有關(guān)配電線路防雷保護的研究

1.前言

配電線路運行數(shù)據(jù)表明，配電線路雷害事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重危害了配電網(wǎng)的供電可靠性和電網(wǎng)安全，影響人民群眾的生產(chǎn)、生活用電。因此，結(jié)合配電線路運行與雷害發(fā)生情況，研究配電線路的防雷保護措施具有相當(dāng)重要的工程實際意義

2.線路防雷的概述

2.1 雷電的危害性

雷電引起的過電壓，叫做大氣過電壓。這種過電壓危害相當(dāng)大。大氣過電壓可分為直接雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種基本形式。雷電有下列危害：

(1)雷電的機械效應(yīng)——擊毀桿塔和建筑，傷害人畜。

(2)雷電的熱效應(yīng)——燒毀導(dǎo)線、燒毀設(shè)備、造成火災(zāi)。

(3)電的電熱效應(yīng)——產(chǎn)生過電壓，擊穿電氣絕緣、絕緣子閃絡(luò)、開關(guān)跳閘、線路停電或引起火災(zāi)、人身傷亡等。

2.2 線路防雷的意義及措施

線路防雷的意義是采用技術(shù)上與經(jīng)濟上合理的措施，將雷擊事故減少到可以接受的程度，以保證供電的可靠性與經(jīng)濟性。為此，一般設(shè)有四道防線：

(1)不繞擊——用避雷線或改用電纜等措施，盡量使雷不繞擊到導(dǎo)線上

(2)絕緣子不閃絡(luò)——用改善接地或加強絕緣等措施，使避雷線或桿塔受雷擊后，絕緣子不閃絡(luò)。

(3)不建立穩(wěn)定工頻電弧——即使絕緣子串閃絡(luò)，也要它盡量不轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的工頻電弧，開關(guān)不跳閘。為此應(yīng)減少絕緣子的工頻電場強度或者電網(wǎng)中性點采用不接地或經(jīng)消弧圈地的方式。這樣可使由雷擊引起的大多數(shù)單相接地故障能夠自動消除，不致引起相間短路和跳閘。

(4)不中斷電力供應(yīng)——這是最后一道防線，即使開關(guān)跳閘也不中斷電力供應(yīng)。為此，可采用自動重合閘或雙回路，環(huán)網(wǎng)供電等措施。

因此，在送電線路防雷中，允許有一小部分雷擊引起線路絕緣子閃絡(luò)，然后用減少建弧率以及自動重合閘的辦法，把雷害引起的停電事故數(shù)減少到可以接受的程度。

3.絕緣導(dǎo)線防止雷擊斷線和雷擊跳閘的研究成果

3.1 絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的機理分析

以前采用裸導(dǎo)線時，當(dāng)受到雷擊后(包括直接雷和感應(yīng)雷)，會引起線路閃絡(luò)。此時，工頻續(xù)流引起的電弧由于受到電磁力的作用，使電弧向?qū)Ь€落雷點的兩側(cè)迅速流動，雷電流經(jīng)過開關(guān)、變壓器等設(shè)備處的避雷器迅速流入大地，或在工頻電流燒斷導(dǎo)線之前，引起跳閘，因而很少發(fā)生斷線事故。

但是，當(dāng)絕緣導(dǎo)線遭受雷擊時，情況就完全不同，雷電過電壓引起絕緣子閃絡(luò)，并擊穿導(dǎo)線的絕緣層。而擊穿點附近的絕緣物，阻礙了電弧沿著導(dǎo)線表面向兩側(cè)移動。因而，電弧只能在擊穿點燃燒。高達數(shù)千安培的工頻電弧電流集中在絕緣擊穿點上，并在斷路器跳閘之前很快就把導(dǎo)線熔斷。

3.2 防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線和雷擊跳閘的防治措施

國內(nèi)外對防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線進行了許多實驗研究工作，介紹防止措施的資料是很多的，歸納起來，可以總結(jié)出以下一些主要措施。

(1)放電絕緣子

也稱放電絕緣子或鉗位絕緣子。

日本東京電力公司采用放電鉗位絕緣子以防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線。即在絕緣導(dǎo)線固定處剝離絕緣層，加裝特殊設(shè)計的金屬線夾。當(dāng)雷電閃絡(luò)引發(fā)工頻續(xù)流時，工頻續(xù)流在該金屬線夾上燃弧直至線路跳閘以熄滅工頻續(xù)流，從而避免燒傷絕緣子和熔斷絕緣導(dǎo)線。

(2)架設(shè)架空避雷線

利用架空避雷線的屏蔽作用來保護配電線路，是一種傳統(tǒng)的有效方法。該方法的效果較好，而且可以免除維護，在空曠地區(qū)同桿架設(shè)架空避雷線對配電架空絕緣線路進行屏蔽保護，架空絕緣線上的感應(yīng)電壓將降低(1-k)倍，k為避雷線與導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)乘以沖擊系數(shù)。

表1 各級電壓線路應(yīng)有的耐雷水平

表2 線路桿塔的工頻接地電阻

缺點：1)投資成本大。2)雷擊架空避雷線后容易造成反擊閃絡(luò)/定位高度較低的雷電先導(dǎo)容易產(chǎn)生繞擊閃絡(luò)：仍然可能引發(fā)工頻續(xù)流熔斷絕緣導(dǎo)線。3)防止繞擊的效果較差，易使線遭受反擊。

(3)保護間隙

保護間隙將電弧拉長，使電網(wǎng)電壓不能維持電弧燃燒，是一種最簡單的滅弧裝置。

缺點：1)間隙不能切斷雷電流之后的工頻短路電流，必須借助于自動重合閘配合來切斷電弧。2)間隙電壓擾動將影響電能質(zhì)量。3)間隙放電可能導(dǎo)致線圈形式的設(shè)備陡波擊穿。

4.配電線路防雷保護

γ落雷密度[次/(雷暴日·km2)]；b兩避雷線間距離，m；h避雷線平均對地高度，m；Td雷暴日數(shù)

4.1 配電線路耐雷性能的若干指標(biāo)

4.1.1 耐雷水平(I)

它的定義是：雷擊線路時，其絕緣尚不至于發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值或能引起絕緣閃絡(luò)的最小雷電流幅值，單位為kA。根據(jù)技術(shù)——經(jīng)濟綜合比較的結(jié)果，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各級電壓線路應(yīng)有的耐雷水平值(通常指雷擊桿塔的情況)和超過該耐雷水平的雷電流出現(xiàn)的概率列于下表。可見即使是電壓等級很高的線路，也并不是完全耐雷的，仍有一部分雷擊會引起絕緣閃絡(luò)。

各級電壓線路應(yīng)有的耐雷水平見表1。

4.1.2 雷擊跳閘率(n)

它是指在雷暴日數(shù)Td＝40的情況下、100km的線路每年因雷擊而引起的跳閘次數(shù)，其單位為“次／(100km·40雷暴日)”。當(dāng)然，實際線路長度上不可能正好是100km，線路所在地區(qū)的雷暴日數(shù)也不可能正好是40，但為了評估處于不同地區(qū)、長度各異的配電線路的防雷效果，就必須將它們都換算到某一相同的條件下(100km，40雷暴日)，才能進行比較。

單是雷電流超過了線路耐雷水平，只會引起沖擊閃絡(luò)，只有在沖擊閃絡(luò)之后還建立起工頻電弧，才會引起線路跳閘。由沖擊閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定工頻電弧的概率稱為建弧率(η)，它與沿絕緣子串或空氣間隙的平均運行電壓梯度有關(guān)，可由下式求得

式中：E—絕緣子串的平均工作電壓梯度(有效值)，kV／m。

對中性點有效接地系統(tǒng)

對中性點非有效接地系統(tǒng)

式中：Un—線路額定電壓(有效值)，kV；

l1—絕緣子串長度，m；

l2—木橫擔(dān)線路的線間距離，m。

若為鐵橫擔(dān)或鋼筋混凝土橫擔(dān)線路，l2=0。如果E≤6kV(有效值)／m，得出的建弧率很小，可取≈0。

4.1.3 雷擊跳閘次數(shù)

g—擊桿率；P1—超過反擊耐雷水平I1的雷電流出現(xiàn)概率；Pα—繞擊(直擊)率；P2—超過繞擊耐雷水平I2的雷電流出現(xiàn)概率

4.2 線路雷害事故發(fā)展過程及防護措施

配電線路雷害事故的發(fā)展過程及相應(yīng)的防護措施可利用下圖中的圖解加以說明。

只要能設(shè)法制止上述發(fā)展過程中任一環(huán)節(jié)的實現(xiàn)，就可避免雷擊引起長時間停電事故。這里扼要介紹一下現(xiàn)代配電線路上所采用的各種防雷保護措施：

4.2.1 避雷線(架空地線)

沿全線裝設(shè)避雷線直到目前為止仍然是110kV及以上架空配電線路最重要和最有效的防雷措施，它除了能避免雷電直接擊中導(dǎo)線而產(chǎn)生極高的雷電過電壓以外，而且還是提高線路耐雷水平的有效措施之一。在110~220kV高壓線路上，避雷線的保護角α大多取200~300；在500kV及以上的超高壓線路上，往往取α≤150。35kV及以下的線路一般不在全線裝設(shè)避雷線，主要因為這些線路本身的絕緣水平太低，即使裝上避雷線來截住直擊雷，往往仍難以避免發(fā)生反擊閃絡(luò)，因而效果不好；另一方面，這些線路均屬中性點非有效接地系統(tǒng)，一相接地故障的后果不象中性點有效接地系統(tǒng)中那樣嚴(yán)重，因而主要依靠裝設(shè)消弧線圈和自動重合閘來進行防雷保護。

4.2.2 降低桿塔接地電阻

這是提高線路耐雷水平和減少反擊概率的主要措施。桿塔的工頻接地電阻一般為10-30Ω，具體數(shù)值可按表2選取。

在土壤電阻率ρ≤1000Ω·m的地區(qū)，桿塔的混凝土基礎(chǔ)也能在某種程度上起天然接地體的作用，但在大多數(shù)情況下難以滿足上表中接地電阻值的要求，故需另加人工接地裝置。必要時還可采用多根放射形水平接地體、連續(xù)伸長接地體、長效土壤降阻劑等措施。

5.結(jié)束語

綜合上述，對于防止架空配電線路導(dǎo)線雷擊斷線措施是多種多樣的，各有優(yōu)缺點，采取了在架空配電線路安裝過壓保護器措施，有效地防止雷擊斷線事故發(fā)生，保證配電網(wǎng)安全運行。

雷擊斷線是絕緣導(dǎo)線特有的問題，應(yīng)引起足夠重視并采取相應(yīng)的措施；通過加強絕緣和加裝防雷支柱絕緣子或保護型絕緣間隙橫擔(dān)等新產(chǎn)品的應(yīng)用并采用”疏導(dǎo)”和”堵塞”相結(jié)合的防雷措施的綜合應(yīng)用，能有效地減少雷擊閃絡(luò)概率，避免雷擊斷線發(fā)生。雷電是一個古老而又復(fù)雜的自然現(xiàn)象，單純依靠某項保護措施難以解決絕緣配網(wǎng)的防雷問題，必須采取綜合防雷措施才能有效的防止雷擊事故發(fā)生。以上介紹的綜合防雷措施經(jīng)實際應(yīng)用證明具有明顯的架空絕緣導(dǎo)線防雷和防止雷擊后導(dǎo)致絕緣導(dǎo)線斷線的效果。

[1]段建華.對配電線路防雷保護措施的探討[J].城市建設(shè)理論研究,2012(7).

[2]建筑物防雷設(shè)計規(guī)范.GB50057-94.

[3]計算機房防雷設(shè)計規(guī)范.GB-50174-93.