图3 输电线路绕击的电气几何模型

不同的雷电流幅值有不同的r1，所以可以画出一系列的定位曲面。可以证明：AB弧与BC弧交点的轨迹为导线与避雷线的垂直平分线（即图中直线oc），BC弧与CD线的交点轨迹为一抛物线将整个空间分为三部分，中垂线以上部分是击中避雷线区，中垂线与抛物线所包围的区域为击中导线区（即绕击区），抛物线以下部分为击中地面区。随着雷电流幅值的增大，BC弧逐渐减小，雷电流幅值增大至某一数值Ik时，BC弧缩减为零，相当于Ik的闪击距离为临界闪击距离r2（图3），雷击时雷电流大于Ik时，则不可能发生雷电绕击。

通过上述分析我们知道，雷电绕击形成后，对于地面目标的侵害在一定概率上是存在空间界限的。其中主要路径取决于大气电场和地面雷击物体的捕雷面分布，进而导致输电线路脱离避雷线保护直接被雷击中。只有通过网状防护的方法才可彻底解决雷电绕击问题，但因投资巨大一般不宜采用，尤其不适合长距离架空输电线路，因此应把研究绕击雷电形成过程特点与调整捕雷面理论结合起来更为适宜。

5 结论

（1）雷电绕击的形成较难预测，加之横向运动惯性无法通过常规防雷手段彻底解决，对其进行规律性防护，应探讨非常规技术措施加以解决。

（2）雷电绕击的破坏能力相当惊人，在一定情况下其电压幅值更是高于雷电直击电压。只有从绕击雷电形成的前期着手防护为宜。

（3）雷电绕击对于地面目标的侵害在一定概率上是存在空间界限的。其中主要路径取决于空间电场和地面雷击物体的捕雷面分布。采用网状防护可彻底解决，但因投资巨大一般不宜采用，尤其不适合长距离架空输电线路，应把研究绕击雷电形成过程特点与调整捕雷面理论结合起来更为适宜。

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图2 原理接线示意图

5 解决办法

最后我们将到现场去的电流表拆除，只接低压柜上的电流表，电流显示正常，值班人员抄表也就到低压配电室抄表，而不去现场了。如果真的要让现场的电流表显示正常，唯一的办法只能在电机侧加装电流互感器，只是这个方法太麻烦，施工一般不采用。

一般电流表可以通过参数设定或调零等措施让数值显示正常，但是如果误差太大或线路阻值太大都没有办法很好地调整过来。

收稿日期：2014－06－04

作者简介：李建军（1977－），男，2002年毕业于江西理工大学电气技术及其自动化专业，工程师，现从事电气施工、检修技术工作。

The Formation，Development and Discharging Characteristics of Lightening Circling Stroke

CAO Junfeng
(Dalian Innovative Electric Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116000,China)

In recent years,deterioration of natural environment and the atmosphere has seriously affected industries using high-density electric power transmission such as metallurgy, petroleum,chemicals and power generation.In the light of actual situation and based on long-gap discharge theory and various atmospheric factors affecting lightening,the formation, development and discharge characteristics of lightening are specifically analyzed.

lightening;circling stroke;direct stroke;damaging

TM862

B

1006-6764(2014)10-0014-03

2014－07－09

曹峻峰（1985－)，男，2008年毕业于哈尔滨理工大学，本科学历，电气助理工程师，现从事电气技术研发及方案设计工作。