配電線路感應(yīng)雷過電壓計算與防護(hù)的研究

【摘 要】經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)雷過電壓是導(dǎo)致配電網(wǎng)10kV架空線路產(chǎn)生線路故障和絕緣子閃路的主要原因，故障率可以占到90%。為了使配電線路的可靠性得到提升并使線路防雷設(shè)計有清晰的參考依據(jù)，本文對配電線路感應(yīng)雷過電壓計算和防護(hù)的研究很有必要。

【關(guān)鍵詞】配電線路；感應(yīng)雷過電壓；防護(hù)措施

1.雷電放電過程及雷電流

1.1雷電流的物理過程

在運(yùn)動比較強(qiáng)烈的對流云中，當(dāng)云體處在零攝氏度一下時，會出現(xiàn)冰晶和過冷水滴共存的現(xiàn)象，冰晶之中存在著大量的自由離子，有的帶正電，有的帶負(fù)電。在溫度升高之后，正負(fù)離子的濃度會不斷加大，如果在冰晶的兩端溫差穩(wěn)定，那么隨著溫度的升高，較冷的一端會出現(xiàn)多余的正電荷，較熱的一端則會出現(xiàn)多余負(fù)電荷。當(dāng)冰晶發(fā)生破裂時，會造成一部分冰晶帶正電，一部分帶負(fù)電。目前，廣大的專家和學(xué)者認(rèn)為溫差起電機(jī)理是形成雷雨云起電的最主要因素。

當(dāng)雷云聚集區(qū)形成的電場強(qiáng)度達(dá)到放電的臨界點時，就會出現(xiàn)雷電放電現(xiàn)象，放電的種類分為雷云內(nèi)部、雷云與大地、雷云和雷云以及雷云與空氣。一般情況下，雷電放電發(fā)生在云體的內(nèi)部，不會威脅到電力系統(tǒng)。但是當(dāng)雷云對大地放電時，會引起電磁場機(jī)理的變化，進(jìn)而對電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。雷云和大地之間產(chǎn)生的雷電主要分為向下負(fù)雷電、向上正雷電、向下正雷電和向上負(fù)雷電四種。

1.2雷電流的數(shù)學(xué)模型

1.2.1 Heidler模型

i（0，t）=I0/η[kns/（1+kns）]exp（-t/τ2）

式中I0為峰值電流，η為峰值，，ks=t/τ是電流陡度因子，一般情況下取n=10。這是基于霍德勒模型（Heidlermodel）和傳輸線模型（TLmodel）提出的，適用于首次雷擊（10/350μs）和后續(xù)雷擊（0.25/100μs）。這里Heidler函數(shù)的上升沿由kns/（1+kns）項決定，而指數(shù)項exp（-t/τ2）決定了其衰減部分。

1.2.2脈沖函數(shù)模型

i（0，t）=I0/η[1-exp（-t/τ1）]nexp（-t/τ2），t≥0

脈沖函數(shù)第一項為擊穿電流，第二項是電暈電流。

這兩種模型的波形曲線特性都比較好，其中脈沖函數(shù)的波形還能更好的反應(yīng)雷電的物理本質(zhì)。

2.雷電通道周圍電磁場的計算

2.1大地為理想導(dǎo)體時雷電通道周圍電磁場的計算公式

B（r，φ，z，t）=

+i（t-Rc）e

2.2考慮大地電導(dǎo)率時雷電通道周圍電磁場的計算公式

W（jω）==

其中，Er（jw）為電場水平分量的傅里葉變換（V/m）；Ez（jw）為電場垂直分量的傅里葉變換（V/m）；εrg為大地相對介電常數(shù)（F/m）；óg為大地導(dǎo)電率（S/m）。

2.3雷電通道周圍電磁場的計算

圖 1 雷擊回?fù)敉ǖ滥Ｐ?/p>

3.架空線路感應(yīng)雷過電壓的計算分析

3.1配電線路雷電感應(yīng)過電壓算法驗證

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，確保配電線路雷電感應(yīng)過電壓模型能夠適用于雷擊架空配電線路附近大地引起的感應(yīng)過電壓計算，這里采取了建模求解和LIOV（Lightning-Induced Overvoltage Code）程序算法和規(guī)程法等進(jìn)行了對比驗證。

為了保證對比驗證的可行性，文中的各項參數(shù)與LIOV程序相同。雷電流峰值設(shè)為20kA，電流最大變化率為50kA/us，衰減系數(shù)為430m，回?fù)羲俣葹?.3x108m/s，導(dǎo)線長為1.2km，導(dǎo)線半徑為0.5*10-2m，雷擊點距離導(dǎo)線的水平距離為60m，距導(dǎo)線兩端各600m；μ0空氣磁導(dǎo)率為4π*10-7B/H，ε0空氣介電常數(shù)為8.854*10-12F/m，相對介電常數(shù)為10，地面可以理解為理想導(dǎo)體。那么雷電通道和架空配電線路的位置關(guān)系就如圖二所示。

圖2 雷電通道與架空配電線路的位置關(guān)系

由圖二還可以分析得出下圖：

圖3 傳輸線中間點雷電感應(yīng)電壓

由圖可以看出，本文建立的配電線路感應(yīng)雷過電壓的模型數(shù)據(jù)比較符合實際，相對實際測量的計算誤差在5%之內(nèi)，相對規(guī)程法的計算誤差在10%之內(nèi)，證明了建模的相對準(zhǔn)確性。

3.2配電線路雷電感應(yīng)過電壓分析

3.2.1水平距離對感應(yīng)雷過電壓的影響

在分析雷擊點相距架空線路的水平距離對感應(yīng)電壓的影響時，可以設(shè)定10kV架空線路的高度為10m，雷電流強(qiáng)度為50kA，回?fù)羲俣葹?.3*108m/s，那么在計算理想大地情況下的雷擊點距離架空線路為60m、120m和180m，分析結(jié)果如圖五。

圖4 不同水平距離下的感應(yīng)電壓

從圖中可以看出，隨著雷擊點與導(dǎo)線的水平距離不斷地拉近，架空配電線路上的感應(yīng)過電壓明顯增大。

3.2.2雷電回?fù)羲俣葘Ω袘?yīng)過電壓的影響

在研究雷電回?fù)羲俣葘芸张潆娋€路上的感應(yīng)過電壓的影響時，可以設(shè)定10kV架空線路的高度為10m；電流峰值為20kA，電流最大變化率為50kA/μs，衰減系數(shù)為430m，雷擊點與導(dǎo)線的水平距離為80m，地面電導(dǎo)率為0.0035S/m，相對介電常數(shù)為10.在分別計算雷電回?fù)魝鞑ニ俾蕍=2.0*108m/s、v=1.3*108m/s和v=0.6*108m/s下的配電線路感應(yīng)雷過電壓數(shù)值，如圖六。

經(jīng)過分析可得雷電回?fù)舨ㄋ僭?.3*108m/s和2.0之間時，配電線路上的感應(yīng)雷過電壓變化較小。但是，當(dāng)波速在1.3*108m/s以下時，感應(yīng)過電壓變化較大。當(dāng)雷電回?fù)羲俣仍龃髸r，波前陡度和電壓幅值也相對增大。因為感應(yīng)雷過電壓的波形和幅值受雷電通道周圍電磁場水平和垂直分量的共同影響，結(jié)合計算公式可知，感應(yīng)雷過電壓隨著雷電回?fù)羲俣鹊脑黾佣黾印?/p>

4.配電線路感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)分析

4.1配電線路感應(yīng)雷過電壓的狀況分析

4.1.1絕緣子的閃絡(luò)故障分析

絕緣子是架空配電線路中重要的設(shè)備之一，作用是分隔導(dǎo)線和橫擔(dān)，完好的耐壓的絕緣子有著良好的耐雷水平。絕緣子損壞的原因主要有兩個。一是頻繁的強(qiáng)雷電引起絕緣子閃絡(luò)；二是絕緣子的性能下降。

對此，供電部門應(yīng)該加強(qiáng)線路的巡視工作，對絕緣子進(jìn)行全面檢測，及時發(fā)現(xiàn)并更換，以防出現(xiàn)過電壓狀況下發(fā)生線路損壞進(jìn)而停電的狀況。

4.1.2避雷器故障分析

避雷器在架空線路上有著廣泛的應(yīng)用，避雷器可以使大部分雷電流導(dǎo)入地下。其損壞的原因主要由四點：一是部分避雷器的型號不符合大電流耐受能力；二是避雷器由于受潮，出現(xiàn)了老化的問題；三是一部分接地電阻超標(biāo)，使避震器受到反擊；四是部分接地的線已經(jīng)腐蝕，嚴(yán)重阻礙了避雷器的導(dǎo)電。

對此，質(zhì)量監(jiān)測人員應(yīng)在每年雷雨季節(jié)來臨之前，對避雷器的接地方面進(jìn)行嚴(yán)格檢查，及時消除隱患；選擇質(zhì)量良好符合要求的避雷器，在此基礎(chǔ)上加裝脫離器，以免發(fā)生因自身故障而導(dǎo)致的接地短路問題。

4.2針對線路運(yùn)行環(huán)境選擇防護(hù)措施

4.2.1提高線路絕緣水平

對此，需要做好以下四點：一是及時地發(fā)現(xiàn)并排除劣質(zhì)的絕緣子；二是增加易受雷擊地區(qū)桿塔絕緣子的數(shù)量；三是對配電網(wǎng)進(jìn)行全面的規(guī)劃設(shè)計，在絕緣子的選取上最好采用絕緣性較好的鋼化玻璃絕緣子；四是在架空絕緣導(dǎo)線靠近絕緣子的端部加厚絕緣，提高線路的沖擊放電電壓。

4.2.2穿刺型防弧金具

城鄉(xiāng)電網(wǎng)經(jīng)過改造，供電可靠性得到了極大提升，但是雷擊斷電事故仍時有發(fā)生。經(jīng)過研究得出，安裝穿刺型防弧金具在很大程度上能夠減少斷線事件的發(fā)生。該金具將高壓電極改成了穿刺結(jié)構(gòu)，安裝時將通過尖齒刺穿導(dǎo)線的絕緣層和線芯連接在一起，將高電位引出。

5.結(jié)語

感應(yīng)過電壓是引起配電線路故障的主要因素，其導(dǎo)致的故障率超過90%，本文主要以雷擊架空線路附近地面為條件，對配電線路產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓的計算與防護(hù)進(jìn)行研究，重要性十分明顯。但是作者在研究方面還存在著很多的不足，今后的研究中還應(yīng)提高雷電感應(yīng)雷電磁場計算的準(zhǔn)確性，盡可能的建立更加符合實際的感應(yīng)雷過電壓數(shù)學(xué)模型。

【參考文獻(xiàn)】

[1]方瑜.配電網(wǎng)過電壓[M].水利電力出版社，1994.

[2]文武.感應(yīng)雷電磁干擾及防護(hù)研究[D].武漢大學(xué)，2004.

[3]趙玉龍，劉光斌，余志勇等.雷電電磁場空間分布模型[J].探測與控制學(xué)報，2012，34（3）：72-76.