配電網(wǎng)感應(yīng)雷擊跳閘事故分析及防護(hù)措施研究

摘 要：通過對感應(yīng)雷擊引起跳閘事故的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析確定其影響因素，并對其影響方式進(jìn)行探討，提出有效的抑制感應(yīng)雷擊跳閘事故的措施。通過研究分析確定了通過安裝自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置、增設(shè)保護(hù)間隙以及帶外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器等方式可以有效降低感應(yīng)雷擊引起的線路跳閘事故。

關(guān)鍵詞：雷擊跳閘;防雷;感應(yīng)雷

基金項(xiàng)目：青島黃海學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“輸電線路常規(guī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)”。

電力線路按照功能不同可分為輸電線路和配電線路，是電力網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。電力線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行不但影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且直接關(guān)系到用戶供電的可靠性和電力工作人員的安全。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：電力線路的跳閘故障中，70%以上都是由雷擊跳閘引起的[1]。因此，降低線路的雷擊跳閘率對提高系統(tǒng)供電的可靠性和電網(wǎng)運(yùn)行的安全性至關(guān)重要。

我國輸電線路防雷設(shè)計(jì)在選擇范圍不大，線路路徑受投資和地形限制的情況下，通常采用架設(shè)避雷線、裝設(shè)避雷器、降低桿塔接地電阻、提高線路絕緣水平等方法[2]。但迄今為止未能將這些方法與具體的雷擊引起跳閘事故相聯(lián)系上，也未給出實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)。

雷擊跳閘事故有直擊雷引起跳閘和感應(yīng)雷引起跳閘兩種類別。本文是基于對感應(yīng)雷擊引起跳閘事故發(fā)生原因的研究基礎(chǔ)上，通過對雷電引起跳閘事故的監(jiān)測與診斷，對其產(chǎn)生數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，最終確定所采用的針對性應(yīng)對措施和具體的參考數(shù)據(jù)。

1 感應(yīng)雷引起跳閘機(jī)理

雷電在擊中輸電線路周圍的物體時，在電磁感應(yīng)的作用下，輸電線路的導(dǎo)線上會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)過電壓。雷電的發(fā)展由前后兩個階段組成：前一階段是云層緩慢向下擴(kuò)散，并在經(jīng)過區(qū)域感應(yīng)出相應(yīng)負(fù)電荷的階段;后一階段是產(chǎn)生比前一階段大得多的電流，并以極快的速度自下而上的“回?fù)簟彪A段。在通過雷擊過程來做感應(yīng)過電壓的計(jì)算時，要先假定在雷電先導(dǎo)的發(fā)展過程中，所形成通道上的負(fù)電荷分布均勻;在后一階段形成的通道是豎直向上、完全導(dǎo)電的，并且其頭部是自下而上均勻發(fā)展的。

2 感應(yīng)雷引起跳閘事故的影響因素和措施

從提高線路耐雷水平上來說，很多措施是起綜合性的效果，它們無論對反擊雷、繞擊雷還是對感應(yīng)雷都起到一定的防雷保護(hù)作用。比如線路避雷器、避雷線、接地電阻、消弧線圈、線路絕緣水平等。下面主要介紹幾種與感應(yīng)雷聯(lián)系相密切的措施或改進(jìn)方法。

2.1 安裝自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置

通過計(jì)算機(jī)測量控制系統(tǒng)，借助中性點(diǎn)位移電壓法的跟蹤方式對電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化進(jìn)行跟蹤控制，從而保證殘流和脫諧度在規(guī)定的范圍內(nèi)。在消弧線圈的補(bǔ)償不變時，電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化必然引起電網(wǎng)對地電容電流的變化，脫諧度也會發(fā)生相應(yīng)的改變，最終導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓漂移。

雖然雷電過電壓的幅值高，但是其作用時間短，絕緣子因受熱而產(chǎn)生的破壞大多數(shù)是受到電容電流的影響。補(bǔ)償后的殘流可以通過自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置控制在5A以下，為雷電流過后的可靠熄弧創(chuàng)造條件。

如同電流自動測量一樣，自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的運(yùn)行方式自動跟蹤和自動調(diào)整補(bǔ)償電流，彌補(bǔ)了老式消弧線圈中存在的問題，同時能有效地限制弧光接地過電壓，消除鐵磁諧振過電壓。自動跟蹤補(bǔ)償消弧裝置能保證補(bǔ)償以后的殘流在規(guī)定的范圍內(nèi)，并使其小于熄弧的臨界值，這樣利于接地電弧的熄滅，使配電網(wǎng)雷擊故障跳閘率得到大幅度的降低，進(jìn)而提高了配電網(wǎng)供電的可靠性。

2.2 保護(hù)間隙

1）保護(hù)間隙對絕緣子的保護(hù)作用。保護(hù)間隙[3]是在絕緣子串旁并聯(lián)一對金屬球電極，并依據(jù)相關(guān)絕緣子50%雷電沖擊試驗(yàn)值確定其間隙距離使其間隙放電電壓低于絕緣子串放電電壓。當(dāng)線路感應(yīng)雷擊時，在線路與地之間會出現(xiàn)較高的雷電過電壓，因?yàn)榻^緣子串的放電電壓相比于保護(hù)間隙要高，所以雷電過電壓會經(jīng)過保護(hù)間隙進(jìn)行放電，工頻電流在間隙內(nèi)燃燒會因受到電弧電動力和風(fēng)的作用逐漸熄滅，使得絕緣子串得到有效的保護(hù)。由于空氣絕緣可在短時間內(nèi)自行恢復(fù)，間隙放電屬于瞬時性事故，從而提高了雷擊跳閘重合閘的成功率。

2）保護(hù)間隙保護(hù)距離的界定標(biāo)準(zhǔn)。保護(hù)間隙對絕緣子進(jìn)行保護(hù)是使閃絡(luò)避開絕緣子串而產(chǎn)生于保護(hù)間隙之間。為了方便計(jì)算，假定雷電過電壓經(jīng)過間隙后降為零，且不考慮雷電波的衰減。測量標(biāo)準(zhǔn)雷電波形與保護(hù)間隙和絕緣子的伏秒特性曲線相交的時間tj和tb，則tj和tb的差為雷電波在保護(hù)間隙和雷擊點(diǎn)間傳播的時間，同時取雷電在裸導(dǎo)線上的傳播速度v=3×108m/s，由此可得不同電壓等級下保護(hù)間隙的有效保護(hù)距離：。

由上述分析可見，在配電線路中允許有規(guī)定的跳閘率的情況下，可按照上述界定標(biāo)準(zhǔn)來安裝帶有保護(hù)間隙的設(shè)備來保護(hù)絕緣子串免于遭受雷擊的破壞。

2.3 帶外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器

帶外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器包括氧化鋅避雷器本體（簡稱MOA）和外串聯(lián)間隙兩部分，與線路絕緣子串并聯(lián)安裝。帶外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的工作原理[4]如圖1所示：

在正常運(yùn)行時，外串聯(lián)間隙上承受全部電壓，MOA上基本不承受電壓;感應(yīng)過電壓通過MOA時，間隙被過電壓所擊穿，此時經(jīng)過間隙的雷電過電壓絕大部分由MOA承受;當(dāng)雷擊過電壓消除后，氧化鋅避雷器中的氧化鋅閥片在短時間內(nèi)就會變成高阻態(tài)來斷開工頻續(xù)流通路，這不僅起到了對感應(yīng)過電壓中工頻續(xù)流的斷開作用，同時也降低了斷路器跳閘的概率。

目前，國內(nèi)采用與線路絕緣子串相并聯(lián)的防雷措施主要有三種：絕緣子串與空氣間隙并聯(lián)、無串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器與絕緣子串并聯(lián)和帶外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器與絕緣子串并聯(lián)。與前兩種方式相比，帶外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器與絕緣子串并聯(lián)防雷方式不僅具有避雷器引雷的優(yōu)點(diǎn)，同時也具有保護(hù)間隙保護(hù)絕緣子的優(yōu)點(diǎn)。針對降低處于多雷區(qū)輸電線路的雷擊跳閘率有極好的效果，可成為多雷區(qū)配電網(wǎng)的一項(xiàng)主要防雷措施。

3 結(jié)論

本文以感應(yīng)雷引起跳閘事故的原因?yàn)檠芯炕A(chǔ)，將雷擊跳閘事故分為直擊雷引起跳閘和感應(yīng)雷引起跳閘兩種類別。并通過對感應(yīng)雷擊引起跳閘事故的機(jī)理和影響因素進(jìn)行分析，確定了安裝自動跟蹤補(bǔ)償裝置、增設(shè)保護(hù)間隙和帶外串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器的方法可以有效降低配電網(wǎng)的感應(yīng)雷擊跳閘事故概率，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

本文對雷擊引起的配電網(wǎng)跳閘事故的分析和提出的解決方案，可在實(shí)際應(yīng)用中為降低雷擊跳閘事故提供參考依據(jù)，彌補(bǔ)了解決雷擊跳閘事故時參考依據(jù)不足的問題。

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作者簡介

劉樹美（1989-），女，青島黃海學(xué)院智能制造學(xué)院，講師，碩士研究生，研究方向：電氣工程，教育技術(shù)。