基于絕緣導(dǎo)線雷擊斷線機理的防雷裝置研究與應(yīng)用

張孟濤 葉明友 許萌 蔡文宇 陳曉忠

摘 要：10kV架空裸導(dǎo)線路絕緣水平低，很容易遭受雷擊引起絕緣子閃絡(luò)斷線事故。本文通過收集10kV架空線路的跳閘數(shù)據(jù)，現(xiàn)場勘察地形地貌特征，選擇典型的地點進(jìn)行直擊雷防護(hù)措施研究。通過軟件仿真計算，將各種防護(hù)裝置模型嵌入到選擇的線路中，提出最優(yōu)的直擊雷防護(hù)措施。采用一種不接地、而且老化后不影響線路安全運行、能合理的配合計數(shù)器的一種防雷裝置來實施。

關(guān)鍵詞：防雷 雷擊 避雷器 防雷決策 落雷指標(biāo)

中圖分類號：TM863 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 概述

10kV架空裸導(dǎo)線路絕緣水平低，很容易遭受雷擊引起絕緣子閃絡(luò)斷線事故，10kV絕緣導(dǎo)線容易遭受雷擊斷線。據(jù)有關(guān)資料的統(tǒng)計，浙江地區(qū)到2004年為止，雷擊斷線事故與雷擊跳閘事故約為395次：上海地區(qū)使用絕緣導(dǎo)線以來，已造成近百起雷擊閃絡(luò)事故。國外也有資料介紹雷擊斷線事故約占總雷擊的96.8%，雷擊斷線事故約占配電網(wǎng)絕緣事故的36.8%。以上資料表明：雷擊斷線事故是應(yīng)用絕緣導(dǎo)線中最突出的一個嚴(yán)重問題，這引起我們的廣泛注意，并積極開展對等試驗研究工作，為提高供電可靠性、降低停電時間，減少雷擊對電氣設(shè)備的損壞，本文結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實際情況做好絕緣導(dǎo)線雷電防護(hù)措施是顯得非常重要。

當(dāng)前階段，大多數(shù)的配電線路不具備較高的絕緣水平，不僅僅在直擊雷的作用下存在安全隱患，而且在感應(yīng)雷的作用下也會出現(xiàn)雷害事件。但是，避雷器僅僅能夠保護(hù)配電設(shè)備及配電線路進(jìn)出線，無法通過增加安裝數(shù)量來實現(xiàn)其作用。如果在配電線路上增加避雷器的安裝數(shù)量，不僅成本高，而且在運行維護(hù)方面存在較大困難，且一旦避雷器出現(xiàn)損壞，就會對配電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生威脅，因此，在配電網(wǎng)的安全運行過程中，防雷問題尤為重要。因輸配電線路所經(jīng)過的地形較為復(fù)雜，不管是在山區(qū)內(nèi)，還是在江河、丘陵等地區(qū)，均存在較大的雷擊危險。因長期運行，輸配電線路上的瓷絕緣子經(jīng)常變成“劣值”絕緣子，導(dǎo)致其絕緣效果明顯減弱，加之許多山區(qū)桿塔接地的電阻均較高，導(dǎo)致“反擊”的現(xiàn)象頻繁發(fā)生?！胺磽簟爆F(xiàn)象一旦發(fā)生，在雷電流與工頻電流的作用下，絕緣子非常容易被炸掉，進(jìn)而導(dǎo)致斷線事件的發(fā)生。當(dāng)前階段，為達(dá)到防污閃的目的，大量應(yīng)用合成絕緣子，但是此類絕緣子耐雷水平相對較差，在雷電天氣，極易出現(xiàn)閃絡(luò)。而對于硅橡膠合成絕緣子而言，因其不均勻的電位分布極易導(dǎo)致雷擊閃絡(luò)的發(fā)生。閃絡(luò)發(fā)生過程中，在工頻電流與雷電流的作用下，容易導(dǎo)致鋁制金具噴鋁、燒熔，對絕緣子產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞。為避免絕緣子被損壞，必須采取保護(hù)措施。在發(fā)生雷擊事件時，一旦雷電流與工頻電流經(jīng)過絕緣子，必然會對絕緣子產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，再加上其絕緣結(jié)構(gòu)為氣體與固體的交界面，容易被電場畸變與絕緣子表面污穢所影響，進(jìn)而導(dǎo)致雷電建弧率發(fā)生一定程度的增高，甚至損壞絕緣子，進(jìn)而導(dǎo)致線路發(fā)生跳閘現(xiàn)象，或發(fā)生斷線等事故。

結(jié)合國內(nèi)外常用的10kV絕緣導(dǎo)線防雷經(jīng)驗及措施，通過收集10kV架空線路的跳閘數(shù)據(jù)，現(xiàn)場勘察地形地貌特征，選擇典型的地點進(jìn)行直擊雷防護(hù)措施研究。通過軟件仿真計算，將各種防護(hù)裝置模型嵌入到選擇的線路中，提出最優(yōu)的直擊雷防護(hù)措施。采用一種不接地、而且老化后不影響線路安全運行、能合理的配合計數(shù)器的一種防雷裝置來實施。根據(jù)上述綜合比較，線路雷擊閃絡(luò)保護(hù)裝置有比較好的應(yīng)用價值。

雷擊閃絡(luò)保護(hù)裝置是通過電阻片及電容層間介質(zhì)、放電球隙、等電位連接金具、安裝金具等元件組成。線路閃絡(luò)保護(hù)裝置是新一代的高科技配網(wǎng)線路防雷產(chǎn)品，里面采用非線性伏安特性良好的電阻片及脈沖電容層間介質(zhì)組合而成，它是替代過去避雷器的新一代產(chǎn)品。

雷擊閃絡(luò)保護(hù)裝置是該課題從事電力系統(tǒng)高電壓專業(yè)技術(shù)人員經(jīng)過大量的高電壓試驗及現(xiàn)場線路遭受雷擊的機理、線路雷擊斷線、跳閘過程進(jìn)行分析而設(shè)計的。當(dāng)線路有雷擊過電壓達(dá)到球隙閾值電壓時，球隙開始放電，引起閃絡(luò)保護(hù)裝置本體迅速動作，保護(hù)裝置動作后將線路過電壓鉗到絕緣子不閃絡(luò)的電壓范圍內(nèi)，此時閃絡(luò)保護(hù)裝置放電線圈將雷電波頭電荷短路放電，線路過電壓消失后，閃絡(luò)保護(hù)裝置外球隙恢復(fù)到原來狀態(tài)，系統(tǒng)正常運行。此保護(hù)裝置主要用在線路防雷擊斷線、跳閘及其他電氣設(shè)備遭受雷擊的防護(hù)，此閃絡(luò)保護(hù)裝置不用接地裝置及接地引下線高阻運行即可。

鑒于傳統(tǒng)過電壓保護(hù)裝置的運行現(xiàn)狀，線路運行人員旨在通過最新設(shè)計研發(fā)技術(shù)對傳統(tǒng)過電壓保護(hù)裝置的限流元件進(jìn)行技術(shù)革新，重點開展過電壓保護(hù)裝置中避雷器性能參數(shù)的研究、過電壓保護(hù)裝置中串聯(lián)間隙性能參數(shù)的研究、安裝過電壓保護(hù)裝置對限制配電線路雷電感應(yīng)過電壓作用的研究、過電壓保護(hù)裝置安裝密度的研究、過電壓保護(hù)裝置保護(hù)效果的研究、以及架空線路雷電過電壓保護(hù)裝置保護(hù)性能的仿真實驗，為以后雷電防護(hù)治理方案提供指導(dǎo)性意義。

2 主要研究內(nèi)容

本研究結(jié)合山區(qū)10kV線路的普遍性特點，構(gòu)建了一套基于的山區(qū)10kV線路的防雷技術(shù)的評估決策體系。

主要內(nèi)容如下：

（1）基于雷電密度分布的雷害風(fēng)險評估

構(gòu)建雷害風(fēng)險評估模型，按年度雷擊密度、環(huán)境類型、雷擊頻度，評估線路跳閘風(fēng)險，其中，把環(huán)境類型分為平地型，山谷型、山頂型、山波形；不同的環(huán)境類型給預(yù)不同的權(quán)重。

（2）基于EGM模型高程對各種桿塔進(jìn)行風(fēng)險評估

通過EGM高程分別對地線屏蔽弧、邊相暴露弧、地面屏蔽弧進(jìn)行距離計算與疊加分析，給出各桿塔的易雷擊量化評估。

（3）防雷決策模型

依據(jù)雷擊量化評估結(jié)果，構(gòu)建基于絕緣子沖擊放電限值、接地電阻阻值的防雷決策矩陣。

防雷決策矩陣包括防雷產(chǎn)品、安裝手段、成本費用等要素

（4）基于桿塔風(fēng)險評估結(jié)果對線路進(jìn)行治理

結(jié)合線路風(fēng)險評估與桿塔風(fēng)險評估結(jié)果，查詢防雷產(chǎn)品矩陣，給出決策方案。

3 成果推廣及產(chǎn)業(yè)化存在的一些問題

（1）配電線路防雷突出問題主要體現(xiàn)在線路絕緣子雷電沖擊放電電壓幅值較大，絕緣水平過高，加之線路桿塔和配電變壓器的接地電阻值較高，當(dāng)線路遭受雷擊時，雷電波在線路中得不到及時的衰減，雷電流不能有效入地，造成線路雷擊跳閘事故。同時，線路絕緣子存在質(zhì)量缺陷，當(dāng)配電線路遭受雷電過電壓時，劣質(zhì)絕緣子易發(fā)生閃絡(luò)、爆炸等事故，造成線路跳閘；（2） 配電線路交叉處垂直距離不足和低壓接戶線的防雷措施存在空白；（3） 變電站在直擊雷防護(hù)方面，雖有采取避雷針這種有效的防護(hù)措施，但是避雷針接地電阻值偏高，容易造成反擊事故。在雷電侵入波的防護(hù)上，由于線路和變電站的絕緣配合存在不匹配加之線路的絕緣水平過度的提高，造成高能量的雷電波在變電站才能得以完全的釋放，造成主變壓器和避雷器及其他設(shè)備的絕緣損壞；（4） 配電設(shè)備防雷措施存在不足，配電變壓器和柱上開關(guān)僅一側(cè)加裝避雷器，造成配變和開關(guān)的絕緣擊穿和線路跳閘；（5） 輔助的防雷措施如接地裝置存在嚴(yán)重的腐蝕斷裂現(xiàn)象，使得配電設(shè)備和桿塔“失地”，造成設(shè)備接地電阻值較大，雷擊造成局部電位升高，造成雷害事故；（6） 配電網(wǎng)運行缺乏維護(hù)和預(yù)防性試驗（如接地導(dǎo)通試驗）有時監(jiān)管不到位，造成配電網(wǎng)存在大量的雷害事故隱患。

參考文獻(xiàn)

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