電力配電網(wǎng)的防雷接地設(shè)計相關(guān)問題的分析

易明 張啟 蘇志泳

摘 要：隨著我國用電需求的不斷增加，對配電網(wǎng)系統(tǒng)安全的要求也越來越高。配電網(wǎng)的防雷是電力系統(tǒng)安全工作中的重要環(huán)節(jié)，防雷接地技術(shù)是實現(xiàn)配電網(wǎng)防雷措施的關(guān)鍵。本文分析了配電網(wǎng)雷電災(zāi)害發(fā)生的主要原因，提出了配電網(wǎng)防雷接地設(shè)計的相應(yīng)措施，旨在使配電網(wǎng)防雷工作更上一層樓。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；雷害；防雷；接地設(shè)計

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0073-02

引 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，對配電網(wǎng)供電穩(wěn)定性性要求越來越高，隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，由雷電引起的跳閘、停電事故也日益增多。為了確保電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保證電力傳輸，需要對高壓電網(wǎng)雷害事故發(fā)生的原因分析，了解高壓輸電線路防雷接地措施的缺陷和存在的問題，在設(shè)計階段著力解決這些問題，對提高電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，提高供電的可靠性具有重要意義。

1 配電網(wǎng)雷電分析

1.1 雷電的產(chǎn)生

由帶電雷雨云引起的放電稱為雷電放電[1]。在一定的大氣條件下，熱流到大氣中冷卻，凝結(jié)形成一個雷云，雷電云最底部帶負電的大氣層，在地面上強大的感應(yīng)正電荷，所在雷雨云和地球之間有一個強大的電場，當(dāng)空間電場強度大于自由大氣放電的臨界電場強度時，雷雨云之間發(fā)生放電，或雷雨云形成閃電放電到地面。

1.2 電網(wǎng)系統(tǒng)的感應(yīng)電流

在雷雨天氣中，雷電在電網(wǎng)系統(tǒng)中誘發(fā)電流，特別是在高壓輸電線路架空導(dǎo)線中。當(dāng)雷雨云向地球放電時，高壓導(dǎo)體中的電荷可以擺脫內(nèi)部約束，由束縛電荷變?yōu)樽杂梢苿与姾桑岳纂姏_擊波的形式驅(qū)動到配電網(wǎng)系統(tǒng)。當(dāng)雷云在地球上放電時，高壓導(dǎo)線中的電荷可以擺脫內(nèi)部約束，從束縛電荷變?yōu)樽杂梢苿与姾?，并以雷電的形式傳輸?shù)脚潆娋W(wǎng)系統(tǒng)。此時，電荷的運動產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體中的電阻產(chǎn)生感應(yīng)雷擊電壓，雷擊電壓大到足以對電力設(shè)施造成巨大破壞。

1.3 雷害的形成過程

配電網(wǎng)系統(tǒng)遭遇雷害一般需要經(jīng)歷如下幾個過程[2]：①配電網(wǎng)尤其是處于高壓部分的配電系統(tǒng)過電壓是被閃電擊中后產(chǎn)生的；②配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生閃絡(luò)；③配電網(wǎng)從閃絡(luò)逐漸恢復(fù)到工頻電壓；④供電線路發(fā)生跳閘，配電網(wǎng)出現(xiàn)故障。

1.4 配電網(wǎng)雷電事故

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)運行的載體和基本保證，其安全穩(wěn)定是電力系統(tǒng)建設(shè)的必然要求，是確定供電工作正常運行的根本保證[3]。在電網(wǎng)的運行中，由于人為和環(huán)境因素如損壞、老化、安裝、使用不當(dāng)?shù)仍蛟斐膳潆娋W(wǎng)設(shè)備損壞，頻繁停電。其中最常見的是雷擊事故，直接造成停電事故頻發(fā)。目前，配電設(shè)施雷電防護的重要性已引起我國供電部門的高度重視，并得到了進一步的分析，研究得出在電網(wǎng)線路和設(shè)備上安裝避雷器等防雷設(shè)施，一定程度上減少了配電網(wǎng)雷擊的發(fā)生。但從配電網(wǎng)的實際運行情況來看，安裝防雷設(shè)備并沒有從本質(zhì)上解決雷擊問題。即使是一些裝備有防雷設(shè)施的設(shè)備，在遭受雷擊時也有可能受到破壞，影響配電網(wǎng)運行安全。通過深入研究和分析，配電網(wǎng)雷電事故的主要原因是避雷器接地、配電網(wǎng)避雷器安裝問題、配電網(wǎng)設(shè)計與運行與防雷的沖突、防雷設(shè)備性能、運行維護延遲等。

2 防雷分析

2.1 防雷原理及重要性

接地裝置是配電網(wǎng)接地防雷的主要技術(shù)部分。閃電產(chǎn)生強大的電流，對電力設(shè)備產(chǎn)生危害，通過接地裝置是必要的，強大的電流，使整個配電網(wǎng)的安全受到威脅。如何解決的基本原理是使用接收的動力裝置或避雷接地裝置連接到地面。

閃電是我國主要的自然災(zāi)害之一。災(zāi)害造成的損失和破壞，每年都是非常嚴重的。今天，隨著城市的發(fā)展，城市人口密度繼續(xù)迅速增長，這將進一步擴大雷電對我們所帶來的災(zāi)難。因此，我們應(yīng)建立防雷接地，以確保人民的生命和財產(chǎn)。

2.2 防雷裝置的主要構(gòu)成

一般來說，配電網(wǎng)的防雷保護裝置由三部分組成：①避雷裝置，通常用金屬螺栓保持避雷針；②接地裝置與接地的金屬導(dǎo)體接收；③射線裝置的核心。

2.3 防雷接地施工常見的問題

①在配電網(wǎng)防雷的過程中，經(jīng)常會遇到一些問題。這些問題往往引起施工人員和相關(guān)專家對接地工程的重視不足；②接地線、雷電帶和平均壓力的長度不足，接地裝置的填充深度不足，接地導(dǎo)線未經(jīng)腐蝕處理；③防雷裝置，螺栓連接件加工不合格；④插座安裝不合格。

3 電力配電網(wǎng)防雷接地方法分析

①配電網(wǎng)線路防雷等級；②配電網(wǎng)閃電跳閘率，是衡量配電網(wǎng)防雷性能的兩個指標。配電網(wǎng)線路的防雷水平越高，雷擊跳閘率越低，配電網(wǎng)線路的防雷性能越好。因此，提高防雷水平，降低雷擊跳閘率是防雷研究的兩個重要途徑。在確定配電網(wǎng)的防雷方式時，系統(tǒng)的操作模式，系統(tǒng)的電壓水平和重要電路，配電網(wǎng)線路通過地區(qū)的地形和地貌特征，閃電活動的強度和土壤電阻率的水平應(yīng)該全面考慮，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果，采取了合理、適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施。

3.1 電磁感應(yīng)式接地裝置的增強

根據(jù)閃電閃絡(luò)理論，增加耦合系數(shù)、減少電感和接地電阻是提高雷電抗閃絡(luò)水平的重要手段[4]。傳統(tǒng)上，藕合系數(shù)的增加只能通過耦合地線或架空地線來實現(xiàn)。因為雷擊過程包括暫態(tài)行波過程和穩(wěn)態(tài)電磁感應(yīng)過程，因此，改善接地裝置的分布是提高耦合系數(shù)的途徑。現(xiàn)在500Ω·m可以使用增強的電磁感應(yīng)桿塔接地射線，如圖1所示。這是一種新型的桿塔接地結(jié)構(gòu)，可以增強桿塔抗陡波和雷擊的能力。ρ>1000Ω·m根據(jù)具體情況可選擇圖1或圖2的加固接地裝置結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的延伸地線相比，電磁耦合系數(shù)較大，可以提高線路的抗雷水平。與傳統(tǒng)的延伸地線相比，電磁藕合系數(shù)較大，可以提高線路的抗雷水平。

3.2 設(shè)置垂直接地電極

在土壤電阻率較高的山區(qū)，可適當(dāng)增加埋深0.7m。同時，為了確保接地電極具有良好的擴散效應(yīng)，當(dāng)遇到陡坡地形，垂直表面深度應(yīng)被視為計算深度，以防止在表面由于各種不利因素如洪水侵蝕等等，接地射線暴露在地面，正常散流損失。

垂直接地極作為接地的補充措施，可以改善高土壤電阻率地區(qū)干燥土壤的不良接地。當(dāng)設(shè)置垂直接地電極時，需要設(shè)置在靠近桿塔的位置。水泥桿塔的垂直接地極應(yīng)設(shè)置在塔4m的左右兩側(cè)，而鐵塔可設(shè)置在6m的左右兩側(cè)。垂直接地電極的長度可從1.5m左右選擇，兩桿之間的間距可控制5m左右，可以用圓鋼、角鋼加工。

3.3 接地射線防護

隨著接地裝置使用壽命的逐漸增加，接地引線可以采用特殊的防腐處理。我們需要的是具有較大橫截面？準12～？準14的圓鋼作為接地電極，具有熱縮管保護作用，地面以上30～50cm至地面以下100cm為防護的范圍，如圖3。

4 配電網(wǎng)接地設(shè)計

所有的防雷針和各類防雷保安器的防雷作用都是閃電電流通過接地系統(tǒng)進入地球而起到防雷效果的。由此可見，可靠的配電網(wǎng)建設(shè)，防雷系統(tǒng)建設(shè)是最重要和最基本的任務(wù)，配電網(wǎng)防雷系統(tǒng)避雷器接地設(shè)計對配電網(wǎng)的建設(shè)提出了更高的要求。

4.1 配電網(wǎng)防雷建設(shè)接地設(shè)備要求

作為配電網(wǎng)地上與地下鏈接的設(shè)備，首先要求接入網(wǎng)的設(shè)備以及其配套設(shè)備的正常不帶電的，并且所有的金屬部件均應(yīng)做保護接地，接地線的電氣連接部件不能由其他設(shè)備代替。同時，屏蔽電纜屏蔽層的兩端和電纜外導(dǎo)體的兩端應(yīng)保證與所連接設(shè)備的金屬外殼的外表面有良好的電氣接觸。

4.2 配電網(wǎng)接地電極和導(dǎo)電材料的防雷要求

若電纜是不正常的，在電力配電網(wǎng)使用過程中對環(huán)境會產(chǎn)生不良的影響。我們通常使用多股銅絲或鋼絞線作為電網(wǎng)的引線連接，從接地體到豎桿的接地線不要太長，并預(yù)留一部分長度作為接地段接卡或端子，應(yīng)該盡量避免埋置污水管和排水渠，以避免接地網(wǎng)線對其造成不利影響。接地螺栓處理結(jié)構(gòu)，主要為鋼鋅作為接地的導(dǎo)體材料。這種材料不僅具有良好的耐腐蝕性和電導(dǎo)率，并不會影響環(huán)境。

4.3 對系統(tǒng)連接部位的處理

在反雷達系統(tǒng)通常連接到一個部分，這是非常重要的。如果不正確的連接，在系統(tǒng)中不正確的拉螺栓，會導(dǎo)致接地與防雷系統(tǒng)存在嚴重危害人類的生命。所以，在安裝完成后，需要檢查，以保證螺栓在地下結(jié)構(gòu)。

4.4 接地裝置的防腐問題

因腐蝕而導(dǎo)致的接地裝置不能滿足接地的短距離電流的穩(wěn)定性。接地裝置主要由電纜插槽中的接地和連接伏特、焊接頭、壓力帶和水平接地構(gòu)成。為了構(gòu)筑接地和拔出線，使用電鍍鋼。連接螺絲并購買優(yōu)質(zhì)的鋅泥，每年檢查一次，生銹應(yīng)該馬上換。接地體的連接應(yīng)焊接，焊接部位具有非常強的強度。有缺陷區(qū)域的話，應(yīng)該涂上防銹的漆。降低了相對濕度，解除了電化學(xué)的腐蝕的影響。

4.5 配電網(wǎng)防雷建設(shè)地點要求

地網(wǎng)建設(shè)地點應(yīng)選擇應(yīng)該基于滿足接地電阻要求、節(jié)約成本的基本原則，一般選擇在距電能表箱周圍較近的潮濕和土壤電阻率較低的地方，并且盡量避開干燥、有腐蝕性的物質(zhì)。

4.6 配電網(wǎng)防雷接地設(shè)計要求

接地體應(yīng)與金屬物體或電纜保持一定距離，或作為電路與金屬連接。為了避免擊穿事故的發(fā)生，接地體埋深應(yīng)大于0.6～0.8m，為了滿足雷電放電的對稱性效應(yīng)，應(yīng)盡量與接地引線對稱安裝。

4.7 配電網(wǎng)中電表接地防雷方法的要求

最后，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r選擇接地方式，盡量選擇傳統(tǒng)的節(jié)約成本的方法。此外，我們還應(yīng)該根據(jù)施工的實際情況，選擇不同的地網(wǎng)形狀，以滿足配電網(wǎng)防雷設(shè)計的合理要求。

5 結(jié)束語

雷擊事故是配電網(wǎng)故障的主要原因之一，對電力系統(tǒng)供電的可靠性帶來了嚴重威脅。本文首先介紹雷電形成原因、雷擊事故發(fā)生緣由分析，然后介紹了幾種配電網(wǎng)防雷接地幾種方法，最后指出配電網(wǎng)防雷設(shè)計中需要注意的問題。對電力配電網(wǎng)防雷設(shè)計提供了可行的防雷接地方法和設(shè)計配電網(wǎng)防雷系統(tǒng)中應(yīng)注意的問題具有參考性。同時，雷害事故問題還是十分嚴峻，需要進一步加強研究和認識防雷的重要性，并運用科學(xué)有效的方法，結(jié)合實際工作對配電網(wǎng)接地進行有效設(shè)計，以保證配電網(wǎng)防雷的可靠性。

參考文獻

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收稿日期：2018-9-9