摘要：研究架空配电线路的感应雷过电压特性对分析配网雷击风险有重要意义。基于传输线模型和电磁场理论，计算了回击过程产生的空间电磁场，先导发展过程产生的静电感应影响了线路上的过电压波形。
关键词：配电网;架空线;感应雷过电压;防护措施；
对配电网架空线路感应雷过电压产生机理进行了详细的探讨,提出静电感应分量是配电网线路感应雷过电压的主要构成部分。在配电网输电系统中采用以下措施———架设避雷线;安装避雷器;减小工频电弧建弧率;提高线路耐雷水平,可以有效地防护配电网架空线路感应雷过电压,保证系统安全、经济运行。
一、架空线路感应雷过电压机理
1.雷电放电过程。雷云是带有大量电荷的云层。雷电是雷云之间、或雷云内部、或雷云对地的放电现象。大量的电荷在雷云中并不是均匀分布的，通常在雷云中会形成多个电荷中心(电荷密集处称为电荷中心)。一般情况下每个电荷中心的电荷约0.1～10C(库仑)，而雷云中总电荷量的多少与雷云的大小有关，大块的雷云中可容纳多达数百库仑的同极性电荷。因为大量电荷的存在，在雷云之间和云与地之间以及雷云内部都会产生强大的电场。如果某处的电场强度超过了空气电气击穿强度的临界值，就会产生闪电。通过对雷云放电的大量观测结果表明，雷电放电大部分发生在雷云之间或者雷云内部，只有小部分雷电放电是对地进行的，我们重点关注的就是雷云的对地放电。
经过众多学者的观测和研究发现，约90%的雷电对地放电过程是由对地负极性云团发生的。因此我们通常以带负电荷的下行雷为例分析雷电放电问题。存在于雷云中的电荷，通常在雷云下面的大地表面尤其是地面突出物体(如高大建筑、树木、杆塔、避雷针和避雷线等)上感应出相反极性的感应电荷当雷云中电荷中心的电场强度达到空气击穿的临界水平时，电荷中心附近的空气首先被击穿，开始雷电放电过程，这时产生的放电称为雷电先导放电。由雷电先导发展至地面需要约几个ms的时间。通过对雷电放电研究的光学照片显示，先导向下发展的过程不是均匀进行的，而是跳跃式或迈步式地频繁的向地面前进，即走一段、停一会，再走再停。每级的长度为10～200m，每级停歇时间为10～100μs，先导每级发展速度约为光速的1/10，延续时间约lus。先导中心的线电荷密度为(0.1～1)×10－3C/m，先导的电晕半径约0.6～6m，相应先导发展时的电流约为100A，先导中的电位梯度约100～500kV/m。当下行先导头部接近地面时，地面上的被击物(一般是较突出部分)上聚集的感应电荷会开始迎着它发出向上的流注———迎面先导(上行先导)。因为上升的迎面先导与下行先导中电荷的极性相反，当两者相遇时，就会在瞬间产生强烈的电荷中和效应，产生极大的放电电流，通常称这个阶段的放电电流为“雷电流”。在强烈的电荷中和过程中通常伴随有我们平时所熟知的雷鸣和闪电，闪电是沿主放电通道中形成的明亮光以及射线，这就是雷云放电的主放电阶段，因此“雷电流”也称为“主放电电流。主放电过程中正负电荷的中和是自下而上发展的，这与先导放电过程中先导自上而下的发展方向正好相反，所以主放电过程也称为雷电回击过程。
2.感应雷过电压的产生。感应过电压是由于电磁感应作用在导线上引起的过电压。由于雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电磁场的急剧变化，会在附近线路的导线上产生过电压。在雷云放电的先导阶段，先导通道中充满了电荷，这些电荷对导线产生静电感应，在负先导附近的导线上积累了异号的正束缚电荷，而导线上的负电荷则被排斥到导线的远端。因为先导放电的速度很慢，所以导线上电荷的运动也很慢，由此引起的导线中的电流很小，同时由于导线对地泄漏电导的存在，导线电位将与远离雷云处的导线电位相同。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当先导到达附近地面时，主放电开始，先导通道中的电荷被中和，与之相应的导线上的束缚电荷得到解放，以波的形式向导线两侧运动。电荷流动形成的电流i乘以导线的波阻抗Z即为两侧流动的静电感应过电压波U=iZ。此外，先导通道电荷被中和时还会产生时变磁场，使架空导线产生电磁感应过电压波。由于主放电通道是和架空导线互相垂直的，互感不大，所以总的感应雷过电压幅值的构成是以静电感应分量为主。
二、架空线路感应雷过电压的防护
1.架设避雷线。对架设有避雷线的线路,避雷线的电磁屏蔽作用可使导线上的感应过电压降低。这是由于避雷线与大地相接,保持地电位,即将大地引入导线近区。对于静电感应,可以增大导线对地电容,从而使导线对地电位降低;对于电磁感应,其影响相当于在导线与大地回路附近增加了一个地线与大地的短路环,抵消了部分导线上的电磁感应电势,因而接地避雷线的屏蔽效果是降低导线上的感应雷过电压。在空旷地区对配电线路设置避雷线进行屏蔽,导线上的感应过电压将降为无避雷线时的(1-k)倍,其中k为避雷线与导线之间的耦合系数与冲击系数之积。对于导线高度为10 m的配电绝缘线路,击点距离此线路50 m,雷电流幅值为100 kA,未架设地线时,感应过电压的最大值约为500 kV;如果安装了一根架空地线,平均高度为11 m,则感应过电压的最大值可降低为300 kV,降低了40%。可见架设避雷线对限制感应过电压的作用还是比较大的。
2.安装避雷器。在配电网线路上安装避雷器是防雷保护中普遍采用的一种方法。避雷器限制配电线路雷电过电压的作用有两个方面:一是限制感应过电压幅值,二是吸收雷击闪络后的放电能量,限制工频续流。随着绝缘导线在配电网中的广泛使用,绝缘导线雷击断线问题日益突出。大量研究表明,感应雷过电压可使绝缘导线绝缘层击穿,持续在击穿点的工频续流是导致绝缘线烧断的根本原因。安装避雷器能限制工频续流,从而有效地减少配电网雷击断线故障。限流消弧角就是根据绝缘导线的特性,并结合避雷器对输电线路的保护作用而开发出来的配电网防雷保护装置。限流消弧角结构原理当发生雷击闪络时,闪络击穿点与环形角之间的空气间隙击穿,雷电流经MOA限流元件流通至大地,工频续流被MOA元件高阻阻断而灭弧,从而有效地避免绝缘线被烧断。如果雷击电流过大,引弧角与安装支架之间的空气间隙也将击穿,从而改善MOA元件的通流条件,避免MOA元件爆炸。在系统运行中,即使MOA元件损坏,因导线与引弧角之间存在空气间隙,系统也不会发生接地故障。
3.减小工频电弧建弧率。采用不平衡绝缘是减小相间闪络的有效措施。对三角排列的导线,一般顶相采用弱绝缘,两边相采用强绝缘。当顶相受雷击闪络接地后,系统仍可继续运行,此时顶相导线起耦合地线的作用,降低了两边相绝缘上承受的电压,减小相间闪络的概率。电网中性点经消弧线圈接地可消除单相接地电弧。雷击闪络大多数是从单相闪络发展为相间闪络的。正确整定消弧线圈的运行参数,可明显减小相间闪络建立工频电弧的概率。通过增长闪络路径来降低工频建弧率,是防止雷击断线的另一种思路。一种方法是采用局部加强绝缘,即在针式瓷瓶绑扎导线部位,采用115 m长的加强绝缘层,提高此段绝缘强度。此时放电只能从加强绝缘的边沿处击穿导线,产生沿面闪络。当雷电流通过后,击穿点距横担等接地点之间,闪络路径长,不足以建弧形成工频续流,从而达到保护导线的目的。另一种方法是在横担上安装U形绝缘棒,在U形头部将绝缘剥开,使U形头部与导线之间的空气间隙的冲击放电电压比针式瓷瓶低。当雷电过电压时,此间隙先于针式瓷瓶击穿闪络,闪络路径由此段间隙与绝缘棒构成,当闪络路径长度增至足够长时,就可阻止工频续流建弧。
参考文献
[1]王季．10 kV配电线路防雷措施研究．长沙理工大学，2013.
[2]吴清，曾卿．配电线路雷电感应过电压仿真计算分析．高电压技术，2013.
[3]陆毅，输电线路运行故障的分析与防治.高电压技术,2014.
论文作者:张鹏远1,王碧波2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/22
标签：过电压论文; 导线论文; 电荷论文; 先导论文; 感应论文; 雷电论文; 避雷线论文; 《电力设备》2017年第24期论文;