雷電對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響及防范研究

陸峰毅 童千秋

1. 寧波市氣象安全技術(shù)中心 浙江 寧波 315000；2. 北侖區(qū)氣象局 浙江 北侖 315800

引言

因電子信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，公眾對(duì)供電穩(wěn)定提出了更高的需求，這也讓電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行變得十分重要。如果電力供應(yīng)突然中斷，不但會(huì)對(duì)城市居民的日常生活質(zhì)量帶來影響，而且會(huì)加大城市工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失，甚至引發(fā)安全事故。目前，雷電對(duì)電網(wǎng)的影響是引起國家電網(wǎng)事故的主要原因之一，雖然近年來對(duì)城鄉(xiāng)電網(wǎng)進(jìn)行了大范圍的整改，但是因雷擊導(dǎo)致配電網(wǎng)發(fā)生跳閘事故依然普遍存在，這嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)的安全運(yùn)行，重視配電線路的防雷措施至關(guān)重要。

1 關(guān)于輸、配電線路的雷電災(zāi)害

國內(nèi)目前多數(shù)5kV到35kV的配電網(wǎng)的配電線路沒有設(shè)置完善的防雷保護(hù)措施，同時(shí)配電網(wǎng)電壓的絕緣水平整體上較低，極易遭受雷擊侵害產(chǎn)生電網(wǎng)的系統(tǒng)故障。首先，對(duì)于直擊雷產(chǎn)生的雷擊過電壓而言，雷電流會(huì)直接作用在電力線路、供配電設(shè)備以及電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)上，這種因瞬間過電壓產(chǎn)生的雷電流可高達(dá)幾十千安，甚至數(shù)百千安，所帶來的破壞力極大，容易造成設(shè)備系統(tǒng)的直接損壞；其次，對(duì)于雷電感應(yīng)所產(chǎn)生的過電壓而言，電壓的幅值一般在300~400kV，這一范圍的過電壓幅值對(duì)35kV及以下的配電線路會(huì)造成閃爍，據(jù)統(tǒng)計(jì)，多數(shù)配電線路的雷電災(zāi)害故障都由雷電感應(yīng)過電壓所引發(fā)的。

1.1 有關(guān)直雷擊產(chǎn)生的危害

直雷擊發(fā)生時(shí)架空輸、配電線的電壓將上升到幾十萬伏特，雷擊點(diǎn)附近的峰值電流可達(dá)到100KA以上，一旦直擊雷作用在配電線路上，極易引發(fā)沖擊閃絡(luò)。當(dāng)發(fā)生因直擊雷導(dǎo)致的過電壓時(shí)，因?yàn)榕潆娋€路的絕緣水平較低，所以很難防止線路出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。但是，直接雷擊中配電線路的概率小，并且在閃絡(luò)后可以通過消弧線圈等整治措施來防止和控制線路閃絡(luò)事故的出現(xiàn)，通常情況下允許這種現(xiàn)象發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電線路因直擊雷過電壓導(dǎo)致的故障較少。因此在配電網(wǎng)中防止直擊雷過電壓并不是最關(guān)鍵的。

1.2 有關(guān)雷電感應(yīng)產(chǎn)生的危害

輸電線路在110kV以上的絕緣水平較高。比如，110kV的輸電線路絕緣子串的子片數(shù)為7片、長度約為1cm，輸電線路的臨界沖擊閃絡(luò)電壓一般高達(dá)700kV，由于導(dǎo)線對(duì)地線的距離及絕緣子串的長度已足夠大，臨界閃絡(luò)電壓值足夠大，一般雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓不至于引起輸電線的閃爍。相對(duì)輸電線路的絕緣水平而言，35kV以下配電線路的絕緣水平較低，配電線路的防雷保護(hù)措施具有一定的特殊性[1]。其中，配電線路在5kV到10kV的絕緣子串片數(shù)只有一片，長度僅有0.1m，配電線路的臨界沖擊閃絡(luò)電壓也只有75kV。而一般雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓幅值在300~400kV之間，相對(duì)于配電線路的絕緣子雷電沖擊而言，因雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓容易發(fā)生閃絡(luò)事故。這種閃絡(luò)不僅會(huì)造成35kV以下線路的跳閘，而且很可能會(huì)擊穿電氣設(shè)備的絕緣。并且雷電感應(yīng)事故的發(fā)生概率極大，因此，配電網(wǎng)發(fā)生的雷電事故中多數(shù)都是因雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓所引起的。

2 關(guān)于架空配電線路的防雷措施

2.1 降低配電線路發(fā)生閃絡(luò)的措施

因雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓的幅值雖然較小，但是因?yàn)殡姎夥烹姷脑?，?dǎo)致雷電感應(yīng)過電壓整體變化較大，因此極易導(dǎo)致電氣設(shè)備的絕緣被破壞。結(jié)合實(shí)際情況來看，配電線路遭受雷擊閃絡(luò)的發(fā)生率、自身的絕緣水平，以及雷電感應(yīng)過電壓這三者之間有一定的關(guān)聯(lián)[2]。通過統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算所評(píng)估的結(jié)果為，全年雷擊的閃絡(luò)次數(shù)是配電線路絕緣子發(fā)生閃絡(luò)次數(shù)的疊加。因?yàn)榕潆娋€路的絕緣子水平過低，同時(shí)線路之間的電氣距離會(huì)影響絕緣子，當(dāng)線路因雷擊發(fā)生損害后，會(huì)造成絕緣子擊穿，同時(shí)在高頻電流的作用下，長時(shí)間的接地電流會(huì)讓氣體產(chǎn)生光、熱游離，使得回路發(fā)生接地，進(jìn)而引發(fā)斷路器出現(xiàn)跳閘事故，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)多回路配電線路同時(shí)發(fā)生跳閘。

因此，為了有效避免這類情況發(fā)生，可將配電線路絕緣外層的電線更換成絕緣導(dǎo)線，如果實(shí)際情況允許，可以適當(dāng)更換高壓絕緣子型號(hào)。在此基礎(chǔ)上，還需增加線路的絕緣子片數(shù)量和電線的絕緣皮等，通過這些保護(hù)措施，可以從各個(gè)方面提高線路的絕緣水平，不僅可以減少配電線路因雷電感應(yīng)過電壓造成的閃絡(luò)次數(shù)，同時(shí)能從很大程度上提高整體配電線路的有效性和安全性。

2.2 架空絕緣線路防雷擊措施

架空絕緣電纜與架空裸導(dǎo)線之間就是架空絕緣導(dǎo)線，這樣可以很好地降低電纜投資和樹、線矛盾。但是因雷電過電壓引發(fā)絕緣閃絡(luò)時(shí)，會(huì)加大工頻電流，高溫電弧會(huì)作用在電纜上，使得絕緣體出現(xiàn)絕緣擊穿，絕緣層會(huì)被灼燒直至脆變，直接降低導(dǎo)線的張力和強(qiáng)度；另外，對(duì)于環(huán)形電弧通道而言，絕緣子閃絡(luò)會(huì)作用在通道上，從而產(chǎn)生絕緣膜針孔，導(dǎo)線表面會(huì)出現(xiàn)裂痕；結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，線路工頻短路電路的平方與電弧弧根的推力是成正比的，在大截面導(dǎo)線張力和重力的影響下，整體導(dǎo)線會(huì)承受很多的作用力[3]。因此，一旦出現(xiàn)以上幾種情況，當(dāng)雷電感應(yīng)過電壓出現(xiàn)時(shí)，整體的架空絕緣導(dǎo)線會(huì)出現(xiàn)開裂，為了可以有效地預(yù)防，可以從架空絕緣導(dǎo)線的斷線機(jī)理入手。

首先，因?yàn)檩?、配電線路應(yīng)用接閃桿起到了較好的防雷效果，所以在架空絕緣線路上也可安裝接閃桿，大大降低直擊雷對(duì)線纜的影響。同時(shí)，對(duì)于避雷器的選擇，可以應(yīng)用目前應(yīng)用的較為廣泛的金屬氧化物避雷器。實(shí)際安裝的位置可以在輸電線路中重要的設(shè)備上，例如，配電變壓器、隔離開關(guān)、高壓電纜等，進(jìn)而從各個(gè)方面對(duì)配電線路進(jìn)行全方位地保護(hù)；其次，重視局部線路，為了有效提高輸電線路絕緣子的放電壓，可以使用架空絕緣導(dǎo)線重點(diǎn)加強(qiáng)線路局部的絕緣水平，對(duì)固定處線路進(jìn)行絕緣加厚處理；最后還應(yīng)重視電力系統(tǒng)中的并聯(lián)間隙，讓線路絕緣子的沖擊電壓小于并聯(lián)間隙的放電電壓，這樣可以有效避免絕緣體被擊穿。

2.3 并聯(lián)間隙與避雷器相互配合保護(hù)整體線路

目前，最直接且有效保護(hù)架空配電線路的措施，就是安裝避雷器，但是對(duì)線路使用避雷器時(shí)，不但實(shí)際投入的資金、成本較高，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行后期維護(hù)時(shí)較為困難。因此，需要結(jié)合實(shí)際情況，在架空配電線路的重要設(shè)備和雷害事故的多發(fā)位置上，安裝避雷器，例如桿塔基礎(chǔ)、柱上負(fù)荷隔離開關(guān)等[4]。另外，還需科學(xué)合理地設(shè)計(jì)并聯(lián)間隙，讓其與架空配電線路所安裝的避雷器可以相互配合。對(duì)并聯(lián)間隙進(jìn)行保護(hù)，需要從兩個(gè)方面入手，一方面應(yīng)按照線路的絕緣耐受操作過電壓的導(dǎo)則，來進(jìn)行設(shè)計(jì)保護(hù)間隙，在電力系統(tǒng)的預(yù)測(cè)下，可以有效防止操作過電壓出現(xiàn)；另一方面在設(shè)計(jì)保護(hù)間隙距離時(shí)，當(dāng)架空輸電線路雷擊閃絡(luò)時(shí)，讓其可以第一時(shí)間捕獲到電弧的根部，把故障電流分辨出來同時(shí)將其引進(jìn)大地，讓電弧可以最大限度遠(yuǎn)離線路絕緣子的表層，可以很好地對(duì)線路導(dǎo)線和零部件進(jìn)行有效保護(hù)。另外，在線路的配電網(wǎng)上安裝防雷保護(hù)間隙，還可以防止絕緣線路因雷擊影響，自身出現(xiàn)損害的情況，同時(shí)能在最大限度上避免絕緣子的爬弧時(shí)間和距離過長，而出現(xiàn)灼傷，進(jìn)而幫助架空輸電線路提高重合閘成功率。

2.4 使用合理的中性點(diǎn)運(yùn)行方式

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式，與架空配電線路的間隙建弧率之間存在一定的關(guān)聯(lián)，結(jié)合有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，使用科學(xué)合理的中性點(diǎn)運(yùn)行方式，能夠科學(xué)地控制線路雷擊建弧率。對(duì)于中性點(diǎn)運(yùn)行方式的選擇，可以從以下幾點(diǎn)入手。首先可以在配電線路中利用消弧線圈接地，這種中性點(diǎn)運(yùn)行方式，能讓配電網(wǎng)單相接地電流，可以第一時(shí)間在自動(dòng)補(bǔ)償裝置中獲取自己所需的電流，配電網(wǎng)中的足夠電流會(huì)促使接地電弧快速熄火，自動(dòng)補(bǔ)償裝置對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償后，會(huì)將殘留的電容電流控制在一定范圍內(nèi)，讓其低于熄弧的臨界值，有利于接地電弧的熄滅，同時(shí)降低了線路的雷擊建弧率。

其次，如果實(shí)際情況允許，可以安裝自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈成套裝置。根據(jù)長時(shí)間的實(shí)踐結(jié)果表明，如果配電網(wǎng)中的電容電流高于10A，那么安裝自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧線圈成套裝置，可以降低殘留的電容電流，讓其低于10A，能有效避免單相弧光接地過電壓，這也是通過長期的不斷實(shí)踐，所總結(jié)出來最有效控制單相弧光接地過電壓的措施；最后需要根據(jù)配電網(wǎng)中不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，選擇相對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)運(yùn)行和接地方式[5]。對(duì)于架空輸電線路而言，使用科學(xué)合理的消弧線圈，在架空線路和電纜線路混合時(shí)，如果電纜電線的長度占總長的48%時(shí)，需要謹(jǐn)慎地使用消弧線圈；如果電纜電線的長度占總長的69%時(shí)，需要同時(shí)使用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地和零序保護(hù)，并讓兩者相互配合。

2.5 降低設(shè)備的接地電阻

當(dāng)配電線路正式投入運(yùn)行后，需要降低配電設(shè)備的接地電阻，經(jīng)常使用的降低電阻的方式有兩種，分別是接地體和施加電阻降阻劑。目前應(yīng)用的較為廣泛的就是水平接地體，但是在干旱和高原地區(qū)采用這種方法時(shí)，沒有起到實(shí)質(zhì)性的效果，而且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還會(huì)存在很多問題，例如極易侵蝕土壤、實(shí)際使用期限較短等。因此在使用水平接地體時(shí)，還需配合著施加電阻降阻劑。實(shí)際在使用時(shí)，需要在接地體附近施加膨脹土，這也就加大了接地體的總面積，起到了較好的吸水效果，同時(shí)膨脹土降阻防阻劑會(huì)隨著時(shí)間推移，不斷地進(jìn)行擴(kuò)散，進(jìn)而起到降低整體接地土壤電阻的效果。

從整體來看，電力網(wǎng)系統(tǒng)中最主要的構(gòu)成部分就是配電線路，配電線路的平穩(wěn)運(yùn)行和安全運(yùn)輸，不僅影響著人們的日常生活質(zhì)量，同時(shí)也決定著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的未來發(fā)展。所以需要結(jié)合實(shí)際情況和配電線路的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)配電線路進(jìn)行針對(duì)性的防雷保護(hù)措施，在配電線路中增加防雷的覆蓋面，讓整體配電線路的安裝，可以滿足防雷工作的需求和要求，進(jìn)而保障電網(wǎng)系統(tǒng)可以平穩(wěn)、有效的投入運(yùn)行。