输电线路雷电防护

公元前1500年，殷商甲骨文中出现了“雷”字，在年代稍晚的西周青铜器上发现了“电”字，指的是闪电。古代将雷电奉为保佑一方的神灵，多惩罚暴君及恶人。如我国古代神话中有雷公电母，北欧神话中有战神、农神、雷神三神合一的托尔，日本神话中也有雷神等。再者，雷电被视作权力的象征，希腊神话中众神之主宙斯以闪电作为武器。

有关雷电的最早文字记载出自东汉哲学家王充（27—约97年），他在《论衡》中对雷电进行了描述： “雷者火也。以人中雷而死，即询其身，中火则须发烧焦。”元代末刘基（刘伯温）（1311—1375年）在《刘文正公文集》中讲，“雷何物也？曰雷者，大气之郁而激发也，阴气团于阳，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。中国古代对雷电的认知只停留在观察自然界，作理性思辨。

雷电直到近代才被科学地认识。关于雷电的大部分科学知识主要是20世纪以来获得的。17世纪欧洲发现了正电和负电。伦敦皇家学会馆长Francis Hauksbee首次将实验室人工产生的电与闪电联系起来，1706年他观察摩擦起电的放电不仅产生电火花，而且产生类似雷鸣的声音，认为其与雷电类似。1752年富兰克林进行了著名的风筝实验，雷电在240m长的缠绕钢丝的麻绳上产生了20cm的电火花，第一次向人们揭示了雷电只不过是一种大气火花放电现象的秘密。富兰克林随后发明了避雷针，想法是从尖端物体容易被雷击产生的。避雷针的发明不仅使人类在生活上免遭自然灾害，而且在哲学上和科学上也是一件大事。从这个时代起，电学的发展由思辨物理学领域进入了对宇宙考虑的阶段，从幽深的书斋走进了大自然。

雷电是雷云积累电荷的释放，可以看作一个功率强大的瞬态电流源沿着一个导电的等离子通道注入地面被击物体，破坏力极强。雷电是威胁人类的重大自然灾害，全球每年发生约14亿次，一次严重雷击事故损失巨大。联合国将雷电列为“最严重的十大自然灾害之一”，美国将其列为“最严重的两大天气灾害”。

远距离大容量输电是解决我国能源与负荷逆向分布、区域电力资源平衡、新能源高效消纳的必然选择。截至2019年年底，我国已建成220kV及以上的架空输电线路75.5×104km，配电线路582×104km。电网遍布各地，极易遭受雷击。据统计，日本50%以上电力系统事故是由雷击输电线路引起的。国际大电网会议统计了美国、苏联等12个国家总长为32700km的275~500kV电压等级输电线路连续三年的运行资料，雷害事故占总事故的60%。我国电网故障分类统计表明，超高压线路雷击事故占线路全部跳闸事故的40%~70%，高居首位。更为严重的是，雷害可引发大面积停电，给社会带来巨大损失。

超特高压线路输送容量巨大，对供电可靠性的要求更高。但超特高压线路工作电压更高，使输电线路导线对雷电下行先导的诱导作用增强，也使得从导线产生的上行先导的随机性增加，导致雷击过程及路径具有复杂性，使雷电绕击成为超特高压线路跳闸的主要原因。同时，特高压及同塔多回线路杆塔高度达到了百米级，改变了局域的雷电活动，使线路走廊的落雷密度增加，加之雷电活动具有复杂性、随机性，并且随着城市的发展，温室效应、热岛效应也会导致雷电活动异常。所有这些因素表明，输电线路雷电防护问题十分艰巨，且日趋迫切。雷电防护技术是大电网及各行业安全乃至公共安全的基石!

我国超特高压电网的建设也促进了防雷技术的发展。高速摄影及记录示波器、雷电定向定位仪、地中放电观测技术等现代化测量技术用于雷电及其效应的观测，野外雷电观测、火箭引雷及长空气间隙人工雷电放电实验研究的进展，不断丰富了人们对于雷电的认识，使人们能够更加科学地模拟雷击输电线路的物理过程。随着对绝缘子的雷电闪络特性、杆塔的雷电冲击特性、线路的冲击电晕特性、接地装置周围土壤的雷电放电效应的认知加深，研究人员提出了基于全波过程的雷电电磁暂态的分析方法，实现了雷电防护的精确分析和设计； 加之绝缘子防雷保护间隙、线路避雷器及雷电监测技术的发展，进一步实现了雷电防护技术的多样化和差异化。到目前为止，我国基本突破了长期制约电力系统雷电防护的雷击机理、计算方法及防护技术等重大技术难题，基本实现了输电线路雷电防护的“可算”“可控”和“可视”。

清华大学电机工程与应用电子技术系吴维韩、张纬钹、高玉明、黄维纲、张芳榴等教授，从1960年开始开展雷电过电压、特别是数值计算方法的研究，为我国电磁暂态数值计算方法的发展和推广做出了重要贡献。为了表彰吴维韩教授在电磁暂态分析等方面的杰出贡献，2022年他被IEEE能源电力学会授予顾毓秀奖。从20世纪90年代开始，清华大学高电压与绝缘技术研究所何金良教授、曾嵘教授、张波教授、胡军教授、
余占清副教授、庄池杰副教授在接地技术、雷电绕击计算方法、绝缘子防雷保护间隙、高性能压敏电阻及线路避雷器、线路雷击故障监测等方面开展了深入的基础理论、计算方法及关键技术的研究，其成果已广泛应用于我国输电线路雷电防护工程，以及世界各国电网防雷工程。何金良教授因此获得IEEE赫尔曼·哈尔普林输配电奖，并与曾嵘教授和张波教授先后获得IEEE电磁兼容学会技术成就奖。

因此，有必要对长期以来取得的输电线路雷电防护基础理论及技术成果做一次系统、全面的总结，以惠及更多的科技工作者和工程技术人员，同时也以此为起点，为更深入的防雷基础理论和核心技术突破打下坚实的基础。本书是多年来清华大学电机工程与应用电子技术系及国内外研究工作的系统总结。清华大学吴维韩教授、高玉明教授、曾嵘教授、张波教授、
胡军教授、余占清副教授、庄池杰副教授，博士后M.Nayel、赵媛，博士生高延庆、康鹏、谷山强、王顺超、杨鹏程、吴锦鹏、李志钊、王希、欧阳勇、赵洪峰、薛芬、肖凤女、陈坤金、韩志飞，硕士生李雨、王辉、张薛巍、董林、嵇士杰、李谦、安建伟等的研究工作为本书的完成做出了贡献，特此感谢。

全书共分为11章，第1章介绍雷电物理及雷击线路特征，第2章介绍输电线路外绝缘雷击闪络特性，第3章介绍输电线路雷电冲击电晕特性，第4章介绍输电线路杆塔雷电冲击响应特性及模拟，第5章介绍输电线路的雷电过电压，第6章介绍输电线路雷电绕击防护，第7章介绍输电线路杆塔接地装置，第8章介绍绝缘子并联保护间隙，第9章介绍线路避雷器，第10章介绍同塔多回输电线路的不平衡绝缘，第11章介绍输电线路雷击故障监测及辨识。

本书由清华大学电机工程与应用电子技术系何金良教授统一规划和主编。曾嵘教授为第1章和第6章提供了资料，张波教授为第3章和第7章提供了资料，余占清副教授为第8章提供了资料，庄池杰副教授、陈坤金博士为第11章提供了资料。作者希望尽可能反映数十年来国内外学者及工程技术人员在输电线路雷电防护领域的研究成果，但难免挂一漏万，希望读者多提宝贵建议和批评指正。在撰写过程中，作者参考了大量的国内外相关论文及书籍，已列入每章的参考文献中，在此对其作者表示诚挚的谢意，但参考文献也难免有疏漏，敬请谅解。

在本书的撰写过程中国内外学者提出了很多宝贵意见。瑞士洛桑联邦理工学院Farhad Rachidi教授审阅了全书，并为本书作序。另外还有很多业界同仁为本书的出版提供了资料及意见，在此一并致以诚挚的谢意。由于作者的理论水平和实际经验有限，书中的疏漏和不足之处敬请读者指正。

何金良
2022年3月于清华园

架空输电线路是电能输送的重要通道，分布广泛，雷击是威胁其安全运行的首要因素。本书全面系统地介绍了输电线路雷电防护技术，着重阐明雷击输电线路时，从雷电下行先导击中线路，雷电流流经线路及杆塔，然后经接地装置入地的全物理过程的放电特性及雷电电磁暂态传播机理，介绍了绝缘子、线路、杆塔、接地装置的电磁暂态分析模型及雷击输电线路的全物理过程计算方法，以及接地装置、绝缘子并联保护间隙、线路避雷器及同塔多回线路不平衡绝缘等防护技术，最后介绍了输电线路雷击故障监测及辨识的**研究动态。全书共分11章，系统反映了作者研究团队三十年来的相关科学研究成果，也涵盖了国内外学者在输电线路雷电防护领域的研究工作及**研究动态。 本书可作为电力行业和其他相关行业的工程技术和设计人员的专业培训教材及工程参考用书，也可作为本科生《电力系统过电压》课程的补充教材。

何金良，博士生导师，IEEE Fellow，IET Fellow。2004年国家杰出青年基金获得者。现为清华大学电机系高压研究所所长，清华大学校学术委员会委员。主要从事交直流输变电技术、雷电防护技术及电磁环境及电介质材料等领域的教学和研究工作。在国内外期刊及国际会议上合作发表论文600余篇，获发明专利授权140余项。研究成果获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项、世界知识产权组织最佳发明奖1项、省部级科技进步奖17项，以及IEEE Herman Halperin输配电奖、IEEE技术成就奖、日本Hoshino奖、Rudolf Heinrich Golde奖、CIGRE杰出会员奖、IEEE电力与能源学会杰出讲座学者等国际奖项及荣誉。兼任全国雷电防护标委会主任、中国电机工程学会输电专委会副主任委员、中国电机工程学会高电压专委会副主任委员、电磁干扰专委会委员及变电站电磁环境学组副主任，亚太雷电国际会议执委会主席、国际雷电防护会议科学委员会委员、国际电工委员会TC81（雷电防护）中国代表及七个工作组委员、IEEE电磁兼容学会SETcom委员会秘书长、国际大电网会议C4委员会委员等，Journal of Lightning Research副主编，iEnergy主编，High Voltage、CSEE JPES、高电压技术副主编。

第1章雷电物理及雷击线路特征
1.1雷电放电
1.1.1雷电放电物理过程
1.1.2雷电放电的主要阶段
1.1.3雷电放电类型
1.1.4多重雷电放电
1.1.5雷击选择性及雷击定位
1.2雷电参数
1.2.1雷电参数研究方法
1.2.2雷电日和雷电小时
1.2.3地面落雷密度
1.2.4雷电流的波形
1.2.5雷电流的幅值
1.2.6先导电荷密度
1.2.7先导发展速度
1.3雷电放电模型
1.3.1雷电放电过程模型
1.3.2雷电主放电模型
1.3.3雷电先导简化模型
1.3.4雷电放电产生的电磁场
1.4输电线路上行先导特性
1.4.1雷击输电线路观测
1.4.2雷击输电线路模拟实验
1.4.3输电线路上行先导的形态
1.4.4地线对导线上先导特性的影响
1.4.5地线保护角对导线上先导特性的影响
1.4.6模拟线路上行先导的主要特征
参考文献

第2章输电线路外绝缘雷电闪络特性
2.1雷击时绝缘子串上作用的波形特征
2.2绝缘子雷击闪络过程
2.3外绝缘雷电冲击特性
2.3.1标准雷电波作用下的线路绝缘强度
2.3.2短波尾波与标准波的雷电冲击特性比较
2.4绝缘子的雷电冲击闪络模型
2.4.1压控开关模型
2.4.2伏秒特性模型
2.4.3破坏效应系数模型
2.4.4绝缘子雷击闪络先导发展模型
2.5运行绝缘子的雷击闪络统计
参考文献

第3章输电线路雷电冲击电晕特性
3.1雷电冲击电晕特性测试方法
3.1.1同轴电极实验装置
3.1.2线板电极实验装置
3.1.3实验线段
3.2输电线路雷电冲击电晕特性
3.2.1导线雷电冲击电晕伏库特性曲线
3.2.2正极性雷电冲击电晕起晕时延
3.2.3雷电冲击电压参数对伏库特性曲线的影响
3.2.4导线参数对雷电冲击电晕伏库特性曲线的影响
3.2.5天气对导线雷电冲击电晕特性的影响
3.2.6实验线段雷电冲击电晕实验
3.2.7直流电压下导线冲击电晕特性
3.3雷电冲击电晕伏库特性计算公式
3.4导线雷电冲击电晕特性模型及数值计算方法
3.4.1冲击电晕伏库特性数值计算模型
3.4.2冲击电晕空间电荷数值计算方法
3.4.3直流电压下冲击电晕特性的数值计算
3.5雷电冲击波沿输电线路的传播特性
3.5.1沿线冲击电压测量及分析
3.5.2无直流电压时雷电波沿长距离线路传播
3.5.3空间电荷作用下雷电波沿导线的传输特性
3.5.4叠加同极性直流电压时雷电波沿导线的传输特性
3.5.5空间电荷作用下多重雷击沿导线的传输特性
3.6冲击电晕对波过程的影响 
3.6.1冲击电晕引起波的衰变和变形
3.6.2冲击电晕后导线的动态波阻抗
3.7冲击电晕对雷电过电压的影响
3.7.1冲击电晕的电磁暂态模型
3.7.2冲击电晕对变电站雷电侵入波的影响
3.7.3冲击电晕对线路绕击耐雷水平的影响
3.7.4冲击电晕对输电线路反击耐雷水平的影响
参考文献

第4章输电线路杆塔雷电冲击响应特性及模拟
4.1输电电路杆塔的冲击阻抗
4.1.1金属杆塔的冲击阻抗
4.1.2不同雷电作用方式时的杆塔冲击阻抗
4.1.3带接地引线的绝缘塔
4.2杆塔的等值电感模型
4.2.1杆塔的电感模型
4.2.2拉线塔
4.2.3塔底地平面的冲击效应
4.3杆塔的多波阻抗模型
4.3.1变波阻抗无损传输线模型
4.3.2多波阻抗无损传输线模型
4.3.3多层杆塔有损传输线模型
4.3.4非均匀传输线模型
4.4频变传输线模型
4.4.1基于有理逼近的杆塔电路模型
4.4.2二端口网络模型
4.5准静态假设下复杂导体结构暂态的时域求解方法
4.5.1准静态下复杂导体结构的时域PEEC模型
4.5.2改进的回路电流法
4.5.3方法验证
4.5.4准静态模型与传输线方法以及全波方法的比较
参考文献

第5章输电线路的雷电过电压
5.1输电线路雷电过电压分类
5.2雷电沿线路的传播
5.2.1波的传播
5.2.2雷击输电线路的等值电路模型
5.3雷击杆塔的反击过电压
5.3.1雷击塔顶
5.3.2雷击避雷线档距中央时的过电压
5.3.3工作电压的影响
5.4输电线路的感应过电压
5.4.1输电线路感应过电压的产生机理
5.4.2雷击线路附近大地时导线上的感应过电压
5.4.3避雷线的屏蔽作用
5.4.4雷击线路塔顶时导线上的感应过电压
5.5雷击绕击导线时的过电压
5.6输电线路的雷击跳闸率
5.6.1建弧率
5.6.2雷击跳闸率
5.6.3雷击闪络率的加权方法
5.6.4线路雷击跳闸影响因素分析
5.7雷电过电压的数值计算方法
5.7.1波在平行多导线系统传播的静电方程
5.7.2单导线的波过程数值计算方法
5.7.3平行多导体线路波过程计算方法
5.8输电线路的防雷保护措施
5.8.1防雷措施分类
5.8.2耦合地线
5.8.3防雷措施的综合决策
参考文献

第6章输电线路雷电绕击防护
6.1避雷线保护
6.1.1避雷线的保护原理
6.1.2避雷线的保护范围
6.1.3避雷线保护角
6.1.4绕击率
6.2电气几何模型
6.2.1电气几何模型的基本原理
6.2.2雷电击距
6.2.3最大绕击雷电流及雷电绕击率
6.3先导发展法
6.3.1先导发展法原理
6.3.2雷云模型
6.3.3下行先导模型
6.3.4上行先导起始判据
6.3.5先导发展速度
6.3.6末跃发生的判据
6.3.7空间电场计算方法
6.3.8雷电绕击数值计算方法的实现
6.3.9先导发展法的验证
6.4影响线路绕击特性的因素
6.4.1工作电压对先导发展过程的影响
6.4.2同塔多回特高压线路雷电绕击特性
6.4.3雷击单回特高压线路的中相导线
6.4.4雷击落点沿线路分布特征
6.4.5地形对特高压直流线路绕击特性的影响
6.5不同模型应用范围讨论
6.5.1不同模型原理的比较
6.5.2不同模型的统计学特性比较
6.5.3电气几何法和先导发展法的适用范围
6.6电气几何模型的修正
参考文献

第7章输电线路杆塔接地装置
7.1对输电线路杆塔接地装置的要求
7.1.1对输电线路杆塔接地电阻的要求
7.1.2土壤电阻率及杆塔接地装置接地电阻的季节系数
7.2输电线路杆塔接地装置的结构
7.2.1输电线路杆塔接地装置的基本结构
7.2.2利用自然接地极作为杆塔接地装置
7.3钢筋混凝土自然接地的特性
7.3.1钢筋混凝土接地装置的作用
7.3.2混凝土的吸湿性能
7.3.3钢筋混凝土接地装置的通流能力
7.4杆塔接地装置的接地电阻计算方法
7.4.1外包混凝土的垂直接地极的接地电阻
7.4.2装配式钢筋混凝土基础的接地电阻
7.4.3不同结构的输电线路杆塔接地装置接地电阻的计算方法
7.4.4利用系数
7.5土壤的雷电冲击放电特性及击穿机理
7.5.1土壤的冲击放电现象
7.5.2土壤的冲击放电特性
7.5.3电弧通道电阻率
7.5.4土壤的冲击放电时延特性
7.5.5土壤的临界击穿场强
7.5.6土壤的冲击电击穿机理
7.5.7土壤放电模型
7.6接地装置冲击特性的简单等效电路计算方法
7.6.1表征接地装置性能的模型
7.6.2接地导体的简单电路模型
7.6.3十字形接地装置的等效电路模型及计算方法
7.7考虑时变及频变特性的接地装置雷电冲击暂态计算模型
7.7.1建立冲击暂态计算模型的基本思路
7.7.2等效电路的构建及元件参数的计算
7.7.3频变电路的时域求解
7.7.4土壤电离的等效处理
7.7.5计算模型的验证
7.7.6土壤电离效应与参数频变效应对接地装置冲击特性的影响
7.8输电线路杆塔接地装置冲击特性
7.8.1各种因素对杆塔接地装置冲击接地电阻的影响
7.8.2各种因素对接地装置冲击系数的影响
7.8.3计算冲击系数的经验公式
7.8.4接地极的冲击有效长度
7.8.5不同接地装置模型对线路防雷计算结果的影响
7.9冲击条件下杆塔接地装置的优化设计
7.9.1水平接地极长度与数量的最优化设计
7.9.2垂直接地极位置的最优化设计
7.10低电阻率降阻材料及其应用
7.10.1低电阻率降阻材料降低接地电阻的原理
7.10.2低电阻率降阻材料的工频降阻性能
7.10.3裹有低电阻率降阻材料的接地极的冲击降阻性能
参考文献

第8章绝缘子并联保护间隙
8.1绝缘子并联保护间隙概述
8.2雷击闪络后绝缘子表面交流电弧运动特性
8.2.1阳极弧根运动特性
8.2.2阴极弧根运动特性
8.2.3弧柱运动特性
8.2.4电弧整体运动特性
8.3电弧运动特性模拟方法
8.3.1电弧空间模型
8.3.2电弧时间模型
8.3.3电弧运动仿真模型
8.3.4电弧运动仿真流程
8.4绝缘子并联保护间隙设计
8.4.1并联保护间隙的功能及设计原则
8.4.2绝缘子并联保护间隙设计
8.4.3各种并联保护间隙结构
8.4.4合成绝缘子并联保护间隙优化设计结构
8.5并联保护间隙“导弧”性能分析
8.5.1电极倾角对电弧运动速度的影响
8.5.2复合绝缘子均压环“导弧”性能分析
8.5.3并联保护间隙放电定位率
8.5.4不同环状电极的电弧运动特性
8.6并联保护间隙与绝缘子的雷电冲击绝缘配合及防雷效果
8.6.1与绝缘子的雷电冲击绝缘配合
8.6.2采用并联保护间隙后的线路防雷效果
8.7并联间隙工频大电流耐受特性
8.7.1并联间隙工频大电流燃弧特性实验
8.7.2电弧作用下绝缘子及保护间隙电极烧蚀情况分析
8.7.3绝缘子间隙大电流通流能力实验
8.8架空线路并联保护间隙安装方式
8.8.1不同位置初始电弧所受磁场力分析
8.8.2并联保护间隙安装角度对电弧磁场力的影响
8.8.3并联保护间隙安装方式
8.9气吹灭弧并联保护间隙
8.9.1气吹灭弧并联保护间隙的防雷保护原理
8.9.2气吹灭弧并联保护间隙的灭弧特性
8.9.3气吹灭弧并联保护间隙的喷射气体灭弧过程模拟
8.9.4气吹灭弧并联保护间隙的防雷效果
参考文献

第9章线路避雷器
9.1线路避雷器设计
9.1.1线路避雷器结构
9.1.2带串联间隙的线路避雷器本体设计
9.1.3对线路避雷器的基本要求
9.1.4氧化锌压敏电阻
9.2线路复合外套避雷器的串联间隙设计
9.2.1串联间隙的结构型式
9.2.2线路避雷器与绝缘子串的雷电冲击绝缘配合
9.2.3带串联间隙的避雷器的工频过电压耐受特性
9.2.4带间隙的避雷器的操作冲击耐受性能
9.2.5线路避雷器用于限制输电线路操作过电压的探讨
9.2.6不同间隙结构对雷电冲击绝缘配合的影响