侧向避雷针在特高压交流线路防雷中的分析

8.1.5.1　侧向避雷针的结构及应用现状

侧向避雷针是一种通常用角钢固定在杆塔横担外侧的具有尖端的金属细棒，能引导雷电先导朝向避雷针尖端发展，将雷电绕击转化为反击。因为输电线路的反击耐雷水平要远高于绕击，所以通过侧向避雷针将绕击转化为反击后，只要线路的反击耐雷水平足够高，一般不会造成线路跳闸。因此，侧向避雷针可保护输电线路的杆塔周围的重点绕击危险区。文献[16]表明，侧向避雷针对于高杆塔线路具有显著的防绕击保护效果。

图8-22　侧向避雷针的安装位置示意图

侧向避雷针的防绕击作用已在一些高压工程中被证实是有效的，例如其在金华电力局110kV德姜线中的应用。110kV德姜1679线位于千岛湖山区，主线共189基杆塔，其中绝大部分杆塔采用的是220kV杆塔，少量采用的是330kV杆塔。从1970年投运至1993年，德姜线23a来的全线平均雷击跳闸率高达4.11次/（100km·a）（年平均雷暴日为47.17天），是浙江省雷害线路中的“老大难”问题。电力部门从1993年开始陆续对该线采用了一些综合性防雷措施，但之后7a的运行情况表明雷击跳闸率仍然高达3.87次/（100km·a）。2003年电力部门对德姜线1—91号杆塔所在线路再次开展了防雷治理工作，但改造后出现多次雷击跳闸，没有达到预期效果。

2006年初，当地电力部门提出与浙江大学合作对该线的92—189号杆塔进行防雷改造。浙江大学在此次改造当中，除采用一些常规综合性防雷措施（如在少量线路上使用线路避雷器或增加绝缘子片数），还特别对该段的所有杆塔使用3m长的侧向避雷针进行保护。在改造之后的6个雷季（2006年3月—2011年8月）中，该段约40km长的线路只发生过1次雷击跳闸事故，雷击跳闸率为0.42次/（100km·a），远低于改造之前的3.87次/（100km·a）。此外，侧向避雷针在浙江、江西等地的高压工程中也有令人满意的绕击保护效果。

相关研究表明，杆塔附近的导线，因杆塔导致的电场畸变将产生引雷作用，所以导线不能得到杆塔的有效屏蔽保护，致使此区域的线路绕击率大大提高。同时由于弧垂效应，杆塔附近的避雷线保护角一般大于档距中部，也使得绕击事故向杆塔附近集中。文献[17]通过相关模型试验得出，杆塔附近区域的绕击概率远高于档距中央区域，高压输电线路绕击多发生于杆塔两侧线路约30m处。

对于特高压输电线路，因为其反击耐雷水平很高，发生反击的可能性极小，雷击跳闸大多都是由绕击造成的。同时，由于其杆塔很高且弧垂大，杆塔附近区域的绕击最为严重，尤其是耐张、转角杆塔。苏联特高压线路运行经验表明，绕击跳闸多发生在转角、耐张杆塔附近。此外，在浙江省内运行的1000kV浙北—福州交流线路在丽水境内发生的一次绕击雷击跳闸，发生位置就是在单回路耐张塔的跳线上。

下面将分析侧向避雷针在特高压交流线路中的防雷效果，首先简要介绍侧向避雷针的屏蔽系统模型及保护距离的计算，然后分析三种特高压典型杆塔下侧向避雷针的保护效果。

8.1.5.2　侧向避雷针在特高压交流线路中的防雷效果分析

对单回输电线路建模，如图8-23（a）所示。与杆塔相距d的二维平面的断面图，如图8-23（b）所示。

图8-23　侧向避雷针屏蔽系统模型

图8-23（a）中弧AB、弧BC和弧CD位于与杆塔相距d的二维平面上，其中弧AB和CD分别为避雷线和地面屏蔽弧，弧BC为导线暴露弧。沿档距方向，各位置处二维平面上的导线暴露弧将连成如图8-23（a）所示的曲面BCEF，即外侧导线在避雷线和地面屏蔽系统下的三维绕击暴露曲面。地面击距取相同雷电流幅值下避雷线击距的kg倍，侧向避雷针击距取相同雷电流幅值下避雷线击距的k倍，kg、k为击距系数。侧向避雷针的放电发生在尖端上，其击距曲面可以用一个以针尖为球心，以击距krs1为半径的球面来表示，即图8-23（a）中的球P。当侧向避雷针屏蔽球P的球面与导线暴露曲面BCEF存在交集时，根据击距理论，侧向避雷针可以屏蔽位于球P内的导线暴露曲面。

图8-23（b）为与杆塔相距d的二维平面的断面图，图中M、N和P分别为避雷线、外侧导线和侧向避雷针针尖在该平面上的点。建立如图所示坐标系，以O点为原点，避雷线坐标为（0，h），导线坐标为（x，y），在计算避雷线和导线坐标时还应考虑弧垂的影响。导线绝缘子在风的作用下偏移角度为α1，地面倾角为α2。

对于某一雷电流幅值I，当导线上某点的整条暴露弧都在球P的保护范围内时，则表明其受到侧向避雷针的完全屏蔽。逐渐增加该点与杆塔的距离，直至球P不能完全屏蔽此处导线的暴露弧，此时其与杆塔的距离即为侧向避雷针的最大保护距离l。在该距离l内，线路由于受到侧向避雷针的完全屏蔽而不会发生绕击。首先计算在绕击闪络临界电流达到最大可绕击电流的区间内不同幅值雷电流I对应的侧向避雷针最大保护距离l；然后将计算结果按照雷电流幅值分布概率进行加权平均即得侧向避雷针的防绕击保护距离。

利用三维EGM法对图8-15所示的三种特高压典型杆塔进行侧向避雷针防绕击效果分析。分析时考虑侧向避雷针的长度、风偏角和地面倾角三个因素对侧向避雷针防绕击效果的影响。

（1）侧向避雷针对平原单回特高压输电线路猫头塔的防绕击效果分析

ZMP2型猫头塔采用M型三角排列，杆塔结构如图8-15（a）所示，多用于平原地区。在风偏角α1和地面倾角α2为0°条件下，改变侧向避雷针的长度，侧向避雷针保护距离的变化情况如图8-24所示。由图可知，3m长的侧向避雷针已经能够对杆塔两侧约30m范围内的导线进行保护。

图8-24　侧向避雷针长度与保护距离的关系(www.xing528.com)

因为雷电灾害出现时一般伴随有大风，所以有必要考虑风偏角对侧向避雷针保护效果的影响。考虑雷击时的风速为15m/s[18]，此时导线的风偏角可达25°[19]。在地面倾角α2为0°的条件下改变风偏角α1，不同长度侧向避雷针的保护距离变化情况如图8-25所示。因为高压输电线路绕击多发生在杆塔两侧大约各30m处，所以由图8-25可知，对于猫头塔可以考虑使用4m～5m长的侧向避雷针。

图8-25　风偏角与侧向避雷针保护距离的关系

（2）侧向避雷针对山区单回特高压输电线路酒杯塔的防绕击效果分析

酒杯塔采用M型水平排列，杆塔结构如图8-15（b）所示，多用于山区。ZBS2型酒杯塔虽采用负保护角，但当风偏角α1或地面倾角α2不为零时避雷线可能无法对输电线路实现完全屏蔽，此时有必要使用侧向避雷针对线路进行保护。

通过计算发现，当α2小于18°时，避雷线对输电线路完全屏蔽；当地面倾角α2大于等于18°时导线开始出现被绕击的风险。因此，在α1为0°条件下由18°开始增加α2，不同长度侧向避雷针的保护距离变化如图8-26所示。由图可知，6m长的侧向避雷针在等于18°和30°时的保护距离分别约为37m和28m，保护效果较好。在此基础上，计算不同风偏角α1下6m长侧向避雷针的保护距离随地面倾角α2的变化曲线，结果如图8-27所示。计算结果表明，当风偏角小于15°，地面倾角在18°～30°的范围内时，6m长侧向避雷针的最小保护距离约为20m，对输电线路仍有一定的保护效果。因此，对酒杯塔可考虑安装长度为6m及以上的侧向避雷针。

图8-26　地面倾角与保护距离的关系

图8-27　风偏角与地面倾角与保护距离的关系

（3）侧向避雷针对同塔双回特高压输电线路鼓形塔的防绕击效果分析

鼓形塔采用“I”型绝缘子串布置，杆塔结构如图8-15（c）所示，多用于平原和丘陵地区。因为避雷线对下相导线的保护角很小而且导线位置很低，所以在风偏角的合理变化范围内，避雷线始终能对下相导线实现完全屏蔽，故不需要考虑侧向避雷针对下相导线的保护效果。在地面倾角和风偏角为0°条件下，计算安装于鼓形塔三个不同横担位置处的3m长侧向避雷针对上、中相导线的保护距离，结果如表8-9所示。由表可知，当侧向避雷针安装在中间横担时对上相和中相导线的保护距离最大，并且此时侧向避雷针已经能够对杆塔两侧约30m范围内的导线进行保护，故考虑侧向避雷针安装在鼓形塔的中相横担上。

表8-9　侧向避雷针不同安装位置对鼓形塔导线保护距离的影响

在侧向避雷针安装于杆塔中相横担上以及地面倾角为0°的条件下，改变风偏角的大小，分别计算不同长度侧向避雷针的保护距离。此时，侧向避雷针对上相导线的保护距离如图8-28所示，对中相导线的保护距离如图8-29所示。因为高压输电线路绕击多发生在杆塔两侧约30m处，所以由图可知，对鼓形塔可考虑安装4m～5m长的侧向避雷针于杆塔中相横担处。

图8-28　风偏角与侧向避雷针对上相导线保护距离的关系

图8-29　风偏角与侧向避雷针对中相导线保护距离的关系

综上，对特高压输电线路的仿真计算表明侧向避雷针可提高线路的防雷性能；110kV德姜线、220kV雪峰线以及浙江、江西等地的线路运行经验也表明，安装侧向避雷针可较有效降低线路的绕击跳闸率。又因为侧向避雷针还有经济耐用、便于安装维护等优点，所以可以重点考虑在特高压耐张、转角杆塔的防雷中进行应用。