【摘 要】經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)雷過電壓是導(dǎo)致配電網(wǎng)10kV架空線路產(chǎn)生線路故障和絕緣子閃路的主要原因，故障率可以占到90%。為了使配電線路的可靠性得到提升并使線路防雷設(shè)計(jì)有清晰的參考依據(jù)，本文對(duì)配電線路感應(yīng)雷過電壓計(jì)算和防護(hù)的研究很有必要。

【關(guān)鍵詞】配電線路；感應(yīng)雷過電壓；防護(hù)措施

1.雷電放電過程及雷電流

1.1雷電流的物理過程

在運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)烈的對(duì)流云中，當(dāng)云體處在零攝氏度一下時(shí)，會(huì)出現(xiàn)冰晶和過冷水滴共存的現(xiàn)象，冰晶之中存在著大量的自由離子，有的帶正電，有的帶負(fù)電。在溫度升高之后，正負(fù)離子的濃度會(huì)不斷加大，如果在冰晶的兩端溫差穩(wěn)定，那么隨著溫度的升高，較冷的一端會(huì)出現(xiàn)多余的正電荷，較熱的一端則會(huì)出現(xiàn)多余負(fù)電荷。當(dāng)冰晶發(fā)生破裂時(shí)，會(huì)造成一部分冰晶帶正電，一部分帶負(fù)電。目前，廣大的專家和學(xué)者認(rèn)為溫差起電機(jī)理是形成雷雨云起電的最主要因素。

當(dāng)雷云聚集區(qū)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到放電的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)雷電放電現(xiàn)象，放電的種類分為雷云內(nèi)部、雷云與大地、雷云和雷云以及雷云與空氣。一般情況下，雷電放電發(fā)生在云體的內(nèi)部，不會(huì)威脅到電力系統(tǒng)。但是當(dāng)雷云對(duì)大地放電時(shí)，會(huì)引起電磁場(chǎng)機(jī)理的變化，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。雷云和大地之間產(chǎn)生的雷電主要分為向下負(fù)雷電、向上正雷電、向下正雷電和向上負(fù)雷電四種。

1.2雷電流的數(shù)學(xué)模型

1.2.1 Heidler模型

i（0，t）=I0/η[kns/（1+kns）]exp（-t/τ2）

式中I0為峰值電流，η為峰值，，ks=t/τ是電流陡度因子，一般情況下取n=10。這是基于霍德勒模型（Heidlermodel）和傳輸線模型（TLmodel）提出的，適用于首次雷擊（10/350μs）和后續(xù)雷擊（0.25/100μs）。這里Heidler函數(shù)的上升沿由kns/（1+kns）項(xiàng)決定，而指數(shù)項(xiàng)exp（-t/τ2）決定了其衰減部分。

1.2.2脈沖函數(shù)模型

i（0，t）=I0/η[1-exp（-t/τ1）]nexp（-t/τ2），t≥0

脈沖函數(shù)第一項(xiàng)為擊穿電流，第二項(xiàng)是電暈電流。

這兩種模型的波形曲線特性都比較好，其中脈沖函數(shù)的波形還能更好的反應(yīng)雷電的物理本質(zhì)。

2.雷電通道周圍電磁場(chǎng)的計(jì)算

2.1大地為理想導(dǎo)體時(shí)雷電通道周圍電磁場(chǎng)的計(jì)算公式

B（r，φ，z，t）=

+i（t-Rc）e

2.2考慮大地電導(dǎo)率時(shí)雷電通道周圍電磁場(chǎng)的計(jì)算公式

W（jω）==

其中，Er（jw）為電場(chǎng)水平分量的傅里葉變換（V/m）；Ez（jw）為電場(chǎng)垂直分量的傅里葉變換（V/m）；εrg為大地相對(duì)介電常數(shù)（F/m）；óg為大地導(dǎo)電率（S/m）。

2.3雷電通道周圍電磁場(chǎng)的計(jì)算

圖 1 雷擊回?fù)敉ǖ滥Ｐ?/p>

3.架空線路感應(yīng)雷過電壓的計(jì)算分析

3.1配電線路雷電感應(yīng)過電壓算法驗(yàn)證

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，確保配電線路雷電感應(yīng)過電壓模型能夠適用于雷擊架空配電線路附近大地引起的感應(yīng)過電壓計(jì)算，這里采取了建模求解和LIOV（Lightning-Induced Overvoltage Code）程序算法和規(guī)程法等進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

為了保證對(duì)比驗(yàn)證的可行性，文中的各項(xiàng)參數(shù)與LIOV程序相同。雷電流峰值設(shè)為20kA，電流最大變化率為50kA/us，衰減系數(shù)為430m，回?fù)羲俣葹?.3x108m/s，導(dǎo)線長(zhǎng)為1.2km，導(dǎo)線半徑為0.5*10-2m，雷擊點(diǎn)距離導(dǎo)線的水平距離為60m，距導(dǎo)線兩端各600m；μ0空氣磁導(dǎo)率為4π*10-7B/H，ε0空氣介電常數(shù)為8.854*10-12F/m，相對(duì)介電常數(shù)為10，地面可以理解為理想導(dǎo)體。那么雷電通道和架空配電線路的位置關(guān)系就如圖二所示。

圖2 雷電通道與架空配電線路的位置關(guān)系

由圖二還可以分析得出下圖：

圖3 傳輸線中間點(diǎn)雷電感應(yīng)電壓

由圖可以看出，本文建立的配電線路感應(yīng)雷過電壓的模型數(shù)據(jù)比較符合實(shí)際，相對(duì)實(shí)際測(cè)量的計(jì)算誤差在5%之內(nèi)，相對(duì)規(guī)程法的計(jì)算誤差在10%之內(nèi)，證明了建模的相對(duì)準(zhǔn)確性。

3.2配電線路雷電感應(yīng)過電壓分析

3.2.1水平距離對(duì)感應(yīng)雷過電壓的影響

在分析雷擊點(diǎn)相距架空線路的水平距離對(duì)感應(yīng)電壓的影響時(shí)，可以設(shè)定10kV架空線路的高度為10m，雷電流強(qiáng)度為50kA，回?fù)羲俣葹?.3*108m/s，那么在計(jì)算理想大地情況下的雷擊點(diǎn)距離架空線路為60m、120m和180m，分析結(jié)果如圖五。

圖4 不同水平距離下的感應(yīng)電壓

從圖中可以看出，隨著雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線的水平距離不斷地拉近，架空配電線路上的感應(yīng)過電壓明顯增大。

3.2.2雷電回?fù)羲俣葘?duì)感應(yīng)過電壓的影響

在研究雷電回?fù)羲俣葘?duì)架空配電線路上的感應(yīng)過電壓的影響時(shí)，可以設(shè)定10kV架空線路的高度為10m；電流峰值為20kA，電流最大變化率為50kA/μs，衰減系數(shù)為430m，雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線的水平距離為80m，地面電導(dǎo)率為0.0035S/m，相對(duì)介電常數(shù)為10.在分別計(jì)算雷電回?fù)魝鞑ニ俾蕍=2.0*108m/s、v=1.3*108m/s和v=0.6*108m/s下的配電線路感應(yīng)雷過電壓數(shù)值，如圖六。

經(jīng)過分析可得雷電回?fù)舨ㄋ僭?.3*108m/s和2.0之間時(shí)，配電線路上的感應(yīng)雷過電壓變化較小。但是，當(dāng)波速在1.3*108m/s以下時(shí)，感應(yīng)過電壓變化較大。當(dāng)雷電回?fù)羲俣仍龃髸r(shí)，波前陡度和電壓幅值也相對(duì)增大。因?yàn)楦袘?yīng)雷過電壓的波形和幅值受雷電通道周圍電磁場(chǎng)水平和垂直分量的共同影響，結(jié)合計(jì)算公式可知，感應(yīng)雷過電壓隨著雷電回?fù)羲俣鹊脑黾佣黾印?/p>

4.配電線路感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)分析

4.1配電線路感應(yīng)雷過電壓的狀況分析

4.1.1絕緣子的閃絡(luò)故障分析

絕緣子是架空配電線路中重要的設(shè)備之一，作用是分隔導(dǎo)線和橫擔(dān)，完好的耐壓的絕緣子有著良好的耐雷水平。絕緣子損壞的原因主要有兩個(gè)。一是頻繁的強(qiáng)雷電引起絕緣子閃絡(luò)；二是絕緣子的性能下降。

對(duì)此，供電部門應(yīng)該加強(qiáng)線路的巡視工作，對(duì)絕緣子進(jìn)行全面檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換，以防出現(xiàn)過電壓狀況下發(fā)生線路損壞進(jìn)而停電的狀況。

4.1.2避雷器故障分析

避雷器在架空線路上有著廣泛的應(yīng)用，避雷器可以使大部分雷電流導(dǎo)入地下。其損壞的原因主要由四點(diǎn)：一是部分避雷器的型號(hào)不符合大電流耐受能力；二是避雷器由于受潮，出現(xiàn)了老化的問題；三是一部分接地電阻超標(biāo)，使避震器受到反擊；四是部分接地的線已經(jīng)腐蝕，嚴(yán)重阻礙了避雷器的導(dǎo)電。

對(duì)此，質(zhì)量監(jiān)測(cè)人員應(yīng)在每年雷雨季節(jié)來(lái)臨之前，對(duì)避雷器的接地方面進(jìn)行嚴(yán)格檢查，及時(shí)消除隱患；選擇質(zhì)量良好符合要求的避雷器，在此基礎(chǔ)上加裝脫離器，以免發(fā)生因自身故障而導(dǎo)致的接地短路問題。

4.2針對(duì)線路運(yùn)行環(huán)境選擇防護(hù)措施

4.2.1提高線路絕緣水平

對(duì)此，需要做好以下四點(diǎn)：一是及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并排除劣質(zhì)的絕緣子；二是增加易受雷擊地區(qū)桿塔絕緣子的數(shù)量；三是對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行全面的規(guī)劃設(shè)計(jì)，在絕緣子的選取上最好采用絕緣性較好的鋼化玻璃絕緣子；四是在架空絕緣導(dǎo)線靠近絕緣子的端部加厚絕緣，提高線路的沖擊放電電壓。

4.2.2穿刺型防弧金具

城鄉(xiāng)電網(wǎng)經(jīng)過改造，供電可靠性得到了極大提升，但是雷擊斷電事故仍時(shí)有發(fā)生。經(jīng)過研究得出，安裝穿刺型防弧金具在很大程度上能夠減少斷線事件的發(fā)生。該金具將高壓電極改成了穿刺結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)將通過尖齒刺穿導(dǎo)線的絕緣層和線芯連接在一起，將高電位引出。

5.結(jié)語(yǔ)

感應(yīng)過電壓是引起配電線路故障的主要因素，其導(dǎo)致的故障率超過90%，本文主要以雷擊架空線路附近地面為條件，對(duì)配電線路產(chǎn)生感應(yīng)雷過電壓的計(jì)算與防護(hù)進(jìn)行研究，重要性十分明顯。但是作者在研究方面還存在著很多的不足，今后的研究中還應(yīng)提高雷電感應(yīng)雷電磁場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，盡可能的建立更加符合實(shí)際的感應(yīng)雷過電壓數(shù)學(xué)模型。

【參考文獻(xiàn)】

[1]方瑜.配電網(wǎng)過電壓[M].水利電力出版社，1994.

[2]文武.感應(yīng)雷電磁干擾及防護(hù)研究[D].武漢大學(xué)，2004.

[3]趙玉龍，劉光斌，余志勇等.雷電電磁場(chǎng)空間分布模型[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2012，34（3）：72-76.