雷电概述1.1 雷电现场

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。

雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴，有时还伴有冰雹和龙卷,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。闪电的的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。放电过程中，由于闪道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。

1.2 雷电的危害形式

雷电侵入地面的建（构）筑物、设备、人、畜等会造成灾害，其形式主要有：

直接雷击（包括直击雷、绕击雷）——在雷电活动区内，雷电直接通过人体、建（构）筑物、设备等对地放电产生的电击现象为直接雷击。

间接雷击——雷电流通过静电感应、电磁感应、电磁脉冲辐射、雷电过电压入侵、雷电反击等（统称感应雷）形式侵入建（构）筑物内，使建（构）筑物、设备部件损坏或人身伤亡。

雷电灾害的严重性表现在它具有巨大的破坏性上，其特点是雷电放电电压高，闪电电流幅值大，变化快，放电时间短，闪电电流波形陡度大。雷电的破坏作用在于强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场以及强烈的电磁辐射等物理效应，给人类社会带来极大的危害，造成人员伤亡、巨大破坏、起火爆炸、严重损失。雷电灾害波及面广，人类社会活动、农业、林业、牧业、建筑、电力、通信、航空航天、交通运输、石油化工、金融证券等各行各业，几乎无所不及。随着高科技的发展，雷电灾害显得越来越严重。

2雷击机理 雷电一般起于对流发展旺盛的雷雨云中。感应起电理论认为，在晴天大气电场下，电场方向自上而下，在垂直电场中下落的降水粒子被电场极化后，上部带负电荷，下部带正电荷。云中的小冰粒或是小水滴在同这些较大的降水粒子相碰撞后，就获得了正电荷，然后会随着上升气流向上走，从而发生了电荷的转移过程，使得小冰粒或者小水滴带正电荷、降水粒子带负电荷。下图给出了小水滴或小冰粒与极化的降水粒子碰撞获得电荷过程示意图。

图  小水滴和小冰粒与极化的降水粒子碰撞获得电荷过程示意图

在雷电发生之前，带有不同极性和不同数量电荷的雷雨云之间，或是雷雨云与大地物体之间会形成了强大的电场，如下图所示。随着雷雨云的运动和发展，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时，就可能在雷雨云内部或者是雷雨云与大地之间发生放电现象，此时的放电电流可达几十kA到数百kA，伴随着强大的电流会产生强烈的发光和发热，空气受热急速膨胀会产生轰隆声，这就是雷电的产生过程。

图 雷雨云内部和雷雨云与地面物体电场分布示意图

地闪放电通道发展的实际拍摄照片如下图所示。地闪的放电通道暴露于云体之外易于光学观测。因此，目前对地闪放电过程已经有了相对较系统的研究。

图 一次地闪放电通道发展的高速摄像图片

3雷击分类 根据形成原因，输电线路雷击过电压可分为感应雷过电压和直击雷过电压。感应雷过电压是雷击线路附近大地由于电磁感应在导线上产生的过电压，而直击雷过电压则是雷电直接击中杆塔、地线或导线引起的线路过电压。从运行经验来看，对35 kV及以下电压等级的架空线路，感应过电压可能引起绝缘闪络；而对110（66）kV及以上电压等级线路，由于其绝缘水平较高，一般不会引起绝缘子串闪络。由于对输电线路造成危害的主要雷击过电压为直击雷过电压，所以本手册着重讲述直击雷过电压。

架空输电线路是电力系统的重要组成部分。由于它暴露在自然之中，所经之处大都为旷野或丘陵、高山，且线路距离较长，杆塔高度较高，因此遭受雷击的概率很大。下图所示为输电线路雷击物理过程。

(a)雷云下行先导向地面物理发展

(b)铁塔或地线、导线产生迎面先导

(c)雷云下行先导击中铁塔或地线

(d)雷云下行先导击中导线

雷云下行先导到达地面一定距离时，输电线路铁塔、地线、导线、地面其他物体都会产生迎面先导，这些迎面先导会竞争和雷云下行先导连接，决定着最终回击路径和雷电击中点。根据这一物理过程，输电线路的雷击形式大致可分为绕击和反击。

3.1 绕击

雷电绕击是指地闪下行先导绕过地线和杆塔的拦截直接击中相导线的放电现象，如下图所示。雷电绕击相导线后，雷电流波沿导线两侧传播，在绝缘子串两端形成过电压导致闪络。当地面导线表面电场或感应电位还未达到上行先导起始条件时，即上行先导并未起始阶段，下行先导会逐步向下发展，直到地面导线上行先导起始条件达到并起始发展，这个阶段为雷击地面物体第一阶段。地面导线上行先导起始后，雷击地面导线过程进入第二个阶段。在该阶段内上下行先导会相对发展，直到上下行先导头部之间的平均电场达到末跃条件，上下行先导桥接并形成完整回击通道从而引起首次回击。雷电绕击的发展过程如下图所示。

图 雷电绕击示意图图

图 雷电绕击发展过程

造成输电线路绕击频发的原因主要有：

①自然界中的雷电活动绝大多数为小幅值雷电流，而恰恰是它们能够穿透地线击中导线；

②在运的输电线路地线保护角普遍较大，加之山区地段地面倾角较大；

③超特高压、同塔多回线路杆塔高度普遍增加；且线路多沿陡峭山区架设，使大档距杆塔增多；这两方面因素均使线路对地高度增加，降低了地面的屏蔽作用。

3.2  反击

3.2.1 常规型输电线路

对于常规型杆塔，雷击地线或杆塔后，雷电流由地线和杆塔分流，经接地装置注入大地。塔顶和塔身电位升高，在绝缘子两端形成反击过电压，引起绝缘子闪络，如下图所示。

图 雷电反击示意图

3.2.1.1 雷击塔顶

雷击线路杆塔顶部时，由于塔顶电位与导线电位相差很大，可能引起绝缘子串的闪络，即发生反击。雷击杆塔顶部瞬间，负电荷运动产生的雷电流一部分沿杆塔向下传播，还有一部分沿地线向两侧传播，如下图所示。负极性雷电流一部分沿杆塔向下传播，还有一部分沿地线向两侧传播；同时，自塔顶有一正极性雷电流沿主放电通道向上运动，其数值等于三个负雷电流数值之和。线路绝缘上的过电压即由这几个电流波引起。

图 雷击塔顶时雷电流分布

3.2.1.2 雷击地线档距中央

如下图所示，雷击地线档距中央时，虽然也会在雷击点产生很高的过电压，但由于地线的半径较小，会在地线上产生强烈的电晕；又由于雷击点离杆塔较远，当过电压波传播到杆塔时，已不足以使绝缘子串击穿，因此通常只需考虑雷击点地线对导线的反击问题。

图  雷击地线档距中央

3.2.2 紧凑型输电线路

紧凑型输电线路具有自然输送功率高、电磁环境友好等方面优势，在如今线路走廊日益紧张、环境保护要求逐渐提高的背景下得到日益广泛的应用。紧凑型输电技术是指通过缩小相间距离、优化导线排列、增加相分裂子导线根数等改变线路几何结构的方法，压缩线路走廊，增大导线电容，减少线路电抗，大幅提高自然输送功率的新型输电技术，如下图所示。

图 单回紧凑型线路杆塔

紧凑型线路由于采用了负保护角，防绕击性能明显优于常规线路，但是，由于紧凑型线路杆塔特殊的塔窗结构和导线布置方式，造成塔头间隙特殊位置雷电冲击放电电压偏低，使得紧凑型线路反击跳闸在总跳闸数中所占的比例要高于常规线路的反击比例。

紧凑型直线塔特殊的塔窗结构，三相导线均位于塔窗内部，其雷击闪络的放电路径与常规线路沿绝缘子串放电的路径有明显差异。我国相关的研究机构曾对紧凑型输电线路杆塔的雷电反击机理进行试验研究。我国第一条500kV紧凑型线路昌房线采用的直线塔塔头布置及电气间隙如下图所示。通过对模拟塔头进行1.7/50μs雷电波冲击试验，得到的试验结果如下表所示。

图  昌房500kV紧凑型直线塔塔面布置及其电气距离

表 模拟塔头雷电冲击电压试验结果（修正到标准大气条件）加压相别50%放电电压

kV间隙距离

m平均场强

kV/mABC地+地22003.7594+地地23503.8618从模拟塔头的试验结果可以看出，上相导线与下相导线塔身侧均压环之间的间隙放电电压比下相导线低7%左右，是紧凑型线路雷电冲击绝缘水平中相对薄弱的部分，即下图中间隙G4。实际运行经验表明，G3也是较易发生反击闪络的路径，如下图所示。

图  紧凑型杆塔雷击放电路径

以华北电网为例，2003～2010年华北电网主要500kV线路共发生雷击跳闸95次，其中紧凑型线路17次，占雷击跳闸总数的17.9％。500kV线路平均雷击跳闸率为0.195次/（百公里•年），其中常规线路为0.224次/（百公里•年），紧凑型线路为0.115次/（百公里•年），紧凑型线路的雷击跳闸率明显低于常规线路。这也说明虽然从个体来看紧凑型线路不能保证在防雷性能上万无一失，但从统计来看紧凑型线路相比于常规线路，其防雷性能仍然具有明显优势。

从雷击故障的性质来看，华北电网2003～2010年间常规型线路发生了78次雷击跳闸中仅有2次为反击跳闸，占跳闸总数的2.6％，其余均为绕击跳闸；而在紧凑型线路发生的17次雷击跳闸中，除1次大电流雷击断线外，12次为绕击跳闸，4次为反击跳闸。紧凑型线路反击跳闸在总跳闸数中所占的比例要明显高于常规线路的反击比例。

4输电线路防雷击的重要性在现代生活中，雷电以其巨大的破坏力给人类、社会带来了惨重的灾难。据不完全统计，我国每年因雷击造成的财产损失高达上百亿元。输电线路是地面上最大的人造引雷物体，作为国民经济重要支柱的电力系统，长期以来雷击引起的输电线路跳闸对电网安全稳定运行构成了较大的威胁。

据电网故障分类统计表明，在我国跳闸率较高的地区，高压线路运行的总跳闸次数中，由雷击引起的次数占40％～70％，尤其是在多雷、土壤电阻率高、地形复杂的地区，雷击输电线路引起的故障率更高。雷电流具有高幅值、高频及高瞬时功率等特性，发生时往往伴随着机械力效应和电气效应的出现。

4.1  机械效应

雷击输电线路时，导线的屈服点会由于焦耳热而降低，径向自压缩力有可能超过导线的屈服点，从而使钢芯铝绞线发生形变，最终导致原本组合在一起的不同材料发生剥离和分层，降低了导线的机械强度，从而发生断线、断股事故，如下图所示。

(a)某输电线路被雷击致断线

(b)某线路被雷击致断线并燃烧

图  雷击的机械效应

4.2 电气效应

输电线路防雷重点在于雷电由于电气效应产生的过电压的防护。雷击过电压超过线路绝缘耐受水平时，将使导线和地（地线或杆塔）发生绝缘击穿闪络，而后工频电压将沿此闪络通道继续放电，发展成为工频电弧，电力系统的保护装置将会动作使线路断路器跳闸影响正常送电。雷击对电网造成的危害，主要有雷击单相短路、相间短路等。

(a)某线路遭受雷击瞬间

(b)被雷击后的输电线路绝缘子串

随着电网建设的架空线路杆塔越来越高，线路走廊越来越密集，客观导致输电线路遭受雷击的风险增多增大。每发生一次雷击线路的跳闹故障，都会对电力系统造成强扰动，还将造成设备损毁、线路停运，甚至出现大面积停电事件，严重的还将造成巨额经济损失和较大社会影响。在全球气候环境日益恶劣的大背景下，我国近十年来雷电活动加剧频繁，同时随着我国经济的高速发展，电力需求不断增长，电网建设不断增速，因雷击造成的电网故障所发生的经济损失正呈逐年上涨的势头，雷击造成线路两相闪络、同塔双回线路同时闪络、同一输电通道多回线路相继跳闸等严重故障明显增加。因此，有针对性的开展雷电监测与防护方面的相关工作，对于保障电网安全稳定运行意义重大。