探讨10 kV配电线路防雷措施研究

摘要:介绍了10 kV配电线路雷击过电压的形式及其危害,对防雷措施进行分析研究,并将研究结果应用到实际配电线路中,给出了提高线路防雷水平的措施。

关键词:配电线路;雷击过电压;防雷措施;防雷水平

中图分类号：U463.62文献标识码：A 文章编号：

据电网故障分类统计表明,在配电线路运行的总跳闸次数中,由于雷击引起的跳闸次数约占总跳闸次数的70%～80%[ 1 ] ,尤其在多雷、土壤电阻率高、地形复杂、档距大的地区,雷击配电线路引起的故障率更高。10 kV配电线路是配电网的重要组成部分,其分布广、绝缘水平低,连接着变电站和众多用户,在雷雨季节,经常因雷害事故导致配电设备和用户设备的损坏,造成大面积停电,严重的情况下甚至造成人身伤亡,给工农业生产带来损失。研究10 kV配电线路防雷措施,提高线路耐雷水平,降低雷击跳闸率,减少配电设备雷击损坏率,确保配电网的安全可靠运行。

110 kV配电线路雷击过电压形式

1. 1直击雷过电压

直击雷过电压是雷云击中杆塔、电力装置等物体时,强大的雷电流流过该物体泄入大地,在该物体上产生的很高的电压降。

1. 2感应雷过电压

感应雷过电压是雷电击线路附近的大地时,在导线上由于电磁感应产生的过电压。感应雷过电压由静电分量和电磁分量构成。静电分量是由先导通道中雷电荷所产生的静电场突然消失而引起的感应电压,其值可以达到很高。电磁分量是由先导通道中雷电流所产生的磁场变化所引起的感应电压。由于主放电通道是和导线相互垂直的,所以两者间的互感不大,即电磁感应不大,因此电磁分量要比静电分量小得多。在感应雷过电压幅值的构成上,静电分量起主要作用。

研究表明, 10 kV架空配电线路由雷击引起线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应雷过电压,配电线路遭受直接雷过电压的概率很小,约占雷害事故的20% ,感应雷过电压导致的故障比例超过80%。因此10 kV配电线路的防雷研究主要针对感应雷过电压。

2感应雷过电压的危害

绝大多数10 kV线路为1～2片绝缘子,由于绝缘水平低,感应雷过电压易导致绝缘子闪络。感应雷过电压同时存在于三相导线,相间不存在电位差,故只能引起对地闪络。目前中国配电网大多采用中性点不直接接地方式,其优点是发生单相接地故障后,允许继续运行0. 5～2 h,不致于引起用户断电,提高了供电可靠性,但随着配电网的扩大,电缆和架空线路的增多,这种方式显示出弊端。当配电网发单相接地故障后,接地电弧不能自行熄灭必然发展成相间短路,造成用户停电和设备损坏事故;当发生断续性弧光接地时,会引起较高的弧光过电压,一般为3. 5倍相电压甚至更高,波及到整个配电网致使绝缘薄弱的设备放电击穿,引起设备损坏和停电事故,还可能引发火灾和爆炸事故。感应雷过电压沿配电线路侵入变电所(站)或配电室内,侵入波过电压易造成设备和人员遭受雷击,若窜入低压系统,将威胁广大的低压用电设备和人员。

3感应雷过电压的计算

由于静电分量是架空线路感应雷过电压防护的主要影响因素,因此在感应雷过电压计算中,应以静电感应电压的计算为主。在过电压计算中可假设:(1)先导通道中的电荷均匀分布; (2)空间电场由先导电荷形成; (3)先导通道中的电荷在主放电时是全部瞬时被中和,主放电通道是垂直向上,不考虑分支。

图1是应用电磁场分析计算感应雷过电压示意图。设雷击点O距架空线正下方地C点的水平距离为S ,导线离地高度为hd。

图1电磁场分析感应雷过电压示意图

通过电磁分析可得[ 2 ] ,线路感应雷过电压为

上面计算的是杆塔正对雷电处导线上的感应雷过电压。导线上距离杆塔中心点为x处的过电压与中心点的感应雷过电压的计算方法相同,只需将式(1)中的S 换为,即

对于导线平均高度为10 m的配电架空线路,若雷击点距离此线路50 m,雷电流幅值为100 kA,无任何保护措施时, 感应雷过电压的最大值约为500kV[ 2 ] 。由于10 kV配电线路的绝缘水平较低,在如此高的过电压下,极易发生绝缘击穿、闪络、断线等事故。因此,必须采取有效措施来抑制感应雷过电压,确保配电网的安全运行。

4引起线路闪络的雷电流与雷击点的关系

设线路杆塔高度为15 m, 线路对地平均高度hd= 11 m,根据规程,在2hd = 22 m宽范围内的落雷均被视为直击雷。当感应雷过电压Ug 超过线路绝缘子50%放电压,即Ug ≥U50%时, 绝缘子将发生闪络,根据式(2) ,引起线路闪络的雷电流应满足：

当线路采用S - 210 /Z瓷横担,其50%放电电压U50% = 210 kV,则在导线高度一定的情况下,最小闪络电流Imin (简称闪络电流)为：

图2闪络电流与击距S的关系图

闪络电流与S 及x的关系曲线如图2所示。可见,当x一定时,随着S 的增大,引起线路闪络的雷电流幅值增大。当S 一定时, 随着x的增大, 线路发生闪络的雷电流幅值增大。即雷击点越远, 击距越大,引起线路闪络的雷电流幅值越大。

由于式(4)中S和x的对称性,闪络电流仅与雷击点与杆塔中心的相对距离有关,与雷击点的具置无关。

510 kV配电线路防雷措施研究

5. 1线路防雷水平与电杆高度关系

图3闪络电流与电杆高度关系图

当线路采用不同高度的电杆时,线路的防雷水平见图3所示。可见, 电杆高度越高,同样的击距下,闪络电流将越小。因此要提高线路的防雷性能,在满足电网安全运行的条件下,应尽量选择高度小些的电杆。

5. 2线路防雷水平与线路绝缘水平的关系

图4闪络电流与绝缘水平关系图

当线路分别采用不同等级的绝缘子S - 280 /Z、S- 210 /Z、S - 185 /Z时,线路的防雷水平见图4所示。可见,线路绝缘水平越低,同样的击距下,闪络电流越小。因此,要提高线路的防雷水平,应加强线路的绝缘水平。

5. 3避雷器的作用

在配电线路上安装避雷器来防护雷电过电压是世界各国广为采用的一种方法。线路安装避雷器后,当雷击杆塔, 雷电流产生分流,一部分雷电流通过杆塔流入大地,当雷电流超过一定值后,避雷器加入分流,大部分雷电流通过避雷器流入导线,传播到相邻杆塔。若线路遭受感应雷过电压,雷电流沿线路向导线两侧传播,当雷电流超过一定值后,线路避雷器加入分流,大部分雷电流通过避雷器流入大地。线路避雷器与绝缘子并联,具有良好的钳位作用,避雷器的残压低于绝缘子串50%放电电压,即使雷击电流增大,避雷器的残压仅稍有增加,绝缘子仍不致发生闪络。这也是线路避雷器防雷的重要特点。雷电流过后,流过避雷器的工频续流仅为微安级,流过避雷器的工频续流在第一次过零时熄灭,线路断路器不会跳闸,系统恢复到正常状态。

6提高10 kV防雷水平的措施

6. 1更换线路绝缘子

将现有线路绝缘子S - 210 /Z更换为高一级的绝缘子S - 280 /Z,见表1所示。可见,更换以后,无论何种击距,线路防雷水平均可提高33%。

表1更换绝缘子前后线路的防雷水平

6. 211号杆更换为12 m杆

将原15 m的11号杆更换为12 m杆,更换前后线路的耐雷水平如表2所示。可见,更换以后,无论何种击距, 11号杆处防雷水平均可提高15%。

表211号杆高度更换前后防雷水平的变化

6. 3安装线路避雷器

某城区避雷器安装数量很少,每相隔15～17基安装一组MOA,不能很好地对线路起到防雷保护作用。建议在原有安装避雷器的基础上,在特别高的杆塔11号杆、带拉线的杆塔16号杆及终端杆处各安装一组MOA,在其余线路每隔6～7基杆增加一组线路避雷器,以提高该线路的防雷水平。

参考文献

[ 1 ] 曾海涛,郇嘉嘉,黄少先. 高压配电网10 kV大企线路的防雷[ J ] . 机电工程技术, 2008, 37 (6) : 110 - 112.

[ 2 ] 陈中明,郑楚韬. 配电网架空线路感应雷过电压产生机理与防护[ J ] . 广东电力, 2008, 21 (5) : 19 - 22.

[ 3 ] 赵莲清, 李月乔, 刘向军. 传输线路感应雷防护计算方法的研究[ J ] . 现代电力, 2009, 21 (6) : 51 - 55.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。