配電線路防雷措施及保護(hù)效果分析

沈陽工程學(xué)院 陳詩琦 高振國

配網(wǎng)線路絕緣子在直擊雷過電壓或感應(yīng)雷過電壓作用下均可能發(fā)生閃絡(luò)。閃絡(luò)的發(fā)生與諸多因素有關(guān)，例如與感應(yīng)雷或者直擊雷過電壓有關(guān)，并且不同因素產(chǎn)生的影響是不同的，而閃絡(luò)則是導(dǎo)致線路跳閘的重要原因。特別是在閃絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電弧之后，則更容易發(fā)生此問題，所以需要重視對(duì)于閃絡(luò)的分析，明確其出現(xiàn)的根源以及產(chǎn)生的影響。但是在實(shí)際中，大部分雷擊故障與感應(yīng)雷過電壓有關(guān)，而架空線路基本不會(huì)受到直擊雷的影響。結(jié)合上述分析，防雷擊的主要對(duì)象是感應(yīng)雷過電壓，需要對(duì)此設(shè)計(jì)針對(duì)的防范對(duì)策。

架空線路感應(yīng)雷過電壓防護(hù)一般可以從降低、限制兩個(gè)兩個(gè)方面開展相關(guān)的工作。當(dāng)前在此領(lǐng)域的研究較多，很多學(xué)者從上述兩個(gè)角度開展了具體的研究工作，但是大部分研究中主要從第二個(gè)角度設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的防護(hù)策略。例如可以采用避雷器等設(shè)備，或者是強(qiáng)化線路絕緣等。一般需要結(jié)合具體的線路設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的防雷對(duì)策，以保證達(dá)到更佳的效果。

從有效降低線路感應(yīng)雷過電壓的技術(shù)角度對(duì)供電線路上的感應(yīng)電擊雷發(fā)生過電壓事件進(jìn)行綜合防護(hù)，其主要防護(hù)措施之一是在線路配套的網(wǎng)線和架空供電線路上同時(shí)安裝"感應(yīng)雷屏蔽線"，即避雷線。通常用戶可直接參照110kv以上聯(lián)網(wǎng)架空避雷線路安裝防雷線的保護(hù)設(shè)計(jì)方案，在其他配套聯(lián)網(wǎng)后的架空避雷線路上直接安裝架空避雷線。

以下主要從線路絕緣水平、安裝線路避雷器以及架設(shè)避雷線的角度分析對(duì)架空線路感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)效果。

1 提高線路絕緣水平

為了有效地解決雷擊線路跳閘問題，可以采用加強(qiáng)線路絕緣的方式，這種方式的應(yīng)用效果比較明顯，廣泛應(yīng)用到了實(shí)際工程領(lǐng)域中。從具體實(shí)施上來看有兩個(gè)方面，其一是提高絕緣子數(shù)量；其二是利用架空絕緣導(dǎo)線、瓷橫擔(dān)等方式直接替換裸導(dǎo)線。相同條件線路雷擊絕緣能力水平相同條件下，采用瓷橫擔(dān)可以有效率地降低不同線路受到雷擊導(dǎo)致跳閘的概率。提高輸電線路的裸絕緣技術(shù)水平，可以提高線路在直擊雷和感應(yīng)雷過電壓下的防雷性能。

參照有關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，增強(qiáng)絕緣性，有助于改善在兩種過電壓情況下的防雷效果。受到雷電過電壓的影響，耐雷水平與絕緣子片數(shù)存在正相關(guān)的關(guān)系，在建弧率降低之后有助于減小跳閘事故的發(fā)生。研究表明，絕緣子內(nèi)片的數(shù)量直接影響到線路性能高低，一般可以通過線性關(guān)系進(jìn)行描述，增加絕緣子有助于達(dá)到更高的耐雷水平，可以將跳閘率控制在較低的水平。

2 線路避雷器保護(hù)分析

對(duì)于三相供電系統(tǒng)而言，在三相導(dǎo)線內(nèi)同時(shí)存在感應(yīng)雷過電壓，并且其幅值以及波形特征基本是一致的。就此情形下，在感應(yīng)雷過電壓的作用下，很大幾率出現(xiàn)三相同時(shí)對(duì)地閃絡(luò)的問題。仿真結(jié)果表明，安裝線路避雷器后，在感應(yīng)雷作用下，架空線路沿線過電壓水平主要由避雷器的安裝密度和桿塔接地電阻決定。

桿塔線路接地時(shí)的電阻越大，線路保護(hù)避雷器的線路保護(hù)避雷范圍越小，為了能夠取得較好的線路保護(hù)避雷效果，需要增加避雷器的安裝密度。在設(shè)置避雷器時(shí)需要考慮到對(duì)桿塔接地電阻大小，二者應(yīng)該保持正相關(guān)的關(guān)系，即安裝密度應(yīng)該隨著接地電阻的增大而合理增大。另外，在利用絕緣導(dǎo)線的情況下也需要適當(dāng)降低安裝密度。

3 避雷線保護(hù)分析

對(duì)于架空線路而言，在其上進(jìn)行避雷線的安裝過程中，由于會(huì)被其本身的屏蔽性所影響，因而會(huì)造成感應(yīng)過電壓明顯減小，實(shí)際上在兩個(gè)電壓疊加之后形成了感應(yīng)過電壓幅值，具體形式如下所示：

在上述公式內(nèi)：U表示幅值，-U表示幅值相同，方向相反；Kc為避雷線與導(dǎo)線間的耦合系數(shù)，該系數(shù)與多個(gè)因素有關(guān)。其中導(dǎo)線位置以及尺寸是影響Kc的主要因素，如果導(dǎo)線之間的距離較大，則Kc較小，而感應(yīng)過電壓較大。

避雷線與雷電導(dǎo)線間互波耦合阻抗系數(shù)約為kc，也可以用避雷線間互波阻抗系數(shù)表示。具體信息如圖1、圖2所示。

圖1 多導(dǎo)線及其鏡像

圖2 避雷線安裝位置示意圖

圖1中，導(dǎo)線k與j間的互波阻抗Zkj為：

在上述公式內(nèi)：Djk為導(dǎo)線k與j的鏡像間距離；dkj為導(dǎo)線k與導(dǎo)線j間的距離。

安裝線路避雷線后，線路上的感應(yīng)絕緣雷擊通過電壓顯著下降，耐雷性能水平顯著提高，線路感應(yīng)絕緣子件的閃絡(luò)損壞概率、雷擊線路跳閘率均顯著大幅下降，因此，安裝避雷線可以對(duì)感應(yīng)雷過電壓進(jìn)行有效的限制。用于雷電感應(yīng)屏蔽雷電的過電壓電阻防護(hù)的雷電避雷線對(duì)于接地穩(wěn)壓電阻防護(hù)可以完全不作任何嚴(yán)格要求，只要能夠取得地面的電位，能達(dá)到起屏蔽雷電作用就已經(jīng)可以了，這與一般避雷線接地防護(hù)在垂直擊雷時(shí)對(duì)導(dǎo)電桿塔上的接地穩(wěn)壓電阻的嚴(yán)格要求可以有所很大不同。

4 自動(dòng)重合閘與線路防雷保護(hù)

經(jīng)驗(yàn)研究證明，架空電纜輸電線路上的一次雷擊放電故障，約80%以上的都是瞬時(shí)性的。輸電電纜線路直接電纜遭受閃電雷擊時(shí)，線路上的絕緣子在較大雷電的通過電壓下也會(huì)發(fā)生的雷電閃絡(luò)，此時(shí)線路絕緣只是暫時(shí)的失去其絕緣性能，在大多數(shù)的情形，弧道電離消除的時(shí)間不超過0.2-0.3s，經(jīng)此時(shí)間之后，線路絕緣即完全恢復(fù)其電氣強(qiáng)度，并允許在正常的運(yùn)行電壓下重新合閘。在雷擊故障跳閘和自動(dòng)重合之間的時(shí)間間隔很短，即故障停電的時(shí)間很短，因此對(duì)各種用電設(shè)備的正常工作，幾乎都不會(huì)感到有什么影響，從而大大限制了雷擊故障范圍的擴(kuò)大，消除了可能造成的停電事故。

從研究統(tǒng)計(jì)得出，一般架空輸電線路上，有超過一半的瞬時(shí)性短路故障，可以通過自動(dòng)重合閘使供電不間斷。而且，從經(jīng)濟(jì)的角度來考慮，安裝一套自動(dòng)重合閘所需要的費(fèi)用與停電可能造成的經(jīng)濟(jì)損失相比是較小的，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較好，所以，裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置自動(dòng)重合閘是防雷保護(hù)工作中的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。

5 防雷措施保護(hù)效果的影響因素分析

（1）環(huán)境因素

架空配電線路分布廣泛，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線路遭雷擊時(shí)，其雷電過電壓類型將受到外界的環(huán)境因素影響。

對(duì)于主要分布在城區(qū)的這些架空配電系統(tǒng)線路，線路附近大多可能存在線路樹木或其他建筑物，線路平均桿塔高度約設(shè)定為10m，樹木和其他建筑物的高度將不會(huì)超過其他線路或橋桿塔高度，由于線路樹木和其他建筑物的雷電屏蔽保護(hù)作用，雷電一般上都不會(huì)直接接觸擊中這些架空電力輸電系統(tǒng)線路或橋的桿塔，線路上遭受直接沖擊雷電力作用的放電概率相對(duì)較小，一般由于雷擊而放電引起的線路故障大多可能是雷電感應(yīng)器的雷電超過電壓所導(dǎo)致造成。這一情況下，必須要立足于阻擋感應(yīng)雷過電壓的層面入手來開展防雷保護(hù)工作，例如可以在合適的位置設(shè)置避雷器，有助于減小跳閘率。

如果架空線路處于容易受到雷擊的區(qū)域，例如在河谷或者山地等區(qū)域中，相比于城市區(qū)域而言，線路落雷的幾率更高，原因就在于其周邊環(huán)境中很少存在植物或是建筑物能夠產(chǎn)生屏蔽作用，基于感應(yīng)雷過電壓，可以采取綜合性的措施，例如強(qiáng)化線路絕緣，設(shè)置避雷線等辦法，均能夠有效提升防雷保護(hù)能力。

（2）土壤電阻率和桿塔接地電阻

配電站的架空傳輸線路沿線桿塔土壤接地電阻和功率將不會(huì)影響接地感應(yīng)電阻雷達(dá)通過電壓的最大幅值，另外，桿塔的土壤接地感應(yīng)電阻也可能會(huì)直接受到沿線土壤接地電阻和功率的很大影響。通常，土壤電阻率越大，桿塔的接地電阻變大，從而影響線路防雷保護(hù)效果。對(duì)于土壤電阻率過大，桿塔接地電阻不能滿足防雷保護(hù)要求的區(qū)域，需要采取相應(yīng)措施降低土壤電阻率，減小桿塔接地電阻。