運(yùn)行中配電設(shè)備的防雷措施探討

杜曉偉（國(guó)家新聞出版廣電總局七三一臺(tái)，福建 龍巖 364000）

0 引 言

雷電是一種非常普遍的自然現(xiàn)象，往往會(huì)帶來(lái)巨大的電壓，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的正常工作。基于這一原因，電力設(shè)備時(shí)常會(huì)出現(xiàn)損壞情況，對(duì)整個(gè)建筑自身的安全性帶來(lái)了一定的負(fù)面影響。為此，在日常電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，工作人員需要對(duì)此提高重視，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行原理、損害類型展開分析，確保系統(tǒng)工作的質(zhì)量和有效性。

1 雷電造成的危害

1.1 直擊雷

地面上的突出物經(jīng)過(guò)雷擊后，一旦整個(gè)電場(chǎng)的強(qiáng)度能夠?qū)⒖諝馔耆珦舸瑒t此時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象便是直擊雷。一般而言，直擊雷在峰值階段時(shí)的電壓可以達(dá)到幾萬(wàn)伏，特殊情況時(shí)甚至可以達(dá)到幾百萬(wàn)伏，與之相對(duì)的電流峰值同樣能夠達(dá)到幾萬(wàn)安，某些時(shí)候能超過(guò)幾十萬(wàn)安。因此，直擊雷的破壞性非常強(qiáng)，對(duì)用電設(shè)備的正常運(yùn)行影響極大。造成這種情況出現(xiàn)的主要原因，在于雷云內(nèi)部積攢的能量在瞬間完全釋放，通常為 0 ～ 100 μs。

1.2 感應(yīng)雷

通常情況下，感應(yīng)雷主要有兩種形式，分別是靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷。所謂靜電感應(yīng)雷，主要是指當(dāng)天空中的雷云擊在地面上方時(shí)，地面一些突出物的頂端部分會(huì)感受到雷電的存在，從而產(chǎn)生異性電荷。一旦雷云與其他種類的異性雷云完全放電，則其將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間聚集在建筑物的頂部位置，使得電荷感應(yīng)在一瞬間失去原有的束縛，從而以點(diǎn)撥的形式向四周傳播，進(jìn)而演變成雷電。而電磁感應(yīng)雷主要是指當(dāng)?shù)孛媸艿嚼讚魰r(shí)，雷電本身的周圍會(huì)有一定范圍的磁場(chǎng)出現(xiàn)，使得四周的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生較強(qiáng)的電壓[1]。

1.3 其他類型

除直擊雷和感應(yīng)雷外，造成用電設(shè)備損壞的具體原因一般還有兩種，分別是雷電沖擊波和地電位反擊。所謂雷電沖擊波，主要是指雷電在瞬間產(chǎn)生的巨大電流順著導(dǎo)線直接流入建筑物的內(nèi)部，從而嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備。而地電位反擊則主要是指當(dāng)避雷針將雷電產(chǎn)生的電流全部引入地下后，地下的雷電會(huì)對(duì)地表上的防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行反擊，進(jìn)而造成設(shè)備損壞。

2 雷電損壞配電設(shè)備的原理

2.1 損壞變壓器的原理

感應(yīng)雷和雷電波入侵時(shí)，瞬時(shí)電壓會(huì)達(dá)到幾十萬(wàn)伏，可以通過(guò)正逆的方式不斷變換過(guò)電壓，使得配電變壓器將外部絕緣完全擊穿，甚至可能出現(xiàn)較為危險(xiǎn)的安全事故。造成這種結(jié)果的主原因有兩種。一是正變換過(guò)電壓產(chǎn)生的基本原理。當(dāng)雷電波入侵后，沖擊電流會(huì)在高壓繞組中產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而造成高壓側(cè)出現(xiàn)一定的感應(yīng)電壓，稱作正變換。二是逆變換過(guò)電壓。當(dāng)沖擊電流流過(guò)三相低壓繞組時(shí)，會(huì)有一定的磁通量產(chǎn)生，從而將匝間和層間的絕緣完全擊穿，出現(xiàn)高壓繞組產(chǎn)生過(guò)電壓的情況，稱為逆變換。

2.2 損壞架空導(dǎo)線的原理

當(dāng)直擊雷或者感應(yīng)雷直接在架空導(dǎo)線中作用時(shí)，很容易出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)的情況。由于電磁力的原因，電流會(huì)順著導(dǎo)線不斷移動(dòng)。當(dāng)電弧開始移動(dòng)的時(shí)候，弧腹會(huì)沿著弧根的運(yùn)動(dòng)而不斷移動(dòng)，在受到熱應(yīng)力作用后，逐步向上空的位置移動(dòng)。弧根位置的溫度通常較高，會(huì)對(duì)導(dǎo)線本身造成一定的燒損；弧腹位置的溫度略低，則不易出現(xiàn)燒損[2]。

2.3 損壞絕緣導(dǎo)線的原理

當(dāng)直擊雷或者感應(yīng)雷在絕緣導(dǎo)線中產(chǎn)生作用后，會(huì)使導(dǎo)線的絕緣層出現(xiàn)閃絡(luò)。一般而言，只要絕緣層被擊穿，其外層會(huì)呈現(xiàn)出針孔形狀。由于周邊絕緣層的影響，它將完全無(wú)法移動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)燃燒，導(dǎo)致導(dǎo)線完全燒斷。

3 配電設(shè)備運(yùn)行中的防雷措施

3.1 降低配電線路閃絡(luò)的概率

一般而言，由于雷云的長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)及其放電形式，雖然感應(yīng)雷的電壓數(shù)值偏下，但是有著較為頻繁的變化，且幅度較大，很容易將外層絕緣完全擊穿。對(duì)線路雷擊閃絡(luò)的概率造成影響的因素，通常主要包括感應(yīng)過(guò)電壓和線路外部絕緣能力。利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，可以得出各區(qū)間中累積的造成絕緣子本身出現(xiàn)閃絡(luò)的具體次數(shù)。將其完全疊加后，便可以獲得全年的雷擊閃絡(luò)總數(shù)。由于配電線路的整體絕緣能力相對(duì)較差，還會(huì)采用塔多回路技術(shù)，受到整個(gè)線路中電氣距離方面的干擾后，只要其中任意回路遭到雷電攻擊，將很容易造成絕緣子對(duì)地面擊穿。因此，在工頻電流的影響下，持續(xù)出現(xiàn)的接地電弧會(huì)造成空氣中出現(xiàn)光游離、熱游離的現(xiàn)象，進(jìn)而演變成較為嚴(yán)重的短距離回路接地事故。情況嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)多條回路同時(shí)跳閘的現(xiàn)象。基于此類情況，工作人員可以利用絕緣導(dǎo)線替換原有的裸線，并適時(shí)更新原本的絕緣子型號(hào)，同時(shí)增加絕緣子的實(shí)際片數(shù)，有效提升線路本身的絕緣能力，大幅減少感應(yīng)雷過(guò)電壓導(dǎo)致線路出現(xiàn)閃絡(luò)的概率，從而加強(qiáng)線路運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性[3]。

3.2 防止絕緣線路出現(xiàn)斷路

通常情況下，架空絕緣導(dǎo)線主要處在電纜以及架空裸線中間的位置。不但可以有效減少樹線矛盾，而且能大幅度縮減電纜的資金投入。然而，當(dāng)有雷電過(guò)電壓閃絡(luò)情況出現(xiàn)時(shí)，很容易造成工頻續(xù)流，且數(shù)值能夠達(dá)到上千安培。高溫弧根被完全固定在絕緣層中，經(jīng)過(guò)攻擊后會(huì)出現(xiàn)灼燒，從而使得絕緣層逐漸脆化，導(dǎo)致導(dǎo)線自身的拉斷強(qiáng)度下降。絕緣子閃絡(luò)在電弧通道中同樣會(huì)造成絕緣皮全針孔的現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致導(dǎo)線的表面出現(xiàn)吻痕。不僅如此，弧根位置還會(huì)產(chǎn)生電磁推理，具體大小會(huì)與短路電流的平分保持正比例關(guān)系。同時(shí)，加上外部重力和張力的作用，會(huì)使得導(dǎo)線同時(shí)受到多種不同的力的作用而出現(xiàn)斷路。以上描述的多種原因都會(huì)造成絕緣導(dǎo)線在受到感應(yīng)電壓后發(fā)生整體斷裂的情況。

根據(jù)原本累積絕緣導(dǎo)線斷線的機(jī)理，通常需要從三個(gè)方面入手。一是在周圍安裝避雷器。此方法主要借鑒線路安裝避雷器進(jìn)行防雷的具體效果，通常適用于架空線路配電線路。可以選擇當(dāng)前最先進(jìn)且認(rèn)知度較高的避雷器，不僅不需要維護(hù)，且壽命相對(duì)較長(zhǎng)。將它安裝在整個(gè)配單線路容易遭到外部電壓攻擊的位置，以此全面保護(hù)整個(gè)線路。二是提升線路中部分位置的絕緣能力。為了能夠有效提升線路沖擊的放電電壓，可以采用架空導(dǎo)線固定位置額外進(jìn)行加厚的方法。三是將線路進(jìn)行并聯(lián)，并將放電間隙放置在絕緣子之間，促使間隙中的電壓大幅度提升，超過(guò)絕緣子位置的沖擊電壓，從而造成雷電的放電現(xiàn)象僅僅產(chǎn)生在保護(hù)間隙之間，避免導(dǎo)線本身絕緣層被完全擊穿的情況。

3.3 避雷器和間隙配合的線路

安裝避雷器也是對(duì)架空配電線進(jìn)行保護(hù)的有效方法，然而這種方法并不實(shí)際。大量應(yīng)用避雷器會(huì)大幅度提升造價(jià)成本，且后期的運(yùn)行維護(hù)工作難度也會(huì)隨之提升。所以，工作人員需要對(duì)整條線路進(jìn)行全面檢查，選擇性地安裝避雷器。例如，在架空絕緣線和電纜轉(zhuǎn)換的位置進(jìn)行安裝，或者在變壓器、刀閘以及柱上開關(guān)等重要設(shè)備的位置進(jìn)行安裝，亦或在線路中易出現(xiàn)安全事故的位置進(jìn)行安裝。不僅如此，工作人員還需要考慮保護(hù)間隙的設(shè)置工作，配合避雷器，從而對(duì)整條線路進(jìn)行保護(hù)。通常情況下，保護(hù)間隙的設(shè)計(jì)主要需要完成兩個(gè)方面。一是確保保護(hù)間隙具有足夠的抗壓能力，二是保證保護(hù)間隙的內(nèi)部距離在雷擊線路閃絡(luò)時(shí)可以對(duì)電弧的底部位置選擇捕捉，并將線路中的故障電流全部引導(dǎo)至地面，促使電弧無(wú)法與絕緣子直接連接。如此一來(lái)，導(dǎo)線、絕緣子以及線路中的零部件將會(huì)得到保護(hù)[4]。

3.4 選擇合適的中性點(diǎn)運(yùn)行方式

10 kV架空配電線路中的雷擊建弧率和中性點(diǎn)的運(yùn)行方式有著密切聯(lián)系。實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，利用科學(xué)中性點(diǎn)的方式能夠有效減少配電線路中發(fā)生雷擊建弧的概率。一般情況下，為了能夠選擇最合適的中性點(diǎn)運(yùn)行方式，需要從三個(gè)方面入手。

第一，工作人員可以采取消弧線圈對(duì)工頻續(xù)流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒āＴ谂潆娋€路中，選中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式，使得配電網(wǎng)絡(luò)中單相接地電流能夠獲得自動(dòng)補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償，從而造成接地電弧低于熄弧的臨界值，達(dá)到熄滅電流的目的，以有效減少電弧自身的建弧率。

第二，工作人員可以額外安裝自動(dòng)跟蹤的補(bǔ)償消弧裝置。長(zhǎng)期實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電容內(nèi)部的電流超過(guò)10 A后，相關(guān)配電網(wǎng)的安全必須將殘余電流全部控制在10 A之下，之后熄滅接地的電弧，并對(duì)接地過(guò)電壓的出現(xiàn)方式予以控制。這種方法是解決長(zhǎng)期以來(lái)由雷電過(guò)電壓導(dǎo)致的過(guò)電壓、鐵磁諧振過(guò)電壓最有效的解決措施。

第三，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的區(qū)別，選擇多種不同的中性點(diǎn)接地方式。例如，最常見的純架空配電線路通常可以采用消弧線圈的方式；一些架空線和電纜的混合線路，如果電纜的實(shí)際長(zhǎng)度超過(guò)總長(zhǎng)度的50%，必須慎投消弧線圈；當(dāng)電纜的實(shí)際長(zhǎng)度超過(guò)總長(zhǎng)度的70%時(shí)，可以采用經(jīng)小電阻接地與相關(guān)零序進(jìn)行配合的保護(hù)方式，以保證線路能夠正常運(yùn)行[5]。

3.5 降低設(shè)備接電的電阻

在配電線路實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，為了能夠有效降低接地電阻，一般采用兩種方法，分別是水平接地和施加降阻劑。首先是水平接地，是最常見的一種降阻方式。然而，在一些具有較高電阻率的土壤環(huán)境或者干旱地區(qū)，該方法效果相對(duì)較差，且容易出現(xiàn)腐蝕情況，導(dǎo)致線路的使用壽命下降。施加降阻劑同樣是一種實(shí)用的降阻方式，是對(duì)水平接地的補(bǔ)充。工作人員完成水平接地后，在其周圍使用高效的降阻防腐劑，某種程度上相當(dāng)于擴(kuò)大了接地體本身的截面，具有非常強(qiáng)的吸水性和保水性，且能隨著時(shí)間的推移而不斷滲透和擴(kuò)散，大幅降低接地土壤中的電阻。此外，工作人員需要加強(qiáng)配電變壓器，對(duì)其他配電設(shè)備采取防雷保護(hù)措施，選擇一些體積較小、重量較輕的避雷器進(jìn)行防護(hù)，提升防水和防爆效果。實(shí)際安裝時(shí)，必須采用“三點(diǎn)共一地”的方式。

4 結(jié) 論

綜上所述，在電力工程中加強(qiáng)防雷工作可以有效提升設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。因此，工作人員需要對(duì)雷電類型和具體損壞原因展開分析，并結(jié)合實(shí)際情況，采用相關(guān)措施予以解決，推動(dòng)我國(guó)電力事業(yè)不斷進(jìn)步。

[1] 王文歡.關(guān)于運(yùn)行中配電設(shè)備的防雷措施探討[J].智能城市，2017，（11）：171.

[2] 程志林.配電網(wǎng)安全運(yùn)行的防雷措施探討[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，（18）：157-158.

[3] 張漫宇.配電線路運(yùn)行檢修技術(shù)及防雷方法的探討[J].水能經(jīng)濟(jì)，2017，（6）：34.

[4] 丁文博.配電變壓器雷擊分析與防雷措施探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015，（35）：117-119.

[5] 郭芮彤.關(guān)于配電線路防雷措施的探討[J].中國(guó)科技博覽，2016，（31）：59.