電力系統(tǒng)架空配電網(wǎng)的防雷害方案及原理說明

電力系統(tǒng)架空配電網(wǎng)的防雷害方案及原理說明10kV架空配網(wǎng)是目前電力系統(tǒng)的主要配網(wǎng)，其覆蓋面積達到有人居住的各個角落。由于其特殊的、較低耐壓水平的絕緣結構，每次在線路或線路的桿塔遭到雷電侵害時，必定有設備遭到破壞，（包括用戶端和變電站）。根據(jù)現(xiàn)在的雷電定位系統(tǒng)的統(tǒng)計，廣東地區(qū)由雷云向下?lián)粝虻孛娴钠骄纂娏鞣禐?0-70kA，最大紀錄到150kA(05年廣東省電力系統(tǒng)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計記錄)。而我們線路塔的接地電阻一般為4歐；在雷擊到塔時，塔頂?shù)乃矔r電位可以達到200kV-300kV。如此高的電位，我們10kV線路的絕緣子20-30cm的絕緣爬距根本無法耐受，無論是雷擊導線還是塔頂落雷，在塔上形成3相短路是必然的；而且我們還要求線路的絕緣水平要低于變電站，線路跳閘就會經(jīng)常出現(xiàn)。為了減輕雷害，我們在線路上采取了很多措施，但效果仍不夠理想，有些用于高壓線路的措施放在低壓線路上效果會適得其反。比如，采用招弧角，雖然可以將電弧引離絕緣子表面，實際上由于高頻電流的作用，雷電流一般會離開絕緣子表面，在空中形成空間電弧；但這種電弧短路，會將反擊塔頂電位傳遞到通流導線上，造成用戶變壓器和變電站同時進波，危害會更大；使用低壓的線路避雷器，雖然線路上沒有電弧，但反擊進波幅值只會比塔頂電位低30kV。而我們正在使用的普通避雷針和線路架空避雷線實際上是沒有明確的保護面積和保護角的，廣泛的使用并不會避免雷害的發(fā)生。安裝避雷線后，可以降低直擊雷和部分反擊概率，對大于20kA以上電流造成的反擊事故仍然無法避免。要基本上消除雷電直擊和繞擊、反擊的破壞，必須將可能形成的雷電有效地引入大地。自從工業(yè)用的避雷針發(fā)明以來，是減少了雷害事故，但始終不能從根本上解決雷害問題，這實際上是我們的認識上出現(xiàn)了偏差。問題原因和結論我們以往對雷電的研究大多都集中在雷電發(fā)生的最后數(shù)十微秒內，對電流波形，對電壓進波給電器設備造成的危害和防護研究的比較多。對雷電放電發(fā)生前數(shù)十秒甚至數(shù)百秒內雷云對地面的影響和作用及保護設施的反應情況研究的不多，認識問題的偏差出在此環(huán)節(jié)上。而這一段時間是我們的第一道防護，也是最主要的防護。雷云電場是一個準直流電場，其建立是一個比較緩慢的過程；在雷云移動逼近地面上的保護設施時，空間電場由弱變強，如果接地的保護設施帶有可以嚴重畸變電場的尖端，在周圍平均電場很弱的時候，尖端就開始了電暈放電。由于是直流電場作用，被電離的空氣分子在電場的作用下遷移擴散；與雷云極性相同的電荷被吸進到尖端內入地，反極性的電荷沿電場線向空間擴散。遠離尖端后，電場減弱，擴散速度下降，在經(jīng)過一段時間電暈放電后，反極性的電荷會在尖端前形成一個反極性電荷層。達到一定濃度和厚度后，它將會嚴重的影響電場分布。它將增強電荷層與雷云之間的電場，并減弱電極尖端到電荷層邊緣的電場強度，影響到雷電放電的發(fā)展路徑。目前各種保護失敗的原因和結論就是：由尖端電極放電產(chǎn)生的空間反極性電荷將影響空間電場強度；空間電場強度決定了放電發(fā)展的路徑。這一點與雷電擊打較高處的物體的普遍認識不矛盾，只是在這個較高處的物體自身在電場中的表現(xiàn)不像我們所期待的，而是出現(xiàn)了變異，我們沒有察覺而已。由于條件的約束，我們無法看到電場的變化和帶電空間電荷的對外表現(xiàn)，只能通過數(shù)學推導和其他方面的驗證，這也就是百年來防雷理論沒有根本性進展的外部原因?？臻g反極性電荷對電場的影響由電磁場基本教科書都可以查到電場的基本公式▽2?=-ρ/ε我們用架空地線和避雷針做例說明：我們架空地線的直徑只有9mm。如果沒有空間電荷，電場的分布式按下規(guī)律分布的。E=λ/(2πεr)相對地線外1米處的場強，地線表面的場強要高200倍。再加上由地面升旗的高度，地線表面的場強要高出較遠處的平均場強約5000倍。如果我們把避雷針等效看成一個直徑2cm的、懸掛在空中的接地球。不考慮空間電荷時，電場強度公式為E=Q/(4πεr2)僅相對距球外1米處的場強，針頂部表面的場強要高10000倍。擊根據(jù)統(tǒng)計，在修平均空間電場迅達擊到筐1000V/鏡M污時，就會發(fā)生覺雷電放電，而就實際上，在平群均場強遠小于凝此數(shù)值時，地塘線表面和避雷絲針頂部的場強輪就超過了大氣波空氣的電離場異強柱30000V綠/C事M紛。如果雨前的鏈氣壓再降低，銅大氣的空氣電爽離放電強度還患要降低。所以終說這類防雷保百護設備在雷云挨建立時都會持紋續(xù)發(fā)生電暈現(xiàn)屠象，硬與雷云極性相剩同的電荷被吸壽進到尖端內入虜?shù)兀礃O性的仆電荷沿電場線詞向空間擴散。州這些擴散的空終間電荷會大大桂地降低電極附跡近的電場強度秒，使得電極的佩電暈放電減少勻；如果外電場渠不再增加且擴跑散速度降低，織最終電極的電渾暈會停止，空魂間會維持一個叢較為穩(wěn)定的反買極性電荷層。肉空間電荷加強睜了電荷前到高脆壓電極之間的漸電場強度，帶青有誘發(fā)放電的譯作帖用；只要沒有推地面風場或風愛場較弱，反極烤性空間電荷就取一定會在低壓鴉電極側形成一絡個既引誘放電礎，同時又阻擋趕雷電放電向保匙護電極發(fā)展的沸電荷層。穿電荷的擴散是撕沿著電場線進黑行的，電場強轉度墾為兼0媽的方向上，擴彎散將會停止，垂空間電荷將會頂在該處堆積，恩所以短時間不場會擴散到很遠貢，只會在低壓箱電極的前方形辟成反極性電荷芳層。這也就是倆說，這種帶電賺氣體分子的擴蕉散只能時熱運期動擴散，是在麗有限空間范圍圾內進行的；只謎要有一定的時則間，在這種空未間電荷層中必噸然會出現(xiàn)電場屯強度很低的區(qū)務域，這個區(qū)域船內擴散會很慢匯。從另一角度做來說，通過這亮種電暈放電來觸中和雷云電荷底是不可能的，榨雷電是不可能街在地面上通過津大量的電暈排僻放電荷來消除秀的。廟在雷電放電發(fā)暮展最后過程中塔，被吸引到反產(chǎn)極性電荷層前踏的放電流柱，蔽無法在反極性納電荷層造成的輕低場強方向上莖發(fā)展，必然會臺尋找其他電場船強度更強的路墨徑發(fā)展。我們翠經(jīng)常看見放電心出現(xiàn)拐彎和分腔叉的現(xiàn)象就是扣這個原因；這證也就是經(jīng)常提噴到的繞擊現(xiàn)象鏈。電力系統(tǒng)大禿量使用架空地寄線做為防雷保券護，但仍出現(xiàn)湖了很多保護失疫敗的現(xiàn)象就是蜓上所述的原因進穩(wěn)定防護雷害族的條件近一個有效的防落雷保護設備必丈須是在各種氣蠅象條件下都不后會產(chǎn)生大量電饑暈，并不會產(chǎn)餐生足以影響空漁間電場和放電聞發(fā)展的、有一矛定厚度的利反極性電荷層毒；這就是說，真保護設備上方稀的電場強度，斬相對周圍是最做高的，這種設爽備才會有穩(wěn)定貧的保護范圍和濾保護率。泥穩(wěn)定的配網(wǎng)防嫌雷保護方法是公在被保護線路弓的經(jīng)常遭雷擊萬的區(qū)域建立一釀個雷電泄放通謀道，即架設獨倡立的引雷塔，索將放電引導到巨指定的路徑上重，避免線路遭錦雷擊。如果引抄雷塔上的設備洪能夠形成上行蟻雷，可以更好勇和形成更大的孤保護范圍。實施方案：夸對于跨山腰的繩線路，如果山估不太高大，可雅以在山頂上設篩置一個高于周松圍樹木的引雷盤塔，只要計算稅一下被保護線霸路是否皆在帝70詠°足的保護角內，畏這樣可以形成爐很大的保護范致圍；敢對于跨山頂?shù)哪蔷€路，可以在穩(wěn)線路獵邊亭5奸-1侵0傍米顫處設置一個引辜雷塔，高度比攜線路的最高點溉高咳出攜3詳-涉5紋米協(xié)。扮對于平原地區(qū)休，可以選擇高伐落雷區(qū)的最高炎點安裝一個引灑雷點，接地引及線獨立引下，岡避開電源和通未訊線路引線，飛設置獨立的接陳地體，并在周晌圍和塔上設置坡警示牌。補非人口稠密區(qū)喂引雷塔的接地摩電阻控制睜在制5輕0健歐以下，其他捕地區(qū)控制奴在盈1骨0底歐以下即可。睜引雷塔接地體跨出線方向應該椅避免向線路塔鐮的方向伸出和呢與塔的接地接景觸。抵由于這些引雷注塔大部分在野借外和山區(qū)，且郵放電頻繁，為奴避免人畜靠近湖塔身而造成跨傷步電壓傷害，豪在塔身附近應日設有警示保護俱區(qū)域，保護區(qū)澤的大小有下計鷹算：行假設將接地極訊等效看成一個館半徑今為英r爽0除的半球體，臨堆近的土壤電阻比率為走ρ奸，半球體到無累窮遠的電阻炸為木R=剖ρ誠/(2狹л相r0收)絞。這個電阻也桶就是我們測量桑所得的接地電旦阻。相如果塔身流過綿的總電流橡為港I艱，并均勻發(fā)散綠，則塔身周圍眠的電位分布為淡：乳Vx=I枯*郵ρ兆/群算（醬2瓦л極x占2辜）溝由于塔身附近注的電位差最大梨，我們計算冰由丑x泥到夠x+喝0.7m掉處電位練差策U=I*R*感r0(1/x遇-1/(x+啄0.7)棵)隱。如果我們假式設塔身流過的拉平均電流酸為財10k宴A球，接地電阻袖為籃1環(huán)0勝歐，取等效接飯地體的半徑為禾0.紋3彎米曠，計攪算如=習2慕米備處的跨步電壓燥：洲U2=輸3.9k庫V頁。按帶電作業(yè)放人體最大容許揉通過電流（非遭通過心臟董）墳20m康A譜計算（高空作贈業(yè)標準，地面斧可以放寬一些幻），人體電阻站可以犁到便190靜k媽；人體的電阻喘一般常為甜300k貌—著500榆k奸?？?頃米夏以外的跨步電叼壓對人體是基剃本安全的。如烘果接地電隆阻邁R充達毅到逢5慚0振歐，錯3輕米球左右的圍欄就不可以滿足要求奏。如果雷電流德幅值不能控制橡在獨10k薪A逐以下，則保護幟欄就要灶到退5絡-帆7機米做以上才能保證游基本安全，所嘉以引雷設備應稠選擇可以形成潛上行雷電流的涂場變放電器。幅這種保護的計嫌算可以用到建芽筑物上方安裝被引雷針的接地鼠體上，如果地本表面有整塊的誦水泥板，由于府水泥板的電阻蜜較高，保護欄識的尺寸還可以腰更小。笑實際上，我們受的接地電極并穩(wěn)不是一個球體糊，通常我們會眼用網(wǎng)狀或線狀爆的接地棒、帶恨構成，在這個揭網(wǎng)、帶構成的董接地體上面的喉土壤中并沒有迷很大的電流。繞比如我們接設笨接地帶的長度真為燃5箭米祥，接地電流葉為喝10k響A績，按照標準的餃雷電流波形計勿算，其電流波隙頭的電流變化書率只索有劉2kA/u凡S靠；接地導線的趕電感什按煤1uH/掘m捎計算，塔伸到膀接地體末端雕5蝴米援的距離上的電忽位差只秀有住10k死V革；每米不礙到鳴2k獄V溫，所以地表面箏幾乎稼沒有電流。在杯接地體區(qū)域外志的地方仍然可麥按集中接地體氧的電流發(fā)散計杠算。對于這種襯網(wǎng)、帶式的接語地體，只要使詠保護欄做到使鍵欄邊的人伸臂率無法觸及塔身印即可保證人身別安全。艇接地電效阻芹掉接地方式懂措施參數(shù)念4炒歐姆桃1屋0桌歐姆道等效半球接地小保護欄范圍（食半徑）暴1.5m拔2m至邊界跨步電壓揭小兵于爪4KV槍約懂為餅4KV山工字型接地（掃邊長浸10m貧）疾保護欄范圍坊1m收1m墓邊界跨步電壓露小輔于主1KV尺小嚴于航1KV好網(wǎng)狀結構接地卸（等效斷6m甚*絲6m俯）鍬保護欄范圍纏1m戀1m額邊界跨步電壓才小策于搖1KV方小售于避1KV戴備注：本表參謝數(shù)均以場變放態(tài)電器作為雷電循接閃器的獨立保引雷塔參數(shù)計嘗算。嚷對于目前還有壤一定數(shù)量寧的紛35k棟V棒配網(wǎng)的防雷問欣題，除了可以精使用獨立的引傅雷塔方案外，餃還可以選擇在甚線路塔上安裝足帶有形成上行座雷功能的場變橫放電器保護的依方案，這里要浴指出的是必須全要鏟形成上行雷電語流隙。序如果我們不考鷹慮線路桿塔的李電感，只考慮卸接地電阻；在閱接地電阻小甜于蛙4橫歐的條件下，針上行固雷衛(wèi)10k服A炊的電流幅值引糊起的塔頭電位波只白有廢40k乖V裙，耍35k內V嶼線路逐40cm賢以上的空間距販離完全可以耐榮受，不會造成蝦閃絡接地。即污使是接地電阻楚達膜到棗2宜0驟歐，絕緣水平谷仍然有余度。肢但如果不能形膀成上行雷，而想將京100k恨A嬸以上的強大下忽行雷引到線路謝塔上，在塔頭瞧上形丸成民400戰(zhàn)—趣600k巨V校的沖擊電壓電亡位，即使蔽是失110k演V聚線路也不能承濫受，會出現(xiàn)反祥擊跳閘現(xiàn)象；蠟如果接地電阻印大鋸到闖2盼0安歐敞，來500k佳V芝線路都會耐受攤不住產(chǎn)生反擊轉接地跳閘。境對于接地電阻娘控制繳在刻4哭歐以下礙的詢10k庭V揪線路桿塔，采耀用安裝帶有形肌成上行雷功能歌的場變放電器僚保護的方案也銹可以達到保護慌的作用（在無該條件架設獨立隱引雷塔情況下汁使用本方法）適。因為一片絕娃緣子的工頻濕刻閃電壓約則為瞧40k婆V聞，雷電閃絡電蜘壓還要高于這狼個數(shù)值。圖一安裝方案：圖一均壓環(huán)組裝前組裝中鎖緊螺栓組裝后射1拐、突FC沫P雹系列場變放電曉避雷針組裝非刑常簡單，只要跟有剩1堪平方米的地方朋均壓環(huán)組裝前組裝中鎖緊螺栓組裝后秒2哄、喊避雷針與支撐暖桿之間的銜接尖是用所配房的慢4何顆燦M1截2怕螺栓固定（如夕右圖察）治試點安裝報價殖場變放電器本丸體單價為連：紙斑執(zhí)元，施工和安拖裝費用以及升趁高塔身的塔架禁、螺栓等不含昨在內，需另做砍預算。稼場變放電器技桶術答疑菜雷云電場的特刻點是什仿么款?村喘雷云是指帶有拌正極性或負極籃性電荷的云團鉤。其特性是云隸團隨著氣流在脊移動，其上所抄帶的電荷也隨稠云團移動，由鎖云團積聚的電侵荷對地面產(chǎn)生勞一個電場；云乏團距地面高度夾變化時電場強抄度會發(fā)生變化孝；地面任一特饞定物體上方的年電場強度也會喬隨著云團的移天動而產(chǎn)生變化界，這個地面電怕場大小是由云堤團電場和空間五電荷共同決定歷的。也就是說鵝地面物體上方籮的空間電荷會音畸變其上方的伯電場。電場決領定放電時電流金發(fā)展的方向，盆所以，空間電臣荷決定了雷電哪放電的路徑。磚電暈放電的特待點？空間電荷弦的運動？值一個帶有尖端命的物體處于電水場中，由于尖描端造成了其前鍵方電場的極度預不均勻，當這編個電場達醋到謀30kV/c匹m硬（標賠準奔1謀個大氣壓下）趴時，空氣就會率被電離；與雷捧云電荷極性相夢反的反極性電疫荷被推向空中六，同極性電荷決則被吸收進物潛體入地或抬高輔物體在該電場文中的相對電位者。這種放電的待自然目的是降籌低尖端前方的父電場強度，即褲降低電場儲能挽。這是符合自丈然界中最低能滾量原理。在尖珍端前方電場降娃到關30kV/c撕m寨以下時，電離短放電停止。被宣排到空中的反箱極性電荷在雷釣云電場的吸引遮下向雷云方向鳳運動，形成了眨電荷的擴散過擋程；反極性電園荷擴散后，尖最端前方電場上研升，又發(fā)生電淋離放電。這種四放電就稱為電冒暈放電。默空間電荷的擴召散是一種氣體餓分子的熱運動遠過程，擴散速組度較慢，在遠戰(zhàn)離尖端后，由戲于電場強度下樸降，擴散速度絮也會降低。在赴直流電場中，奉如果電暈放電寇持續(xù)一段時間兄，就會在物體擱上方的空間形昏成一個較厚的賺反向電荷層。宋這個電荷層會挨加強電荷層與副雷云之間的電圍場強度而降低漠尖端物體上方柏的電場強度，恩同時也影響雷贏云放電時的發(fā)堵展路徑。射為什么場變放進電器放電會引孫發(fā)上行雷，而騰普通避雷針只臘是電暈放電？估普通弗蘭克林凈避雷針就是一錫個帶有尖端的方接地物體。在壯雷云逐漸靠近蔥的過程中，會香產(chǎn)生電暈放出植大量的反極性兩空間電荷，影歌響雷云放電時未的發(fā)展路徑。泉這也肯就是普通避雷坦針保護角小，子繞擊率高的主站要原因。唱所有的用于避頃雷的裝置如果乘帶有放電的尖叛端，在雷云電吵場中必然會出吹現(xiàn)預先電暈放庸電，產(chǎn)生大量榮的反極性空間侄電荷，出現(xiàn)雷冶電繞擊率高和諒保護角不穩(wěn)定和是必然的。國泉外有些產(chǎn)品宣味傳可以達到很軋好的保護效果咬，從其產(chǎn)品的拜圖形上看，有味極為尖銳的放削電尖端，在雷污云電場中出現(xiàn)聚電暈，產(chǎn)生大游量的反極性空孩間電荷是必然中的，出現(xiàn)繞擊求率高也是必然洲的，不可能表好現(xiàn)出宣傳中所談表述的效果。膚場變放電器由銹于結構設計保況證，在雷云逐成漸靠近時，