微波塔引發(fā)配電線路雷電事故的分析

劉 博，王清昊，崔 紅，德 穎，苗 繪

(撫順供電公司安全生產(chǎn)部，遼寧撫順113008)

0 前 言

近幾年隨著通訊技術(shù)的提高，通訊設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，為了加強(qiáng)通訊信號(hào)的覆蓋面積，微波塔越建越多，在撫順地區(qū)已建近千基微波塔.由于微波站需要電源，所以一般都建在配電線路附近. 微波塔樣式很多，一般高出建筑物50 ～80 m 不等.

微波塔主要是傳播通訊信號(hào)的，但從大氣過(guò)電壓方面來(lái)看，它與避雷針一樣是一種引雷裝置.當(dāng)雷云從微波塔上方飄過(guò)時(shí)很容易遭受雷擊，一旦微波塔遭受雷擊，可以在比較大的范圍內(nèi)的多個(gè)局部同時(shí)引發(fā)雷電(一般為感應(yīng)雷)過(guò)電壓現(xiàn)象，并且這種感應(yīng)過(guò)電壓可以通過(guò)配電線路等金屬導(dǎo)線傳輸很遠(yuǎn)，致使雷害范圍擴(kuò)大，在距離微波塔附近的線路絕緣子會(huì)因過(guò)高的過(guò)電壓而閃絡(luò)擊穿，有些低壓(380V)的設(shè)備會(huì)因變壓器的正變過(guò)電壓擊穿損壞.

微波塔易遭雷擊事故，但在設(shè)計(jì)、組建以及選址時(shí)只考慮建塔方便性，并沒(méi)有考慮防雷方面的問(wèn)題(微波塔與配電線路的距離等). 隨著微波塔覆蓋面和數(shù)量增多，微波塔附近的配電線路雷電事故也在增多，所以對(duì)微波塔易遭雷擊的原因，以及對(duì)線路造成的后果和防范措施進(jìn)行研究是非常有必要的.

1 配電線路雷電過(guò)電壓的種類

10 kV 配電線路遭受的雷電過(guò)電壓一是直擊雷;二是感應(yīng)雷;三是反擊雷(逆閃絡(luò)). 因配電線路沒(méi)有避雷線、耦合地線及線路避雷器等保護(hù)裝置，再加上絕緣水平低，因此，遭受直擊雷時(shí)根本無(wú)法防護(hù). 因?yàn)橹睋衾走^(guò)電壓的幅值一般較高，高達(dá)數(shù)百kV，雷電流高達(dá)數(shù)十kA，所以直擊雷加載配電網(wǎng)絡(luò)的任何點(diǎn)上，該處的電氣設(shè)備都會(huì)被損壞，并且直擊雷過(guò)電壓的雷擊跳閘率為100%.由于直擊配電網(wǎng)絡(luò)的比例并不高，約占雷電過(guò)電壓事故的9%，所以目前不做10 kV 電網(wǎng)防直擊雷的研究.

感應(yīng)雷過(guò)電壓導(dǎo)致的事故約占91%，因此側(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在防護(hù)感應(yīng)雷過(guò)電壓上. 感應(yīng)雷就是當(dāng)雷電擊在配電網(wǎng)絡(luò)的附近建筑物、樹(shù)木、地面上，通過(guò)電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)使配電線路感應(yīng)出很高的電壓，當(dāng)該感應(yīng)電壓與線路的運(yùn)行工作電壓疊加后，如果超過(guò)絕緣子或電氣設(shè)備的閃絡(luò)耐受電壓時(shí)，絕緣子閃絡(luò)放電，設(shè)備絕緣擊穿，當(dāng)兩相或三相工頻續(xù)流短路接地時(shí)，線路跳閘.

2 微波塔誘導(dǎo)配電線路發(fā)生感應(yīng)雷電事故的原理

當(dāng)雷云(負(fù)電荷)出現(xiàn)在微波塔上空時(shí)，因微波塔高出地面很多，雷云首先使微波塔感生異極性電荷(正電荷)，當(dāng)雷云進(jìn)一步接近微波塔時(shí)，雷云又使微波塔附近的配電線路段感生出大量正束縛電荷(見(jiàn)圖1).

當(dāng)雷云發(fā)展到雷云對(duì)微波塔放電的起始階段，即先導(dǎo)放電階段，由于靜電感應(yīng)，微波塔附近的配電線路段上聚集的束縛正電荷將增多，所以該線路段的對(duì)地電壓就比遠(yuǎn)處線路的對(duì)地電壓高很多. 因此，這些聚集的束縛電荷就會(huì)向線路兩端以很高的速度流動(dòng)，形成2 個(gè)電壓很高的雷電波向線路兩端前進(jìn)(如圖2).

圖1 雷云在微波塔和配電線路上感應(yīng)電荷形式

圖2 釋放束縛電荷后在配電線路上形成的雷電波

這種雷電波因?yàn)槭潜焕自聘袘?yīng)產(chǎn)生的，所以稱為感應(yīng)雷.這種過(guò)電壓稱為感應(yīng)雷過(guò)電壓，該過(guò)電壓幅值通常在200 ～300 kV，最高可達(dá)500 kV.足以使配電的絕緣子或電氣設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)放電.

可以這樣理解，雷云只從線路上方飄過(guò)，在線路上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓不會(huì)對(duì)線路構(gòu)成危害，只有在線路上或線路附近的凸出物上發(fā)生放電才會(huì)危害線路的安全.這是因?yàn)榉烹娏髯?huì)對(duì)線路產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電感應(yīng).在雷擊對(duì)微波塔放電的先驅(qū)階段，由于流注發(fā)展較慢，流注中的電荷對(duì)微波塔附近的架空線路產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電感應(yīng)，一旦雷擊對(duì)微波塔主放電發(fā)生，主放電速度比跳躍式先驅(qū)放電快100 倍.這樣，主放電通道中的正、負(fù)電荷迅速中和，架空線路上的感應(yīng)電荷將轉(zhuǎn)換成強(qiáng)烈的過(guò)電壓沖擊波.

根據(jù)理論分析可知，線路的感應(yīng)過(guò)電壓和微波塔與配電線路的距離有關(guān).

第一類，當(dāng)微波塔與線路S 在65 m 以內(nèi)，微波塔落雷的同時(shí)，會(huì)因線路的引雷作用發(fā)生閃擊線路(多數(shù)發(fā)生雷擊桿塔)，將在線路產(chǎn)生相當(dāng)于“直擊雷”的過(guò)電壓，過(guò)電壓幅值按下式計(jì)算:

其中，I 為雷電流幅值，kA;Z 為配電架空線的波阻抗，400 ～550 Ω.

第二類，如果微波塔與線路200 m ＞S ＞65 m，導(dǎo)線上感應(yīng)雷過(guò)電壓Ug可按下式計(jì)算:

其中，I 為雷電流幅值，kA;hd為導(dǎo)線懸掛的平均高度，m;S 為雷擊點(diǎn)與線路的距離，m.

第三類，微波塔與線路S ＞200 m 范圍內(nèi)的感應(yīng)雷，其過(guò)電壓值可達(dá)100 kV，雷電流在1.5 kA 左右，如此高的感應(yīng)電壓在與線路的運(yùn)行工作電壓疊加后，足以使絕緣子或電氣設(shè)備閃絡(luò)放電(但不會(huì)損壞避雷器).

第一類，微波塔與線路S 在65 m 以內(nèi)產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓，即使很小的雷電流也會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，一般在700 kV 以上，可以損壞一切電器設(shè)備，包括避雷器;第二類，微波塔與線路的距離在200 m ＞S ＞65 m，產(chǎn)生的過(guò)電壓也很高，在500 kV 左右，可以損壞電器設(shè)備，但不包括避雷器;第三類，微波塔與線路在S ＞200 m 范圍內(nèi)，其過(guò)電壓值可達(dá)100 kV. 因此，第一類產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓必定造成絕緣子或電氣設(shè)備閃絡(luò)損壞，第二類和第三類感應(yīng)過(guò)電壓雖然比第一類產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓低，但也足以使絕緣子或電氣設(shè)備的閃絡(luò)放電(但不會(huì)損壞避雷器).

3 微波塔誘導(dǎo)配電線路事故案例

3.1 事故經(jīng)過(guò)

2012 年4 月27 日，撫順地區(qū)雷陣雨，偏北風(fēng)5 ～6級(jí)，對(duì)于重雷區(qū)的上年線在12:10 至14:40，線路走廊附近反復(fù)遭受雷擊.巡視線路的運(yùn)行人員和幾個(gè)上年村的村民證實(shí):在13:10 左右，一條黃色閃電向移動(dòng)公司微波塔擊去，10 kV 上年線路過(guò)流動(dòng)作跳閘.事后運(yùn)行人員從望遠(yuǎn)鏡中看到微波塔的上端(距離頂部0.4 m)有被雷擊的痕跡.同時(shí)發(fā)現(xiàn)上年線路的小寨子移動(dòng)支12#桿變臺(tái)上跌落式開(kāi)關(guān)的橫擔(dān)有雷擊痕跡，A、C兩相避雷器損壞，10 kV 跌落式開(kāi)關(guān)三相跌落，低壓側(cè)計(jì)量裝置嚴(yán)重?fù)p壞，通至微波站的線路停電.

3.2 事故原因分析

3.2.1 移動(dòng)支線變臺(tái)設(shè)備參數(shù)

上年線移動(dòng)支線路電桿為B190-12 型，導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-35 型，絕緣子為PS15 型，一次跌落開(kāi)關(guān)為RW11-200/10 型，避雷器為HY5WS2-17/50TL 型，接地電阻為2.28Ω，變壓器為S11-315/10，低壓配置計(jì)量柜. 距離上年線移動(dòng)支線路電桿33 m 處，建有高70 m 的移動(dòng)公司微波塔.見(jiàn)圖3.

圖3 上年線移動(dòng)支路雷擊痕跡

3.2.2 雷電過(guò)電壓的確定

從微波塔與線路的距離和事故現(xiàn)象分析可以得知，該事故應(yīng)屬于“直擊雷”范疇.通過(guò)計(jì)算推測(cè)出，即使在雷電流相當(dāng)大的情況下，避雷器的放電電流也是在2 kA 以下，而且持續(xù)時(shí)間在數(shù)μs 以下.所以因感應(yīng)雷的能量燒損避雷器的可能性幾乎不存在，雷電引起的避雷器燒損事故，可以認(rèn)為全部是由直擊雷引起的［1］.從12#桿變臺(tái)上跌落式開(kāi)關(guān)的橫擔(dān)雷擊痕跡和微波塔的雷擊痕跡比較，應(yīng)該是微波塔的雷電放電是主通道，由于雷電放電大多數(shù)是多通道和重復(fù)的，因此，微波塔的誘導(dǎo)波及了變臺(tái)橫擔(dān)，發(fā)生副通道雷電(即發(fā)生閃擊)事故.

3.2.3 計(jì)量裝置燒損的原因

該變壓器的容量為315 kVA，變比為10/0.4 kV，繞組間的互電容C12為944 PF，低壓側(cè)對(duì)地電容C2為1239 PF.

為方便計(jì)算，設(shè)避雷器動(dòng)作而沒(méi)有燒毀，則施加在變壓器高壓側(cè)的過(guò)電壓值Ut約為:

式中，Ut為施加在配電變壓器高壓側(cè)繞組的電壓，kV;Ur為避雷器的殘壓，kV;L 為避雷器與變壓器之間沿連接線的距離，m;U 為雷電波的速度，m/μs;I 為通過(guò)避雷器的雷電流，kA.

5 kA(8/20 μs)的雷電波下，10 kV 避雷器的殘壓最大不超過(guò)45 kV，取L=1 μH，di/dt =1.25 kA，則引下線上的壓降為1.25 kA. 取避雷器與變壓器之間的距離L=50 m，u=300 m/μs 則變壓器高壓側(cè)的電壓最大值約為

因?yàn)楸芾灼饕呀?jīng)燒毀，故高壓側(cè)的過(guò)電壓一定大于46.6 kV，為計(jì)算方便取該過(guò)電壓值為50 kV. 配電變壓器高壓側(cè)過(guò)電壓Ut將會(huì)通過(guò)2 種途徑傳遞到低壓側(cè):電磁感應(yīng)、電容耦合.

第1 種電磁感應(yīng):

式中，Ud為感應(yīng)到變壓器低壓側(cè)的雷電過(guò)電壓，kV;K為所用變壓器的變壓比;Z1為變壓器高壓側(cè)線路的波阻抗，Ω，一般取Z1=500 Ω;Z2為變壓器低壓側(cè)線路的波阻抗，Ω，一般取Z2=50 Ω.

由上式可求得Ud=3.67 kV.

第二種電容耦合:

式中:U2為高壓側(cè)通過(guò)電容傳遞到低壓側(cè)的過(guò)電壓，kV;C12為繞組間相互部分電容;3Co為低壓側(cè)三相對(duì)地部分電容.則，在低壓側(cè)得到的過(guò)電壓

通過(guò)上述的計(jì)算分析，高壓側(cè)50 kV 過(guò)電壓傳輸至低壓側(cè)的電壓最大值約為13 kV，由于該變壓器的低壓側(cè)都沒(méi)裝避雷器保護(hù)，所以這一過(guò)電壓導(dǎo)致絕緣薄弱的計(jì)量裝置損壞.

3.2.4 事故總結(jié)

通過(guò)對(duì)損壞的電氣設(shè)備、雷擊放電痕跡等的查看和分析，事故是由于微波塔距離線路較近(33 m)，當(dāng)微波塔遭受雷擊時(shí)，導(dǎo)致上年線移動(dòng)支線路電桿橫擔(dān)遭受閃擊.

從近幾年與微波塔有關(guān)的配電事故可以看出，微波塔對(duì)配電線路很容易引發(fā)各種雷電過(guò)電壓，隨著微波塔數(shù)量的增加，給配電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行帶來(lái)的隱患日益嚴(yán)重，所以應(yīng)該深入了解微波塔與雷電之間的關(guān)系，了解微波塔誘導(dǎo)配電線路生產(chǎn)各種雷電過(guò)電壓的機(jī)理，知曉有效的防范措施，避免微波塔誘導(dǎo)配電線路發(fā)生雷電事故.

4 線路防止微波塔感應(yīng)過(guò)電壓的措施

1)在微波塔附近的線路段(前后6 基桿塔)易擊段裝設(shè)耦合地線.

2)在易擊段的線路絕緣子上逐項(xiàng)安裝帶外間隙線路氧化鋅避雷器，并做符合標(biāo)準(zhǔn)的接地.

3)在易擊段若有線路分段開(kāi)關(guān)或聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，應(yīng)在開(kāi)關(guān)兩側(cè)都必須安裝脫扣式無(wú)間隙氧化鋅避雷器，避免雷電波到達(dá)開(kāi)關(guān)(若是斷開(kāi)后)發(fā)生2 倍波全反射.

4)在易擊段中若有配電變壓器，變壓器高壓側(cè)安裝脫扣式無(wú)間隙氧化鋅避雷器，在低壓側(cè)安裝相應(yīng)電壓等級(jí)的低壓氧化鋅避雷器，以防止正、逆變過(guò)電壓.

5)在易擊段的桿塔上安裝多針引雷器，在出現(xiàn)感應(yīng)電荷時(shí)，多針引雷器的針尖上，首先中和大部分感應(yīng)電荷，以降低感應(yīng)過(guò)電壓，確保絕緣子閃絡(luò)和避雷器無(wú)法擊穿放電和電器設(shè)備.

6)將通流容量5 kA 的避雷器全部更換為10 kA的避雷器.

7)盡可能降低微波塔的接地電阻，同時(shí)要保證微波塔與配電線路有足夠的距離(一般大于60 m)，防止雷電反擊事故的發(fā)生.

5 結(jié) 論

微波塔是通訊必備設(shè)備的同時(shí)又是引雷的設(shè)備.因?yàn)槲⒉ㄋ冀ㄔ诰嗯潆娋€路很近的地方，微波塔很容易誘導(dǎo)配電線路發(fā)生雷電事故.據(jù)近2 年資料統(tǒng)計(jì)，撫順地區(qū)10 kV 配電線路中因雷害事故造成的停電占配電事故的27.2%，而這些事故大多是發(fā)生在微波塔附近.為了確保10 kV 網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行，做好微波塔附近的配電線路的防雷保護(hù)措施是相當(dāng)有必要的，應(yīng)該引起廣大科學(xué)工作者的高度重視.

［1］陳家斌，高小飛. 電氣設(shè)備防雷與接地實(shí)用技術(shù)［M］. 北京:中國(guó)水利電力出版社，2010.

［2］譚 瓊，李景祿，李志強(qiáng).山區(qū)電網(wǎng)防雷技術(shù)［M］.北京:中國(guó)水利電力出版社，2011.

［3］李 鵬.雷電脈沖時(shí)移動(dòng)通信基站影響的研究［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2012.