電力系統(tǒng)架空配電網(wǎng)的防雷害方案及原理說(shuō)明_secret

1、共 NUMPAGES 9頁(yè) 第 PAGE 9 頁(yè)電力系統(tǒng)架空配電網(wǎng)的防雷害方案及原理說(shuō)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(dá)到有人居住的各個(gè)角落。由于其特殊的、較低耐壓水平的絕緣結(jié)構(gòu)，每次在線路或線路的桿塔遭到雷電侵害時(shí)，必定有設(shè)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(jì)，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(jì)錄到150kA(05年廣東省電力系統(tǒng)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)記錄)。而我們線路塔的接地電阻一般為4歐；在雷擊到塔時(shí)，塔頂?shù)乃矔r(shí)電位可以達(dá)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

2、無(wú)法耐受，無(wú)論是雷擊導(dǎo)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(huì)經(jīng)常出現(xiàn)。為了減輕雷害，我們?cè)诰€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(huì)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(shí)際上由于高頻電流的作用，雷電流一般會(huì)離開(kāi)絕緣子表面，在空中形成空間電?。坏@種電弧短路，會(huì)將反擊塔頂電位傳遞到通流導(dǎo)線上，造成用戶變壓器和變電站同時(shí)進(jìn)波，危害會(huì)更大；使用低壓的線路避雷器，雖然線路上沒(méi)有電弧，但反擊進(jìn)波幅值只會(huì)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(shí)際上是沒(méi)有明確的

3、保護(hù)面積和保護(hù)角的，廣泛的使用并不會(huì)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(duì)大于20kA以上電流造成的反擊事故仍然無(wú)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(lái)，是減少了雷害事故，但始終不能從根本上解決雷害問(wèn)題，這實(shí)際上是我們的認(rèn)識(shí)上出現(xiàn)了偏差。問(wèn)題原因和結(jié)論我們以往對(duì)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(nèi)，對(duì)電流波形，對(duì)電壓進(jìn)波給電器設(shè)備造成的危害和防護(hù)研究的比較多。對(duì)雷電放電發(fā)生前數(shù)十秒甚至數(shù)百秒內(nèi)雷云對(duì)地面的影響和作用及保護(hù)設(shè)施的反應(yīng)情況研究的不多，認(rèn)識(shí)問(wèn)題的偏差出在此環(huán)節(jié)上。而這一段時(shí)間是我

4、們的第一道防護(hù)，也是最主要的防護(hù)。雷云電場(chǎng)是一個(gè)準(zhǔn)直流電場(chǎng)，其建立是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程；在雷云移動(dòng)逼近地面上的保護(hù)設(shè)施時(shí)，空間電場(chǎng)由弱變強(qiáng)，如果接地的保護(hù)設(shè)施帶有可以嚴(yán)重畸變電場(chǎng)的尖端，在周圍平均電場(chǎng)很弱的時(shí)候，尖端就開(kāi)始了電暈放電。由于是直流電場(chǎng)作用，被電離的空氣分子在電場(chǎng)的作用下遷移擴(kuò)散；與雷云極性相同的電荷被吸進(jìn)到尖端內(nèi)入地，反極性的電荷沿電場(chǎng)線向空間擴(kuò)散。遠(yuǎn)離尖端后，電場(chǎng)減弱，擴(kuò)散速度下降，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間電暈放電后，反極性的電荷會(huì)在尖端前形成一個(gè)反極性電荷層。達(dá)到一定濃度和厚度后，它將會(huì)嚴(yán)重的影響電場(chǎng)分布。它將增強(qiáng)電荷層與雷云之間的電場(chǎng)，并減弱電極尖端到電荷層邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，影響到雷電

5、放電的發(fā)展路徑。目前各種保護(hù)失敗的原因和結(jié)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(chǎng)強(qiáng)度；空間電場(chǎng)強(qiáng)度決定了放電發(fā)展的路徑。 這一點(diǎn)與雷電擊打較高處的物體的普遍認(rèn)識(shí)不矛盾，只是在這個(gè)較高處的物體自身在電場(chǎng)中的表現(xiàn)不像我們所期待的，而是出現(xiàn)了變異，我們沒(méi)有察覺(jué)而已。由于條件的約束，我們無(wú)法看到電場(chǎng)的變化和帶電空間電荷的對(duì)外表現(xiàn)，只能通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和其他方面的驗(yàn)證，這也就是百年來(lái)防雷理論沒(méi)有根本性進(jìn)展的外部原因。空間反極性電荷對(duì)電場(chǎng)的影響由電磁場(chǎng)基本教科書(shū)都可以查到電場(chǎng)的基本公式 2 = -/我們用架空地線和避雷針做例說(shuō)明：我們架空地線的直徑只有9mm。如果沒(méi)有空間電荷，電場(chǎng)的分布式按

6、下規(guī)律分布的。E=/(2r)相對(duì)地線外1米處的場(chǎng)強(qiáng)，地線表面的場(chǎng)強(qiáng)要高200倍。再加上由地面升旗的高度，地線表面的場(chǎng)強(qiáng)要高出較遠(yuǎn)處的平均場(chǎng)強(qiáng)約5000倍。如果我們把避雷針等效看成一個(gè)直徑2cm的、懸掛在空中的接地球。不考慮空間電荷時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度公式為E = Q/(4r2)僅相對(duì)距球外1米處的場(chǎng)強(qiáng)，針頂部表面的場(chǎng)強(qiáng)要高10000倍。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在平均空間電場(chǎng)達(dá)到1000V/M時(shí)，就會(huì)發(fā)生雷電放電，而實(shí)際上，在平均場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于此數(shù)值時(shí)，地線表面和避雷針頂部的場(chǎng)強(qiáng)就超過(guò)了大氣空氣的電離場(chǎng)強(qiáng)30000V/CM。如果雨前的氣壓再降低，大氣的空氣電離放電強(qiáng)度還要降低。所以說(shuō)這類防雷保護(hù)設(shè)備在雷云建立時(shí)都會(huì)持續(xù)發(fā)

7、生電暈現(xiàn)象，與雷云極性相同的電荷被吸進(jìn)到尖端內(nèi)入地，反極性的電荷沿電場(chǎng)線向空間擴(kuò)散。這些擴(kuò)散的空間電荷會(huì)大大地降低電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，使得電極的電暈放電減少；如果外電場(chǎng)不再增加且擴(kuò)散速度降低，最終電極的電暈會(huì)停止，空間會(huì)維持一個(gè)較為穩(wěn)定的反極性電荷層?？臻g電荷加強(qiáng)了電荷前到高壓電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度，帶有誘發(fā)放電的作用；只要沒(méi)有地面風(fēng)場(chǎng)或風(fēng)場(chǎng)較弱，反極性空間電荷就一定會(huì)在低壓電極側(cè)形成一個(gè)既引誘放電，同時(shí)又阻擋雷電放電向保護(hù)電極發(fā)展的電荷層。電荷的擴(kuò)散是沿著電場(chǎng)線進(jìn)行的，電場(chǎng)強(qiáng)度為0的方向上，擴(kuò)散將會(huì)停止，空間電荷將會(huì)在該處堆積，所以短時(shí)間不會(huì)擴(kuò)散到很遠(yuǎn)，只會(huì)在低壓電極的前方形成反極性電荷層。這也

8、就是說(shuō)，這種帶電氣體分子的擴(kuò)散只能時(shí)熱運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，是在有限空間范圍內(nèi)進(jìn)行的；只要有一定的時(shí)間，在這種空間電荷層中必然會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度很低的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散會(huì)很慢。從另一角度來(lái)說(shuō)，通過(guò)這種電暈放電來(lái)中和雷云電荷是不可能的，雷電是不可能在地面上通過(guò)大量的電暈排放電荷來(lái)消除的。在雷電放電發(fā)展最后過(guò)程中，被吸引到反極性電荷層前的放電流柱，無(wú)法在反極性電荷層造成的低場(chǎng)強(qiáng)方向上發(fā)展，必然會(huì)尋找其他電場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)的路徑發(fā)展。我們經(jīng)常看見(jiàn)放電出現(xiàn)拐彎和分叉的現(xiàn)象就是這個(gè)原因；這也就是經(jīng)常提到的繞擊現(xiàn)象。電力系統(tǒng)大量使用架空地線做為防雷保護(hù)，但仍出現(xiàn)了很多保護(hù)失敗的現(xiàn)象就是上所述的原因穩(wěn)定防護(hù)雷害的條件一個(gè)有效的

9、防雷保護(hù)設(shè)備必須是在各種氣象條件下都不會(huì)產(chǎn)生大量電暈，并不會(huì)產(chǎn)生足以影響空間電場(chǎng)和放電發(fā)展的、有一定厚度的反極性電荷層；這就是說(shuō)，保護(hù)設(shè)備上方的電場(chǎng)強(qiáng)度，相對(duì)周圍是最高的，這種設(shè)備才會(huì)有穩(wěn)定的保護(hù)范圍和保護(hù)率。穩(wěn)定的配網(wǎng)防雷保護(hù)方法是在被保護(hù)線路的經(jīng)常遭雷擊的區(qū)域建立一個(gè)雷電泄放通道，即架設(shè)獨(dú)立的引雷塔，將放電引導(dǎo)到指定的路徑上，避免線路遭雷擊。如果引雷塔上的設(shè)備能夠形成上行雷，可以更好和形成更大的保護(hù)范圍。實(shí)施方案：對(duì)于跨山腰的線路，如果山不太高大，可以在山頂上設(shè)置一個(gè)高于周圍樹(shù)木的引雷塔，只要計(jì)算一下被保護(hù)線路是否在70的保護(hù)角內(nèi)，這樣可以形成很大的保護(hù)范圍；對(duì)于跨山頂?shù)木€路，可以在線路邊

10、5-10米處設(shè)置一個(gè)引雷塔，高度比線路的最高點(diǎn)高出3-5米。對(duì)于平原地區(qū)，可以選擇高落雷區(qū)的最高點(diǎn)安裝一個(gè)引雷點(diǎn)，接地引線獨(dú)立引下，避開(kāi)電源和通訊線路引線，設(shè)置獨(dú)立的接地體，并在周圍和塔上設(shè)置警示牌。非人口稠密區(qū)引雷塔的接地電阻控制在50歐以下，其他地區(qū)控制在10歐以下即可。引雷塔接地體出線方向應(yīng)該避免向線路塔的方向伸出和與塔的接地接觸。由于這些引雷塔大部分在野外和山區(qū)，且放電頻繁，為避免人畜靠近塔身而造成跨步電壓傷害，在塔身附近應(yīng)設(shè)有警示保護(hù)區(qū)域，保護(hù)區(qū)的大小有下計(jì)算：假設(shè)將接地極等效看成一個(gè)半徑為r0的半球體，臨近的土壤電阻率為，半球體到無(wú)窮遠(yuǎn)的電阻為R=/(2 r0)。這個(gè)電阻也就是我們

11、測(cè)量所得的接地電阻。如果塔身流過(guò)的總電流為I，并均勻發(fā)散，則塔身周圍的電位分布為：Vx = I */ （2 x2）由于塔身附近的電位差最大，我們計(jì)算由x到x+0.7m處電位差U=I*R*r0(1/x-1/(x+0.7)。如果我們假設(shè)塔身流過(guò)的平均電流為10kA，接地電阻為10歐，取等效接地體的半徑為0.3米，計(jì)算=2米處的跨步電壓： U2 = 3.9kV。按帶電作業(yè)人體最大容許通過(guò)電流（非通過(guò)心臟）20mA計(jì)算（高空作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，地面可以放寬一些），人體電阻可以到190k；人體的電阻一般為300k500k。2米以外的跨步電壓對(duì)人體是基本安全的。如果接地電阻R達(dá)到50歐，3米左右的圍欄就可以滿足要求

12、。如果雷電流幅值不能控制在10kA以下，則保護(hù)欄就要到5-7米以上才能保證基本安全，所以引雷設(shè)備應(yīng)選擇可以形成上行雷電流的場(chǎng)變放電器。這種保護(hù)的計(jì)算可以用到建筑物上方安裝引雷針的接地體上，如果地表面有整塊的水泥板，由于水泥板的電阻較高，保護(hù)欄的尺寸還可以更小。實(shí)際上，我們的接地電極并不是一個(gè)球體，通常我們會(huì)用網(wǎng)狀或線狀的接地棒、帶構(gòu)成，在這個(gè)網(wǎng)、帶構(gòu)成的接地體上面的土壤中并沒(méi)有很大的電流。比如我們接設(shè)接地帶的長(zhǎng)度為5米，接地電流為10kA，按照標(biāo)準(zhǔn)的雷電流波形計(jì)算，其電流波頭的電流變化率只有2kA/uS；接地導(dǎo)線的電感按1uH/m計(jì)算，塔伸到接地體末端5米的距離上的電位差只有10kV；每米不到

13、2kV，所以地表面幾乎沒(méi)有電流。在接地體區(qū)域外的地方仍然可按集中接地體的電流發(fā)散計(jì)算。對(duì)于這種網(wǎng)、帶式的接地體，只要使保護(hù)欄做到使欄邊的人伸臂無(wú)法觸及塔身即可保證人身安全。接地電阻 接地方式措施參數(shù)4歐姆10歐姆等效半球接地保護(hù)欄范圍（半徑）1.5m2m邊界跨步電壓小于4KV約為4KV工字型接地（邊長(zhǎng)10m）保護(hù)欄范圍1m1m邊界跨步電壓小于1KV小于1KV網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)接地（等效6m*6m）保護(hù)欄范圍1m1m邊界跨步電壓小于1KV小于1KV備注：本表參數(shù)均以場(chǎng)變放電器作為雷電接閃器的獨(dú)立引雷塔參數(shù)計(jì)算。對(duì)于目前還有一定數(shù)量的35kV配網(wǎng)的防雷問(wèn)題，除了可以使用獨(dú)立的引雷塔方案外，還可以選擇在線路塔

14、上安裝帶有形成上行雷功能的場(chǎng)變放電器保護(hù)的方案，這里要指出的是必須要形成上行雷電流。如果我們不考慮線路桿塔的電感，只考慮接地電阻；在接地電阻小于4歐的條件下，上行雷10kA的電流幅值引起的塔頭電位只有40kV，35kV線路40cm以上的空間距離完全可以耐受，不會(huì)造成閃絡(luò)接地。即使是接地電阻達(dá)到20歐，絕緣水平仍然有余度。但如果不能形成上行雷，而將100kA以上的強(qiáng)大下行雷引到線路塔上，在塔頭上形成400600kV的沖擊電壓電位，即使是110kV線路也不能承受，會(huì)出現(xiàn)反擊跳閘現(xiàn)象；如果接地電阻大到20歐，500kV線路都會(huì)耐受不住產(chǎn)生反擊接地跳閘。對(duì)于接地電阻控制在4歐以下的10kV線路桿塔，采

15、用安裝帶有形成上行雷功能的場(chǎng)變放電器保護(hù)的方案也可以達(dá)到保護(hù)的作用（在無(wú)條件架設(shè)獨(dú)立引雷塔情況下使用本方法）。因?yàn)橐黄^緣子的工頻濕閃電壓約為40kV，雷電閃絡(luò)電壓還要高于這個(gè)數(shù)值。圖一安裝方案：均壓環(huán)組裝前組裝中鎖緊螺栓組裝后1、FCP系列場(chǎng)變放電避雷針組裝非常簡(jiǎn)單，只要有1平方米的地方即可操作。2、避雷針與支撐桿之間的銜接是用所配的4顆M12螺栓固定（如右圖） 試點(diǎn)安裝報(bào)價(jià) 場(chǎng)變放電器本體單價(jià)為： 元，施工和安裝費(fèi)用以及升高塔身的塔架、螺栓等不含在內(nèi)，需另做預(yù)算。場(chǎng)變放電器技術(shù)答疑雷云電場(chǎng)的特點(diǎn)是什么?雷云是指帶有正極性或負(fù)極性電荷的云團(tuán)。其特性是云團(tuán)隨著氣流在移動(dòng)，其上所帶的電荷也隨云團(tuán)

16、移動(dòng)，由云團(tuán)積聚的電荷對(duì)地面產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)；云團(tuán)距地面高度變化時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化；地面任一特定物體上方的電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)隨著云團(tuán)的移動(dòng)而產(chǎn)生變化，這個(gè)地面電場(chǎng)大小是由云團(tuán)電場(chǎng)和空間電荷共同決定的。也就是說(shuō)地面物體上方的空間電荷會(huì)畸變其上方的電場(chǎng)。電場(chǎng)決定放電時(shí)電流發(fā)展的方向，所以，空間電荷決定了雷電放電的路徑。電暈放電的特點(diǎn)？空間電荷的運(yùn)動(dòng)？一個(gè)帶有尖端的物體處于電場(chǎng)中，由于尖端造成了其前方電場(chǎng)的極度不均勻，當(dāng)這個(gè)電場(chǎng)達(dá)到30kV/cm（標(biāo)準(zhǔn)1個(gè)大氣壓下）時(shí)，空氣就會(huì)被電離；與雷云電荷極性相反的反極性電荷被推向空中，同極性電荷則被吸收進(jìn)物體入地或抬高物體在該電場(chǎng)中的相對(duì)電位。這種放電的自然目的是降

17、低尖端前方的電場(chǎng)強(qiáng)度，即降低電場(chǎng)儲(chǔ)能。這是符合自然界中最低能量原理。在尖端前方電場(chǎng)降到30kV/cm以下時(shí)，電離放電停止。被排到空中的反極性電荷在雷云電場(chǎng)的吸引下向雷云方向運(yùn)動(dòng)，形成了電荷的擴(kuò)散過(guò)程；反極性電荷擴(kuò)散后，尖端前方電場(chǎng)上升，又發(fā)生電離放電。這種放電就稱為電暈放電。空間電荷的擴(kuò)散是一種氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程，擴(kuò)散速度較慢，在遠(yuǎn)離尖端后，由于電場(chǎng)強(qiáng)度下降，擴(kuò)散速度也會(huì)降低。在直流電場(chǎng)中，如果電暈放電持續(xù)一段時(shí)間，就會(huì)在物體上方的空間形成一個(gè)較厚的反向電荷層。這個(gè)電荷層會(huì)加強(qiáng)電荷層與雷云之間的電場(chǎng)強(qiáng)度而降低尖端物體上方的電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)也影響雷云放電時(shí)的發(fā)展路徑。為什么場(chǎng)變放電器放電會(huì)引發(fā)上

18、行雷，而普通避雷針只是電暈放電？普通弗蘭克林避雷針就是一個(gè)帶有尖端的接地物體。在雷云逐漸靠近的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電暈放出大量的反極性空間電荷，影響雷云放電時(shí)的發(fā)展路徑。這也就是普通避雷針保護(hù)角小，繞擊率高的主要原因。所有的用于避雷的裝置如果帶有放電的尖端，在雷云電場(chǎng)中必然會(huì)出現(xiàn)預(yù)先電暈放電，產(chǎn)生大量的反極性空間電荷，出現(xiàn)雷電繞擊率高和保護(hù)角不穩(wěn)定是必然的。國(guó)外有些產(chǎn)品宣傳可以達(dá)到很好的保護(hù)效果，從其產(chǎn)品的圖形上看，有極為尖銳的放電尖端，在雷云電場(chǎng)中出現(xiàn)電暈，產(chǎn)生大量的反極性空間電荷是必然的，出現(xiàn)繞擊率高也是必然的，不可能表現(xiàn)出宣傳中所表述的效果。場(chǎng)變放電器由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證，在雷云逐漸靠近時(shí)，不產(chǎn)生電暈放電，在其上空沒(méi)有反極性空間電荷層減弱放電器前方的電場(chǎng)。當(dāng)空間電場(chǎng)增強(qiáng)到可以使放電器動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生的任何一次放電電弧都會(huì)使放電器前方的電場(chǎng)進(jìn)一步畸變，畸變并增強(qiáng)的電場(chǎng)又將電弧前方的空氣電離，最后產(chǎn)生由放電器向上發(fā)展的上行雷電流。什么條件下普通避雷針會(huì)形成雷擊放電電流？普通避雷針也是有一定的防護(hù)效果的，在雷云移動(dòng)比較快的條件下，或地空風(fēng)速較大，反極性空間電荷層來(lái)不及形成可以嚴(yán)重影響放電路徑的情形下；雷云很強(qiáng)，可以穿透反極性空間電荷層阻擋的情況下，雷云就可以擊打在較高的避雷針上，形成下行雷電流波。直擊、繞擊、反擊的定義解釋雷電擊中沒(méi)有任何保護(hù)的物體稱為直擊；