對電力系統(tǒng)雷電過電壓與絕緣配合的分析

對電力系統(tǒng)雷電過電壓與絕緣配合的分析摘要：隨著社會經(jīng)濟水平發(fā)展的不斷提升，對電力供應質量要求也不斷提高，電力系統(tǒng)的供電可靠性面臨極大的挑戰(zhàn)。而電力系統(tǒng)故障中，雷害事故占到較大比例。本文分析雷電過電壓對電力系統(tǒng)造成的危害，進而探究電力系統(tǒng)中如何有效預防雷電過電壓與絕緣配合，并提出可行性措施，對于保障電力系統(tǒng)良好運行有所幫助。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；雷電過電壓；絕緣配合

對于電力系統(tǒng)來說，雷電災害是無法避免的，因為雷雨天氣中強烈的空氣對流會誘發(fā)雷電現(xiàn)象，起產(chǎn)生強大的電流、炙熱的高溫、強烈的電磁輻射及猛烈的沖擊波等物理效應作用在電力系統(tǒng)上，會造成嚴重的破壞，供電無法正常進行，甚至出現(xiàn)嚴重的生命財產(chǎn)損失[1]。所以，為了避免此種不良現(xiàn)象的發(fā)生，一方面要有效預防雷電過電壓，另一方面要設置絕緣配合，以此來真正保證電力系統(tǒng)的安全性，為使電力系統(tǒng)長期安全、穩(wěn)定、高效的運行創(chuàng)造條件。

一、電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合的概述

（一）過電壓的概述

通常情況下，過電壓是指超過額定的最高運行的電壓，它包括大氣過電壓和內部過電壓，其中大氣過電壓還包括直擊雷過電壓和感應雷過電壓；而內部過電壓則包括操作過電壓和諧振過電壓。本文所研究的電力系統(tǒng)雷電過電壓包括靜電感應，也就是雷云之中電荷迅速消失，致使導線上的電荷失去一定的束縛力，形成一個個自由的電子，以光的速度向導線兩端急速涌去；電磁感應，也就是雷電流動幅度和陡度較大，進而在周圍形成特別大的電磁場，相應的存在其中的導體會產(chǎn)生很大的電動勢[2]。

（二）絕緣配合的概述

所謂絕緣配合，就是綜合考慮電氣設備在電力系統(tǒng)中可以承受的各種電壓（工作電壓及過電壓）、保護裝置的特性和設備絕緣對各種電壓的耐受特性，合理地確定設備必要的絕緣水平、以使設備的造價、維修費用和設備絕緣故障引起的事故達到在經(jīng)濟上和安全運行上的總體效益最高的目的。

絕緣配合的原則：在技術上要處理好各種作用電壓、限壓措施及設備耐受能力三者之間的相互配合關系；在經(jīng)濟上要協(xié)調投資費用、維護費用及事故損失費用的三者關系。

二、雷電過電壓對電力系統(tǒng)造成的危害

通常將雷電引起的電力系統(tǒng)過電壓稱為大氣過電壓。大氣過電壓分為感應雷過電壓和直擊雷過電壓。雷電對電力系統(tǒng)的傷害包括直擊、反擊、侵入等集中類型。大氣過電壓對電力系統(tǒng)是有害的，所以必須加以預防。感應雷過電壓一般不會超過500kV，對35kV及以下電壓等級的絕緣是有危險的，而對110kV以上的設備，絕緣最小沖擊耐壓水平通常以高于此值，一般不會產(chǎn)生危害。因此，電力系統(tǒng)防雷的重點是直接雷防護。

發(fā)電廠、變電站是電力系統(tǒng)的心臟，通過變壓，作為一個個的樞紐中心，如果它們受到雷擊損壞，將帶來大面積停電事故，嚴重時還可能會引起電力系統(tǒng)的瓦解，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會穩(wěn)定。輸電線路是電力系統(tǒng)的大動脈，將巨大的電能輸送到四面八方。漫長的輸電線路遭受雷擊的機會較多。雷害事故引起的跳閘，影響系統(tǒng)的正常供電，增加線路及開關設備的維修工作量，影響安全運行。

所以，高度重視并且加強電力系統(tǒng)雷電過電壓的防范是非常必要的。

三、電力系統(tǒng)中預防雷電過電壓與絕緣配合的有效措施

通過以上對雷電過電壓給電力系統(tǒng)帶來的危害分析，若不加以處理，將會對正常供電造成影響，甚至造成嚴重的生命財產(chǎn)損失社會穩(wěn)定。所以，在電力系統(tǒng)中做好預防雷電過電壓與絕緣配合尤為重要。

（一）防雷保護措施

1、發(fā)電廠和變電站的防雷保護

發(fā)電廠和變電站的雷害事故來自兩個方面：一是直擊發(fā)電廠和變電站；二是雷擊輸電線路產(chǎn)生的雷電波沿線路進入發(fā)電廠和變電站。

發(fā)電廠和變電站防止直擊雷的措施是采用避雷針、避雷線及良好的接地網(wǎng)。對入侵波防護的主要措施是在發(fā)電廠和變電站內安裝避雷器以限制電氣設備上的過電壓幅值；同時在發(fā)電廠和變電站的進線保護端上采取相應措施，以限制流過閥型避雷器的雷電流和降低侵入波的陡度，對于直配電機，在電機母線上裝設電容器以降低侵入波的陡度，使電機的匝間絕緣和中性點絕緣不受損壞。

2、輸電線路的防雷保護

輸電線路防雷是減少電力系統(tǒng)雷害事故及其引起電量損失的關鍵，做好輸電線路的防雷工作，不僅可以提高輸電線路本身的供電可靠性，而且還可以使發(fā)電廠、變電站安全運行，這是一舉兩得的事。

輸電線路的防雷任務是采用技術上與經(jīng)濟上的合理措施，使系統(tǒng)雷害降低到運行部門能夠接受的程度，保證系統(tǒng)安全可靠運行。一般采取下列措施：

（1）防止雷直擊導線。沿線架設避雷線，有時還要裝避雷針與其配合。在某些情況下可以改用電纜線路，使輸電線路免受直接雷擊。

（2）防止雷擊塔頂或避雷線后引起絕緣閃絡。輸電線路的閃絡是指雷擊塔頂或避雷線時，使塔頂點位升高，這樣原被認為是接地的桿塔現(xiàn)在卻具有高電位，因而有可能對導線放電，使過電壓加到導線上，這種現(xiàn)象也成為反擊或逆閃絡。雷擊線路不致引起絕緣閃絡的最大雷電流幅值，稱為線路耐類水平。線路的耐雷水平越高，其絕緣發(fā)生閃絡的機會就越小。為此，降低桿塔的接地電阻，增大耦合系數(shù)，適當加強線路絕緣，是提高線路耐雷水平，減少絕緣閃絡的有效措施。

（3）防止雷擊閃絡后轉發(fā)為穩(wěn)定的工頻電弧。當絕緣子串發(fā)生閃絡落后，應盡量使它不轉化為穩(wěn)定的工頻電弧，因為工頻電弧建立不了，線路則不會跳閘。

（4）防止線路中斷供電?？刹捎米詣又睾祥l，或雙回路、環(huán)網(wǎng)供電等措施，使線路跳閘也不會中止供電。

（二）絕緣配合措施

1、電氣設備的絕緣配合

絕緣配合的最終目的就是確定電氣設備的絕緣水平。所謂電氣設備的絕緣水平是指該電氣設備能承受的電壓值。一般釆取以下措施：

（1）考慮設備在運行時要承受運行電壓、工頻過電壓及操作過電壓。應對電氣設備絕緣規(guī)定短時工頻試驗電壓，一般電氣出廠只做1分鐘工頻耐壓試驗。對外絕緣還要規(guī)定干狀態(tài)和濕狀態(tài)下的工頻放電電壓；

（2）考慮在長期工作電壓和工頻過電壓作用下內絕緣的老化和外絕緣的抗污性能，應規(guī)定一些設備的長時間工頻試驗電壓；

（3）考慮到雷電過電壓對絕緣的作用，應規(guī)定雷電沖擊試驗電壓等，在技術上力求做到作用電壓與絕緣強度的全伏秒特性配合。

操作沖擊電壓和雷電沖擊試驗電壓可用工頻電壓來等價試驗，如下圖：

確定工頻試驗電壓

其中：β1為操作沖擊電壓換算為等效工頻電壓系數(shù)

β2為雷電沖擊電壓換算為等效工頻電壓系數(shù)

可見，工頻耐壓值，代表了絕緣對操作過電壓、雷電的總的耐受水平，只要設備能通過工頻耐壓試驗，就認為該設備在運行中遇到內部、大氣過電壓時能保證安全。但對于超高壓電氣設備，考慮到操作波對絕緣作用的特殊性，用工頻電壓來代替操作過電壓、雷電過電壓是不恰當?shù)?，需?guī)定操作、雷電沖擊試驗。

（4）設備的絕緣水平與避雷器的保護水平進行配合。避雷器的保護水平包括雷電沖擊保護水平（BIL）和操作沖擊（BSL）。應該根據(jù)設備可能遭受的雷電和操作過電壓程度、所用限制過電壓保護裝置的性能、系統(tǒng)的重要性等來決定避雷器的選擇。

（5）在220kV下的電力網(wǎng)絡系統(tǒng)之中，在具體設置電氣設備的絕緣水平時，還要詳細了解實際情況及需要的絕緣配合程度，進而選擇適合的、有效的絕緣配合方法，如統(tǒng)計法、慣用法、簡化統(tǒng)計法等。

（6）在絕緣配合中不考慮諧振過電壓的，因此，在電網(wǎng)設計和運行中都應當避開諧振過電壓的產(chǎn)生。

（7）一般不考慮線路絕緣與發(fā)電廠、變電站絕緣間的配合問題。如降低線路絕緣使之與發(fā)電廠、變電站的絕緣相配合，則會使線路事故大大增加。

2、輸電線路的絕緣配合

確定輸電線路的絕緣水平，包含確定絕緣子串的選擇及線路絕緣的空氣間隙。

（1）絕緣子串的選擇。因為工作電壓是否發(fā)生污閃、操作過電壓是否發(fā)生濕閃、絕緣子串是否具有較強雷電沖擊絕緣水平，直接關乎絕緣子串能否長期安全穩(wěn)定高效的使用，所以，為了提高絕緣子串的應用效果，應當按照工作電壓要求，對絕緣子串的沿地爬電距離予以有效控制。線路的閃絡率與線路的爬電比距關系密切，可對線路所在區(qū)的污穢等級來分析線路可靠運行情況，進而利用的計算公式，即可準確計算出絕緣子串的沿面爬電距離[8]。

（2）空氣間距的選擇。為了提高輸電線路的絕緣性，在進行輸電線路的絕緣配合時，應當綜合分析輸電線路運行實際情況及可能遭受的雷擊情況，進而慎重的合理控制導線對面、導線之間、導線與地線之間、導線與桿塔之間的空氣間距。

結束語：

通過分析雷電過電壓易給電力系統(tǒng)帶來嚴重負面影響的情況，確定防雷保護方面，應加強對發(fā)電廠、變電站和輸電線路防雷保護；絕緣配合方面，應加強對電力系統(tǒng)的絕緣配合、輸電線路的絕緣配合，有效保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的、高效的運行，為社會經(jīng)濟發(fā)展打下堅實的基礎。由此看來，電力系統(tǒng)之中預防雷擊過電壓與絕緣配合具有較高的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]林殿忠.淺析雷電過電壓燒斷中壓架空絕緣導線[C].//中國城市供電學術年會論文集.2011:232-233.

[2]周歧斌,邊曉燕,傅正財?shù)?香港地區(qū)電氣化鐵路直流電力牽引系統(tǒng)電力電纜的雷電過電壓分析[J].中國鐵道科學,2012,30(4):91-95.

[3]張丹.110kV電力系統(tǒng)雷電過電壓仿真研究及絕緣配合分析[D].內蒙古工業(yè)大學,2015.

[4]李曉,劉蘇云,徐晨等.基于EMTP的500kV變電站雷電防護與絕緣配合研究[J].通信電源技術,2013,30(6):8-10.

[5]周瑜,席保鋒,徐陽等.過電壓監(jiān)測技術與設備