10kV配電線路的雷電感應(yīng)過電壓特性分析

徐勇

摘 要：10kV架空配電線路雷電防護(hù)系統(tǒng)的主要研究課題是雷電感應(yīng)過電壓現(xiàn)象，在10kV配電線路的架設(shè)過程中架設(shè)地線能夠有效防護(hù)配電線路雷電感應(yīng)過電壓現(xiàn)象，已經(jīng)成為電力領(lǐng)域廣泛關(guān)注的話題。相關(guān)電力研究結(jié)果顯示，將地線架設(shè)在到線上方，在滿足底線和導(dǎo)線之間距離科學(xué)要求的情況下，使底線和導(dǎo)線距離縮短，電桿會實(shí)現(xiàn)自然接地。伴隨大地電阻率增大和絕緣子閃絡(luò)電壓的降低，線路的雷電感應(yīng)過電壓閃絡(luò)率將逐步提高，所以架設(shè)地線能夠有效的降低線路雷電感應(yīng)過電壓閃絡(luò)率。

關(guān)鍵詞：10kV線路；雷電；感應(yīng)過電壓概率分布

前言

10kV配電線路雷電故障頻發(fā)的原因是架空線路的絕緣水平普遍較低。其中絕大部分的隱患來自于雷電擊中線路附近的大地或者高大建筑物時，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)超過電壓承受能力引發(fā)的。早在20世紀(jì)初期，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)提出通過在架空配電線路中架設(shè)地線的方法有效防護(hù)雷迪納感應(yīng)過電壓現(xiàn)象。因此作者針對“10kV配電線路的雷電感應(yīng)過電壓特性”這一課題的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 雷電感應(yīng)過電壓

當(dāng)10kV架空配電線路周圍聚集高達(dá)的建筑物時，由于建筑物的高度普遍高于導(dǎo)線的高速度，通過建筑物的遮擋屏蔽，使導(dǎo)線的弧度大為減小，在雷電直接擊中導(dǎo)線的概率相對于空曠地帶的導(dǎo)線擊中率減小。因?yàn)楦叽蟮慕ㄖ锬軌蛑苯訙p弱雷電先導(dǎo)產(chǎn)生的電場，從而使局部被束縛的電荷總量降低，當(dāng)雷擊大地時，可以有效降低導(dǎo)線上產(chǎn)生的雷過電擊。

2 雷電感應(yīng)過電壓的計算方式

雷電感應(yīng)過電壓數(shù)值的計算方式：首先，依據(jù)主放電雷電流模式計算出離雷電通道不同距離位置的電場分布；然后依據(jù)線路和電磁場的關(guān)系計算不同雷電電場在配電線路上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓。隨著科學(xué)的進(jìn)步，F(xiàn)DTD（finite difference tima domain）計算模式產(chǎn)生并被廣泛應(yīng)用，F(xiàn)DTD計算模式能夠同時對大地有限電導(dǎo)率和絕緣子閃絡(luò)對雷電過電壓的影響進(jìn)行同時考慮。相比與傳統(tǒng)雷電過電壓計算方式，可以得出準(zhǔn)確的時域響應(yīng)結(jié)果，具有創(chuàng)新意義[1]。

3 雷電感應(yīng)過電壓波形特性

雷擊點(diǎn)距離配電線路的距離、雷電流幅值及配電線路的高度等因素都對最大感應(yīng)過電壓產(chǎn)生影響，F(xiàn)DTD計算結(jié)果顯示，除了以上因素，雷電流波前時間、回波的傳播速度、大地導(dǎo)電率、接地電阻等因素也會對最大感應(yīng)過電壓造成影響。因?yàn)樵诶纂姼袘?yīng)過電壓的計算過程中，對雷電先導(dǎo)的同波速度以及接地電阻的考慮較小，所以雷電先導(dǎo)的同波速度以及接地電阻在雷電過電壓變化過程中影響不大，可以進(jìn)行忽略。

3.1 最大感應(yīng)過電壓與雷電流幅值的關(guān)系

配電線路最大感應(yīng)過電壓與雷電流幅值成正比關(guān)系。當(dāng)線路高度與雷電流幅值達(dá)到一定比值時，配電線路就會發(fā)生線路跳閘反應(yīng)，發(fā)生配電線路事故。但是，如果雷擊點(diǎn)附近的導(dǎo)線能夠?qū)﹄娏鏖_放釋放通道，可以避免絕緣子串閃絡(luò)跳閘，從而防止配電線路故障的發(fā)生。

3.2 最大感應(yīng)過電壓與大地電導(dǎo)率的關(guān)系

雷電感應(yīng)過電壓的最大影響因素是大地電導(dǎo)率。電壓的正負(fù)極和幅值等因素受到大地電導(dǎo)率的直接影響，所以大地電導(dǎo)率越高，電流幅值越大，電壓升幅率隨之增高。由于大地是非理想化的導(dǎo)體，具有電阻率，只對局部產(chǎn)生影響。大地電導(dǎo)率對高頻電磁場將產(chǎn)生重大影響，伴隨雷電波在配電線路上的傳輸過程，傳輸線路的各節(jié)點(diǎn)的電壓都將發(fā)生改變，如果只把大地作為理想導(dǎo)體進(jìn)行考慮，雖然能夠使電波在線路上的傳輸過程中使電壓幅值發(fā)生變化，但是波形不會受到影響，與之前的波形保持一致。所以隨著大地電導(dǎo)率的減小，電壓幅值變小，波形就會無限放大，最終可能導(dǎo)致電壓正負(fù)極的改變[2]。

4 雷電感應(yīng)過電壓的概率閃絡(luò)特性分析

通過FDTD計算結(jié)果顯示，當(dāng)大地電導(dǎo)率增加時，雷電感應(yīng)過電壓等因素將呈現(xiàn)下降的趨勢，從而能夠有效降低配電線路雷擊事故的發(fā)生概率，閃絡(luò)率和閃絡(luò)次數(shù)隨之減少。直擊雷在導(dǎo)致配電線路閃絡(luò)率的雷擊問題中占有重要原因，因?yàn)樗械闹睋衾锥伎赡茉斐膳潆娋€路的短路現(xiàn)象，當(dāng)配電線路缺少高大建筑物的保護(hù)時，直擊雷將成為配電線路閃絡(luò)的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

5 有效防止雷電過電壓的策略分析

5.1 新型設(shè)備材料的應(yīng)用

鋼絞線是避雷線的首選材料，導(dǎo)線在線路架設(shè)的結(jié)構(gòu)設(shè)置中，處于桿塔的最頂端，主要發(fā)揮引雷的功能?，F(xiàn)有配電線路架設(shè)過程中，針對高壓輸電路和超高壓輸電路，避雷線一般采用鍍鋅鋼絞線作為原材料進(jìn)行架設(shè)，常用截面一般為25mm2、35mm2、50mm2、70mm2，導(dǎo)線的截面越大，使用的壁壘線截面越大。壁壘線會受到風(fēng)力作用影響發(fā)生震動，而在容易發(fā)生震動的節(jié)點(diǎn)裝置防震錘是一項有效措施。隨著電力事業(yè)的發(fā)展，國際上電力系統(tǒng)發(fā)達(dá)的國家在超高壓線路架設(shè)過程中，開始將良導(dǎo)線應(yīng)用到架空線路的建設(shè)過程中，主要材料是鉛包鋼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線，具有強(qiáng)度高、不生銹、具有良好導(dǎo)電率的優(yōu)點(diǎn)。通過對新材料的有效應(yīng)用可以有效防止雷電過電壓現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

5.2 安裝施工工藝的改進(jìn)

對保護(hù)角的有效控制是增強(qiáng)輸電線路繞擊奈雷性能的有效措施。在線路架設(shè)過程中，采用小保護(hù)角避雷線的監(jiān)控線路，能夠有效降低雷擊導(dǎo)線產(chǎn)生的繞擊故障發(fā)生率。有意識的減少避雷線保護(hù)角，能夠增強(qiáng)避雷線對導(dǎo)線的保護(hù)功能，增大對導(dǎo)線的保護(hù)面積，提高對導(dǎo)線的屏蔽效率。在雷電流的作用下，可以有效減少可能發(fā)生的繞擊電流出現(xiàn)頻率，從而使雷擊跳閘率降低。因此，在安裝施工工藝上應(yīng)當(dāng)利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，將避雷線的保護(hù)角大幅度降低，甚至呈現(xiàn)負(fù)保護(hù)角狀態(tài)，將對預(yù)防繞擊現(xiàn)象發(fā)揮重要的作用。

5.3 嚴(yán)格遵守技術(shù)規(guī)范

在對原有輸電線路的改造過程中，雖然減小保護(hù)角可以有效降低雷擊跳閘發(fā)生概率，但是改造過程將是一項復(fù)雜的工作，需要全面切斷輸電線路，實(shí)施對桿塔結(jié)構(gòu)的改造過程，施工周期比較長、技術(shù)含量高、成本巨大、操作難度較大，所以呈現(xiàn)的總體經(jīng)濟(jì)效益不高。新線路架設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)盡量減小保護(hù)角度，利用先進(jìn)技術(shù)對桿塔進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計。

通過將避雷線外移的方法減小避雷線和導(dǎo)線之間的距離，由于避雷線外移，桿間的應(yīng)力將會隨之增大，桿塔的質(zhì)量和基礎(chǔ)應(yīng)力都會發(fā)生變化，線路的投資成本將大幅度增加。通過將導(dǎo)線內(nèi)移的方法減小保護(hù)角，桿塔的尺寸會隨之減小，輸電走廊也會隨之減小，成本將有所降低。通過增加避雷線高度的方法減小保護(hù)角，需要增設(shè)桿塔設(shè)施，從而提高了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本的投入[4]。所以，在進(jìn)行輸電線路改造或者架設(shè)過程中，理應(yīng)遵循的技術(shù)規(guī)范不可同日而語，一概而論，需要充分研究各地的地理狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及電力需求，選取合適的方式進(jìn)行線路改造和架設(shè)。

6 結(jié)束語

文章針對10kV配電線路的雷電感應(yīng)過電壓特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，根據(jù)雷電感應(yīng)過電壓特性對防止雷電過電壓的具體措施進(jìn)行了闡述，總結(jié)出防止雷電過電壓事故產(chǎn)生的有效方法。希望通過作者的闡述，為電力系統(tǒng)輸電線路改造和架設(shè)提供借鑒，促進(jìn)我國電力事業(yè)的長足穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]甄雄輝.10kV配電線路架設(shè)地線對雷電感應(yīng)過電壓的防護(hù)效果分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015，5（29）：135-136.

[3]邊凱，陳維江，等.配電線路架設(shè)地線對雷電感應(yīng)過電壓的防護(hù)效果[J].高電壓技術(shù)，2013，6（4）：993-999.

[4]唐軍，許志榮，等.高聳建筑群對10kV配電線路感應(yīng)雷雷擊特性的影響[J].電瓷避雷器，2012，5（4）：79-84+90.