低壓架空線路感應雷擊過電壓的計算與防護研究

目錄摘要 I引言 11架空線路研究背景和研究意義 11.1研究背景與意義 11.2國內外研究現(xiàn)狀 11.2.1關于架空配電線路感應雷過電壓計算的研究 11.2.2關于架空配電線路感應雷過電壓防護的研究 21.3本文的研究內容及主要工作 32雷電放電介紹以及雷電參數(shù) 32.1雷電的物理過程 32.1.1雷云中的電荷分布與起電機理 32.2雷電放電過程 42.3雷電流波形概述 52.3.1利用沖擊電流發(fā)生器模擬雷電流波形 52.3.2雷電流波形概念 62.4雷電流參數(shù) 63低壓架空配電線路雷電感應過電壓的計算 73.1架空線路上的雷電感應過電壓 73.3推倒公式適用范圍 83.4據(jù)落雷點小于65m時，線路感應雷過電壓與各參數(shù)的關系分析 93.5架空線路感應雷擊過電壓計算總結 104感應雷擊過電壓防護分析 104.1配電線路各類雷擊故障分析 104.2避雷器的介紹與應用 114.2.1特點與分類 114.2.2有間隙氧化鋅避雷器工作原理 114.2.3避雷器防雷效果仿真 124.3其他防雷措施 134.3.1防雷金具與防弧金具 134.3.2保護間隙 134.3.3采用絕緣塔頭和橫擔 144.4防護結語 14文獻檢索 14致謝 17ContentsAbstract IIntroduction 11Overheadlinetheresearchbackgroundandresearchsignificance 11.1Theresearchbackgroundandsignificance 11.2Theresearchstatusathomeandabroad 11.2.1Researchonoverheaddistributionlinesinductionlightningovervoltagecalculation 11.2.2Researchonoverheaddistributionlinesinductionlightningovervoltageprotection 21.3Inthispaper,theresearchcontentandmainwork 32Lightningdischargeisintroducedaswellasthelightningparameters 32.1Thephysicalprocessoflightning 32.1.1Thechargedistributionandelectrificationmechanismthundercloud 32.2Lightningdischargeprocess 42.3Summaryoflightningcurrentwaveform 52.3.1Usingtheimpulsecurrentgeneratortosimulatethelightningcurrentwaveform 52.3.2Theconceptoflightningcurrentwaveform 62.4Lightningcurrentparameters 63Low-pressureoverheadpowerdistributionlinelightninginducedover-voltagecalculation 73.1Lightninginducedover-voltageofoverheadlinesontheroad 73.2Overheadlinelightninginducedover-voltagecalculationmodel 73.3Thecomparisonofthederivedformulaandmaterials 83.4Accordingtogroundlightningislessthan65m,acircuitinductionlightningovervoltageandrelationshipbetweentheparametersofpoint 93.5Overheadlinelightningovervoltagecalculationconclusion 104Inductionlightningovervoltageprotectionanalysis 104.1Thefaultanalysisofallkindsoflightning 104.2Theintroductionandapplicationofsurgearrester 114.2.1Thecharacteristicsandclassificationof 114.2.2Workingprincipleofthezincoxidelightningarresterclearance 114.2.3Lightningarresterlightningprotectioneffectismeasured 124.3Othermeasuresforlightningprotection 134.3.1Withthelightningprotectionandpreventionwiththearc 134.3.2Protecttheclearance 134.3.3Insulationoftowerheadandcrossarm 144.4Protectiveepilogue 14Literatureretrieval 17Thanks 17低壓架空線路感應雷擊過電壓的計算與防護研究摘要：低壓架空配電線路架設高度低，絕緣相對薄弱，絕緣子閃絡或線路故障頻發(fā)，相關研究表明，這些故障主要引起因素為感應雷擊過電壓，比例甚至超過90%。本文從自然雷電的形成作為切入點，逐步深入，結合實際分析各種雷電參數(shù)，并且研究分析了低壓架空配電線路旁接閃物體及架空線路的高度，線路與雷擊點間距等參數(shù)對架空線路感應過電壓的影響，從而推導出架空線路雷擊時感應雷點過電壓的計算公式。然后，通過對比傳統(tǒng)文獻，得出公式適用范圍。最后，從降低配電線路感應雷擊過電壓的角度，分析了低壓配電線路感應過電壓的危害，著重研究了避雷器對降低雷電過電壓和提高線路耐雷水平的效果，并提出了其他有效的防雷措施，保障線路安全。關鍵詞：電力系統(tǒng)感應雷擊過電壓架空配電線路防雷措施

Researchonpresentandtheprospectoftieredelectricityprice(Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018)Abstract：Lowoverheaddistributionlineconstructionheightislow,insulationrelativelyweak,insulatorflashoverorfrequentlinefault,relatedstudieshaveshownthatthesefailurescausedmainlyfactorsforinductionlightningovervoltage,evenmorethan90%.Fromtheformationofnaturallightningasthebreakthroughpoint,thispaperdeepens,combinedwiththeactualanalysisoflightningparameters,andanalysistheoverheaddistributionlinesadjacenttotheheightoftheobjectandtheoverheadline,thelinewithalightningstrikepointspacingforoverheadlineparameters,suchastheinfluenceoftheinducedover-voltage,thusdeducestheoverheadlinelightninginductionlightningovervoltagecalculationformula.Then,theformulagivenintraditionalliteraturecomparing,in-depthstudypublishedapplicationsunderdifferentconditions.Finally,fromtheperspectiveofreducingdistributioncircuitinductionlightningovervoltage,analyzedtheharmof35kvpowerdistributionlinesinducedover-voltage,thispaperstudiesthelightningarrestertoreducelightningovervoltageandimprovetheeffectoflinelightningresistinglevel,andothereffectivelightningprotectionmeasuresareputforward,toensurethesafetyofline.Keywords:electricalpowersystemInductionlightningovervoltageOverheaddistributionlinesLightningprotectionmeasures引言當今社會人類的經(jīng)濟科技高速發(fā)展，社會的進步與電力密切相關，人類需要電力供應的可靠性更高，一旦發(fā)生停電等事故會打擾正常的生產生活秩序，給社會帶來很嚴重的經(jīng)濟損失，架空線路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分,它將巨大的電能輸送到四面八方,是連接各個變電站、各重要用戶的紐帶。架空線路的安全運行,直接影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此,架空線路的安全運行在電網(wǎng)中有著十分重要的地位。統(tǒng)計資料表明,雷電是危害架空線路的重要因素。對于架空配電線路，絕緣相對薄弱，極易遭受雷電威脅，影響供電可靠性，因此本文對于架空線的防雷與計算進行了研究，希望能夠找到有效的防雷措施以保證電力系統(tǒng)能夠的穩(wěn)定運行。1架空線路研究背景和研究意義1.1研究背景與意義雷電是一種極為壯觀的自然現(xiàn)象，在大氣中產生激烈的靜電中和現(xiàn)象，有著極其強大的破壞力.雷電災害是指直接的供電中斷，人員傷亡和經(jīng)濟損失以及由此帶來的衍生經(jīng)濟損失和不良社會影響。雷電災害是自然界中影響人類活動的最重要災害之一，已經(jīng)被聯(lián)合國列為“最嚴重的十種自然災害之一”。據(jù)有關部門統(tǒng)計，將范圍擴大為全球，時刻都發(fā)生著雷電的奇觀，平均每天達多萬起，每年要發(fā)生多億起。雷電是強電電磁脈沖的一種，閃電通道的電壓很高，有極大的威力，產生強大的熱效應，電動力效應等，研究表明雷電過電壓甚至高達幾百萬伏，過電流達幾萬安，如此高壓與大電流將嚴重損害輸配電線路或供電設備，每年有非常多的電力系統(tǒng)事故來自雷電。因此，相關供電部門一直致力于減少雷電危害，提高供電可靠性。國內低壓配電線路，絕緣水平并不是很高很易受到雷擊過電壓的影響，雷擊過電壓分為三種，分別為雷擊線路產生的感應雷擊過電壓，雷擊桿塔產生的反擊過電壓和雷擊架空線路產生的直擊雷電過電壓。雷擊過電壓作用容易引起線路跳閘，斷線，絕緣子閃絡等事故，嚴重影響生產生活用電。研究表明感應過電壓為三種雷擊過電壓中最為頻發(fā)的，是導致絕緣子閃絡主要原因，其導致的故障率超過90%。因此，我們需要計算感應雷擊過電壓，從根本上尋求雷擊危害的防護方法。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1關于架空配電線路感應雷過電壓計算的研究雷擊線路附近大地時，架空配電線路產生感應雷過電壓。計算感應雷擊過電壓需要從兩部分著手，首先,計算雷電通道周圍電磁場，這部分需要建立雷電回擊模型。第二部分,建立雷電通道與電磁場的耦合模型以此來計算線路感應雷過電壓。截至現(xiàn)在,國內外都是從以下幾個方面來研究關于架空配電線路感應雷過電壓計算：(1)雷電回擊模型雷電具有隨機性和復雜性,所以不可能建立一個統(tǒng)一的數(shù)學模型,盡管如此，雷電數(shù)學模型的建立需要很多實驗觀測有關的數(shù)據(jù),如通道底部電流大小、回擊傳播速度、電磁場等。(2)雷電放電通道模型對雷電通道的建模如果按照實際去求過于麻煩。雷電通道并不垂直于導線且表現(xiàn)出一定的曲折性，但是因為雷電通道的曲折性并不固定，呈現(xiàn)一定的隨機性，為了簡化計算，按照相關文獻的要求都是將雷電通道簡化為垂直于地面的導線，并按照天線理論來研究。(3)雷電通道周圍電磁磁場的計算雷電通道周圍電磁場的理論計算主要是根據(jù)麥克斯韋方程組進行求解。采用單極子技術和偶極子技術求解了雷電電磁場的麥克斯韋方程組。國內關于雷電電磁場計算的文獻也很多,對雷電電磁場的計算也進行過比較深入的研究。(4)雷電通道周圍電磁場與傳輸線的耦合模型綜合前人對于雷電通道電磁場與傳輸線的耦合模型研究成果,電磁場與傳輸線耦合模型大概有以下三種①Taylor模型②Agrawal模型③Rashidi模型，第一種模型認為傳輸線同時受由傳輸線回路交鏈的磁鏈引起的分布電流源和由兩導體間的電場引起的分布電壓源兩種源激勵。第二種模型以散射理論為基礎分析電磁場與傳輸線耦合模型,分布電壓源為唯一的激勵源。第三種模型的激勵源為磁場引起的電流源。這三種模型各物理量的定義不同,模型不同,同一入射分量引起的感應電壓或電流占總電壓電流比例不同，但計算出的總電壓和總電流是相同的。(5)架空配電線路感應雷過電壓計算目前國內并沒有很多關于次計算的研究,防雷規(guī)程中對線路感應雷過電壓幅值的計算做了如下規(guī)定：當雷擊點與線路水平距離時,計線路感應過電壓計算如下式所示：(kV)(1-1)式中：I為雷電流幅值，單位kA，h為線路高度，單位m。1.2.2關于架空配電線路感應雷過電壓防護的研究架空配電線路感應雷過電壓的防護需從兩個方面入手，分別是限制感應雷擊過電壓與降低感應雷擊過電壓。國內外從降低感應雷過電壓角度研究防雷措施的并不多。通過查閱資料，有關文獻中提出安裝“感應雷屏蔽線”是降低架空配電線路的感應雷過電壓的有效措施,并在實際中證實了此研究，但并沒有找到感應雷屏蔽線安裝在何處最為有效的研究。國內外當前研究最多的防雷措施是從降低感應雷擊過電壓入手的,相關的防護措施有安裝避雷裝置、加強線路絕緣、絕緣金具等。不同的情況有不同的防雷措施。絕緣導線的防雷問題是被研究最多的情況，最有效的措施是安裝避雷器以限制感應雷過電壓。1.3本文的研究內容及主要工作(1)介紹配電線路感應雷過電壓的背景知識，包括感應雷過電壓研究意義。(2)詳細概述了自然界雷電放電的物理機理，對雷電的形成及其特征，雷雨云的物體結構進行介紹，并且結合實際介紹雷電流參數(shù).(3)研究了負極性雷對大地或建筑物放電時，架空配電線路感應雷過電壓的計算模型與方法.(4)從配電線路上的感應雷過電壓危害進行分析，研究采取各類防護措施對感應雷過電壓的影響，重點分析安裝線路避雷器對配電線路感應雷過電壓的降低效果。2雷電放電介紹以及雷電參數(shù)2.1雷電的物理過程2.1.1雷云中的電荷分布與起電機理雷電起源與大氣電場的存在有關，電流伴隨著大氣電場運動產生，導致大氣中體電荷分布發(fā)生變化，逐漸就會有可能發(fā)生雷暴天氣，出現(xiàn)閃電，或者稱雷雨云。圖2-1雷雨云中的電荷分布的典型分布圖上圖就表明了世界公認的典型雷雨云的電荷分布特征。實測表明，正電荷的云層主要在5km到10km的高度，負電荷的云層主要在1km到5km的高度，在底部有一小部分地方聚集正電荷。正電荷的分布不均勻，會形成很多電荷密集中心。單個聚集中心電荷約為0.1C10C，而整塊雷云所帶電量可達數(shù)百庫。雷云平均場強約為，遭受雷擊時，電場強度則可達340。目前，大氣物理學家提出了如下幾種雷雨云起電機理：(1)感應起電機理研究表明，由于地球帶負電，在地球上空存在正電荷的電離層，所以地球上形成了從上而下強電場。在晴天時，大氣電場方向自上而下，空氣中的水滴或冰晶在大氣電場作用下發(fā)生極化，形成了電場方向由上致下的降水粒子。由于這種極化粒子的存在，降雨時，雨滴與大氣離子相遇，將俘獲其中負離子，中和其中正離子，從而使降水粒子具有凈負電荷。云中攜帶凈負電荷降水粒子重力沉降，在云團下部形成一個大的負電荷區(qū)，而大氣正輕離子較輕，跟隨上升氣流，在云團上部形成正電荷區(qū)，這樣得以實現(xiàn)云中電荷的重力分離。(2)溫差起電機理一些對流云在在0℃線以上云頂部高度后,可能出現(xiàn)在云中冰晶和過冷水滴共存的情況,在冰晶中含有大量的自由離子。包括帶正電的氧離子和帶負電的氫氧根離子。正負離子濃度隨溫度上升將增高,如果在維持穩(wěn)定的溫差，在冰晶的兩端,熱的一端正負離子濃度大于冷的一端,濃度不均勻會導致離子的擴散遷移,由于氫離子的重量在冰上晶格擴散速度快于重氫氧陰離子根,創(chuàng)造了過剩的正電荷,這樣熱端將帶正電荷。如果冰晶破裂,可能會導致部分的冰晶碎片帶正電荷,其他一些帶負電荷。當前大氣物理學的研究發(fā)現(xiàn),平均的降水過程,雷雨云溫差起電主要產生在降雨初期,隨著當?shù)卮髿怆妶鲈龃?感應起電作用逐步加強，成為雷雨云主要起電方式。(3)破碎起電機理觀察表明,雷雨云發(fā)展旺盛時期,在0℃一下云層或強烈的上升氣流區(qū),將會有一個正電荷中心,這可能是大水滴下降過程中因為氣流作用,斷裂從而產生電荷分離。由于雷雨云中很強的上正下負電場,大水滴在電場極化,正在形成的上負下正的電荷。大的水滴受到上升氣流的影響,將無法保持球形,被分離成一些碎成無數(shù)的小水滴,從下方破裂的水滴帶正電，從上方破裂的水滴帶負電。于是帶正電的水滴重力沉淀使得云層下方帶正電，而從上方破裂的水滴較輕，將使云層上方帶負電，從而實現(xiàn)云中正負電荷重力分離。2.2雷電放電過程雷電放電是由帶電荷的雷云引起的。雷電放電有云云放電和云地放電兩種,雖然實際上大多數(shù)雷電放電為云云放電方式，但云地放電對電力系統(tǒng)造成的傷害和影響更大，也更易于觀察研究，所以，國內外對于云地放電的研究更多。Berger在1978年根據(jù)雷云電荷的先導發(fā)展方向和所帶電荷的極性,將雷電分為四類：(1)向下負雷電(2)向上負雷電(3)向下正雷電(4)向上正雷電。如下圖所示：圖2-2雷電對大地的不同放電類型研究表明,向上雷電大多發(fā)生在高層建筑或建筑頂部,由于向下負雷電是最常見的云地放電,占全球雷電放電的90%以上。所以負雷電的研究頗為重要。以下為雷電放電的三個階段（以負雷電為例）:(1)先導放電階段雷云與大地由于靜電感應的作用兩者形成一個大電容器,大地帶正電荷，空間的電場強度隨著雷云中電荷積累漸漸變大。當此電場強度高于空氣擊穿場強時,雷云中電荷產生強烈的碰撞游離,形成指向大地的雷電通道,這個通道即為雷電先導。先導放電不是連續(xù)的放電，而是一段一段逐步放電。(2)主放電階段下行先導與地面接觸式會從突出出發(fā)出向上的迎面先導。雷電的主放電階段正是由于下行先導與迎面先導相遇碰撞而產生的強烈中和作用。這階段有以下兩個特點：(1)主放電存在時間極短，約為50到100微秒。(2)電流極大，可達數(shù)十到數(shù)百安.(3)余光放電階段經(jīng)過先導放電與主放電之后，雷云中剩余的電荷量比較少，因此再次地閃的過程就稱為余光放電。余光放電階段的特點是①對應的電流不大(約數(shù)百安),②持續(xù)時間則較長(0.030.05s)。雷云中電荷分布不均勻,形成多個電荷聚集中心,多個中心并不能同時放電，必須當?shù)谝粋€中心放電完后其他放點中心才能向第一個中心放電，并沿著原先通道流向大地。第一次放電過后的主放電電流一般較小,不超過30kA。2.3雷電流波形概述2.3.1利用沖擊電流發(fā)生器模擬雷電流波形如圖2-2所示，利用MATLAB電力系統(tǒng)仿真模塊中的powergui模塊模擬充電電容兩端電壓，原件R，L分別表示放電回路中包括電容器，分流器及連接線等器件的總電阻和總電感，R3和L4為模擬調波電阻和調波電感圖2-3沖擊電流發(fā)生器smulink仿真圖雙擊仿真模塊，直接輸入R,L,C,R3,L4等的值，運行即可得到?jīng)_擊電流幅值的值。用實驗室大容量8?20雷電波沖擊電流發(fā)生器為例，c=24.496，R=0.401，電容器充電電壓為60kV，仿真得到?jīng)_擊電流波形圖如圖2-3所示圖2-4雷電流波形模擬2.3.2雷電流波形概念由于氣象條件的影響，雷電流的幅值差異很大，但是雷電流的波形基本上是一致的。根據(jù)測量統(tǒng)計，雷電流的波頭時間為2～2.5μs。按照相關規(guī)定及規(guī)程里的數(shù)據(jù)名，雷電流波頭時間為2.6μs，根據(jù)有關公式，雷電流的平均波頭陡度與幅值成正比關系，公式即。根據(jù)計算，雷電流的波長一般平均約為50μs，范圍是20～100μs，小于50μs的大約占70～82%。一般計算式中雷電流的波形采用2.6/50μs的雙指數(shù)波。2.4雷電流參數(shù)(1)雷暴日雷暴日是指某地區(qū)一年中有雷電放電的天數(shù)，一天中只要聽到一次以上的雷聲就算一個雷暴日。雷暴日表征不同地區(qū)雷電活動的頻繁程度。根據(jù)雷電活動的頻度和雷害的嚴重程度，依據(jù)建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范GB50343-20123.1.3規(guī)定，我國把年平均雷暴日數(shù)T>90的地區(qū)叫做強雷區(qū)，40<T≤90的地區(qū)為多雷區(qū)，25<T≤40的地區(qū)為中雷區(qū)，T≤25的地區(qū)為少雷區(qū)。雷暴日分布在不同區(qū)域參數(shù)不同，單位為：天數(shù)/一定區(qū)域內，比較科學的標準統(tǒng)計區(qū)域為采用10﹡10平方公里網(wǎng)格，但和現(xiàn)在雷暴日算法有些不同，我國以氣象觀測站聽到雷聲為統(tǒng)計依據(jù)，雖然此方法誤差較大，受到測量者聽力，雷聲大小，噪聲大小等等因素影響，但仍為目前最有效的判斷方法。另外我國每個縣都有各自的氣象監(jiān)測站，可以以縣級行政單位為統(tǒng)計區(qū)域。下圖為全國53年平均雷暴日數(shù)分布圖。圖2-5全國53年(19542006)平均雷暴日數(shù)分布圖(2)地面落雷密度地面落雷密度是指每平方千米每個雷暴日的對地落雷數(shù)量，(單位為)，這是雷云對地的放電的頻繁程度的體現(xiàn).地面落雷密度與雷暴日有如下幾種關系式：①國內電力行業(yè)標準式中：Td為雷暴日數(shù)，為每雷電日每1的落雷次數(shù)，約為0.07)②國際大電網(wǎng)會議③IEEE推薦公式(3)雷電流幅值雷電流幅值大小是描述雷電流強弱的重要參數(shù)，它的脈沖電流從零上升到最大值。經(jīng)過研究表明，雷電流的幅值是一個隨機雷電流幅值的概率密度，它與氣象、地理位置、地質條件和季節(jié)有關系。(4)雷電流波長雷電流波形曲線上升部分為波頭，指電流從峰值10%到90%的時間，用tf表示，其平均值為2~2.5。峰值右側下降部分為波尾，指電流下降到峰值一半的時間，用tτ表示，平均約為50。雷電流一般采用I表示，我國變準波長為。(5)雷電流磁脈沖頻譜雷電是一種低頻電場脈沖，因為經(jīng)計算可得，雷電半峰值脈沖越寬，所對應的頻譜越低，大部分雷電頻譜集中在幾十千赫茲。3低壓架空配電線路雷電感應過電壓的計算3.1架空線路上的雷電感應過電壓負極性雷對大地或建筑物放電時，雷電先導通道內充滿負電荷，與雷云異號的正電荷被吸引到靠近先導通道的一段導線上，感應出正束縛電荷，而導線中的負電荷則被排斥到導線兩側遠方。線路上由靜電感應而被束縛的電荷被釋放沿向導線兩側流動，形成的靜電感應流動波在線路上產生電磁感應過電壓.由于主放電通道與導線基本上是垂直的，所以電磁分量不會太大，約為靜電感應分量的1/5。且電磁感應分量峰值后于靜電感應分量的峰值，線路上的雷電感應過電壓中，靜電感應分量起主要作用。故在計算架空線路雷電感應過電壓時主要考慮靜電分量。3.2架空線路雷電感應過電壓的計算模型設h為雷電先導底端離地高度，H為雷電先導頂端離地高度,hd為架空配電線路高度。計算感應過電壓靜電分量如下圖所示。圖3-1線路雷電感應過電壓的計算示意圖在距離架空低壓配電線垂直距離為s處落雷時，架空線上任一點處電場強度的垂直分量為EyA=(3-1)其中，λ為先導通道里的電荷通道密度。由于HS，H，故當y在0h的范圍內，上式（1）可以簡化為如下公式：Ey，A=(3-2)于是有(3-3)將式3-3的分子和分母都乘上主放電的實際速度v()，于是式3-3可以變形為下式：U0e(3-4)其中式3-4只考慮了雷電過電壓靜電感應分量，是在式3-2的基礎上乘以修正系數(shù)以計及雷電感應過電壓中產生的電磁感應分量時，總的雷電感應過電壓計算公式應為(3-5)按規(guī)程規(guī)定，所以雷電感應過電壓可表示為(3-6)3.3推倒公式適用范圍如果雷擊大地，并且沒有上行先導（迎面先導）發(fā)生，則先導通道下端離地高度ｈ＝０．則式3-5可表示為：(3-7)教材中提出的架空線路感應雷擊過電壓的公式為(3-8)由式3-7、3-8計算出分別為10,30m時的(雷電感應過電壓和雷電流的比值，雷電流Ｉ的大小與ｈｄ和Ｓ無關)如圖2所示，我們發(fā)現(xiàn)，不管為10m還是30m，當時，兩者的計算值不一樣，且當S減小或增大時，該差值變大。而當時，兩者計算值基本一樣，算出的曲線基本重合。因此，得出結論，對距架空線路水平距離小于65的落雷點產生的雷電感應過電壓用式3-7計算更合理。圖3-2計算公式對比圖3.4據(jù)落雷點小于65m時，線路感應雷過電壓與各參數(shù)的關系分析(1)雷擊點與架空線路距離的影響下圖為架空線路的高度ｈd分別為10、20和30ｍ時，雷電感應過電壓與雷電流的比值Ｕ0／Ｉ隨架空線路距雷擊點水平距離Ｓ的變化曲線，雷電先導下端離地高度ｈ為30ｍ。由圖所示，我們得到，當雷電流不變時，雷電感應過電壓Ｕ0隨著架空線路距雷擊點水平距離Ｓ的增大而減小，且架空線路高度ｈd越高，Ｕ0越大，隨架空線路距雷擊點水平距離的衰減越明顯。圖3-3線路雷電感應過電壓與雷擊點水平距離關系圖(2)低壓架空線路高度的影響隨著架空線路高度的增加，雷電感應過電壓也增加；圖4為假定接閃時雷電先導離地高度ｈ＝30ｍ時，雷電感應過電壓與雷電流的比值Ｕ0／Ｉ隨架空線路高度的關系曲線。圖3-4過電壓與雷電流比值Ｕ0／Ｉ隨架空線路高度的關系曲線3.5架空線路感應雷擊過電壓計算總結：(1)架空線路雷電感應過電壓與雷擊電流幅值Ｉ、架空線路高度ｈd、架空線路距雷擊點水平距離Ｓ和接閃時雷電先導離地高度ｈ有關。(2)在雷擊于大地，且無上行先導發(fā)生的情況下，雷電感應過電壓的計算可參考公式：(3-9)當S=40m，hd=10m，I=50kA時，U0=340kV，足以使得10kV及以下的配電線路對地閃絡。當線路距雷擊點水平距離Ｓ＞65ｍ時，線路上的雷電感應過電壓可用簡化公式進行估算。4感應雷擊過電壓防護分析低壓架空配電線路的絕緣水平較低，雷電放電的過程容易在配電線路上形成過電壓，過電壓超過沖擊放電電壓，可能發(fā)生絕緣子雷擊閃絡或雷擊斷線或跳閘事故，嚴重影響到日常生產生活的供電可靠性。本章將從降低配電線路感應雷擊過電壓的方面進行研究，著重分析安裝線路避雷器對感應雷過電壓的防護效果。4.1配電線路各類雷擊故障分析(1)絕緣子的閃絡故障絕緣子能夠保障橫擔與線路隔離，是線路支撐導線的重要設備。絕緣子的完好性，耐壓能力等因素關系到線路的耐雷水平。配電線路遭受雷電感應過電壓的作用，使絕緣子兩端的電壓值超過絕緣子的沖擊放電電壓，將引起絕緣子閃絡或損壞。結合實際分析可能出現(xiàn)絕緣子閃絡故障的原因如下：①頻繁的強雷電引起絕緣子閃絡，在某些絕緣水平不高的地段，若遭受頻繁雷電襲擊極易造成閃絡，建議有關部門可以在特殊地段適當?shù)奶岣呓^緣水平，加強線路耐壓能力，從而降低線路閃絡的概率。②絕緣子機能降低。由于長時間工作，絕緣子技能會下降，在防雷措施方面，希望能加強線路的巡視，利用目測、電位分步法或采用檢測儀紅外測溫等方法，全面檢測絕緣子，及時發(fā)現(xiàn)劣質絕緣子并更換，消除絕緣弱點。(2)線路斷線故障隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求越來越大，對線路供電可靠性要求也越來也高，雖然有關部門加強了線路絕緣化程度，但是，配電線路遭受雷擊過電壓，引起架空絕緣導線雷擊斷線事故仍頻繁發(fā)生。有關資料表明，絕緣導線在運行中，總故障數(shù)為裸導線總故障數(shù)的15.3%，其中絕緣導線雷擊事故占35.8%，而雷擊斷線率為96.8%，感應雷過電壓會破壞絕緣導線絕緣薄弱部分，當發(fā)生兩相或三相閃絡吋形成金屬性短路通道，引起工頻續(xù)流，導致絕緣導線燒斷。因此，及時切斷雷電流引起的工頻續(xù)流可以從根本上防護架空線路斷線故障，具體措施工具有穿刺型防弧金具，復合絕緣子，環(huán)形電極帶外串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器等等。(3)避雷器故障架空線路安裝避雷器是提高供電可靠性和雷電防護的重要措施，在雷擊過電壓下，如果感應過電流過大，超過一定范圍，避雷器將加入分流，分流部分雷電流通過避雷器流入大地，從而降低電壓強度，提高線路耐雷水平，以達到保護線路的目的。避雷器可能會因為避雷器的選型不合適及大電流耐受能力不夠，避雷器受過電壓與諧波的影響，接地電阻超標等等問題造成雷電損壞。建議有關部門在雷電多發(fā)季節(jié)來臨之前，做好避雷器的專項檢測，保證避雷器的良品率，加強運行管理，發(fā)現(xiàn)問題及時刪除。選擇更適合配電線路的避雷器，防止避雷器自身故障引起的雷電事故。4.2避雷器的介紹與應用4.2.1特點與分類避雷器是一種用于保護電氣設備免受雷擊時高瞬態(tài)過電壓危害，并限制續(xù)流時間，也常限制續(xù)流賦值的一種電器。避雷器有時也稱為過電壓保護器，過電壓限制器。避雷器主要分為管式避雷器，閥型避雷器，氧化鋅型避雷器這幾種類型。其中氧化鋅型避雷器對于架空線路的防雷使用最為廣泛。無間隙的氧化鋅避雷器是早期中國使用的避雷器，有如下幾個優(yōu)點(1)結構大大優(yōu)化，造價不高，可大規(guī)模生產。(2)保護性能優(yōu)越，無間隙的放電時延，有很好的陡波響應特性。(3)沒有續(xù)流，能夠重復保護動作，能夠耐受多重雷擊和重復雷電過電壓。(4)通流容量大，可以采用多閥片并聯(lián)的方法制造出的重載避雷器，解決一些特殊情況的防雷問題。(5)具有很強的耐污性能。4.2.2有間隙氧化鋅避雷器工作原理上述提到的無間隙氧化鋅避雷器雖有諸多優(yōu)點，但這種避雷器直接接于線路上，其防雷效果并不很理想，線路雷擊斷線和跳閘現(xiàn)象仍時有發(fā)生。為了雷害頻發(fā)地區(qū)能夠更好的防雷，帶間隙的線路避雷器逐步走進人們的視線，在部分地區(qū)的線路上被得以使用。圖4-1有間隙氧化鋅避雷器如圖4-1所示為實際使用中的有間隙氧化鋅避雷器它的工作原理是，由于有空氣間隙隔離了工頻電壓，所以正常運行時，避雷器主體并不會承受電壓。當感應雷直擊雷產生雷電過電壓作用時，空氣間隙被擊穿，穿剌電極放電，避雷器本體呈現(xiàn)低阻抗，將雷電流泄放入地；雷電沖擊過后，工頻電壓在本體上，瞬間使本體電阻增大。由于通過的電弧電流被抑制的很低，空氣間隙的絕緣恢復得很快，電弧熄滅時間極短，工頻續(xù)流被切斷，有效的保護了絕緣導線。雖然有間隙氧化鋅避雷器保護效果好，能有效截斷工頻續(xù)流，但保護范圍小，需要每個桿塔全裝才能實現(xiàn)保護效果，且必須確保接地電阻合格，接地狀況良好，投資和工作量較大，故無間隙線路避雷器使用仍最為廣泛。4.2.3避雷器防雷效果仿真使用ATPDraw仿真軟件對加裝線路有無避雷器過電壓情況進行仿真，采用程序中TACS的數(shù)值仿真功能，各模型的建立如下所述：桿塔等效為單項無損桿塔，作為分布參數(shù)處理，波阻抗取300。線路模型采用參數(shù)恒定的Bergon模型，參數(shù)頻率設為400~500kHz。沖擊接地電阻采用固定的電阻值近似表示雷電波形為1200kV，標準雷電波，線路避雷器采用MOVType-92避雷器。運用ATPDraw仿真如見建立的模型如下所示圖4-2仿真模塊運用上圖仿真模塊模擬出有無避雷器時，線路遭受雷擊引起電壓變化的情況，如下圖4-2，4-3所示。未加裝避雷器時，雷電感應過電壓峰值達到250kV左右，而加裝避雷器的話雷電感應峰值不超過10kV，表明避雷器對雷電過電壓的防護有顯著作用。圖4-3未加避雷器時線路電壓變化圖4-4加裝避雷器時線路電壓變化4.3其他防雷措施4.3.1防雷金具與防弧金具安裝穿刺型防弧金具能夠有效降低雷電事故發(fā)生率，當雷電過電壓超過一定數(shù)值時，穿刺電極和接地電極兩極之間將引起閃絡，出現(xiàn)短路通道，疏導電弧，使電弧在金具上燃燒，從而使架空線路免于雷擊斷線。防雷金具與之相比，在可靠性，過電壓限制能力，經(jīng)濟方面，防跳閘能力等多個方面基本類似，但是防雷金具的耐燒性能、裝置可重復利用性、放電電壓穩(wěn)定性、免維護性均要優(yōu)于防弧金具，所以，常常選擇防雷金具而非防弧金具。下面著重介紹防雷接金具：防雷金具直接安裝在絕緣子的上端，金屬電極中有一個帶穿刺的電極，可穿透絕緣導線的絕緣層，實現(xiàn)內部導體緊密電接觸；出現(xiàn)雷電過電壓時，可以造成雷電過電壓沿著絕緣子表面擊穿。該裝置通過穿刺刀片將雷電過電壓引至該外部金屬電極，使得過電壓將直接夾在外部金屬電極與絕緣子金屬電極之間，這樣，工頻續(xù)流電弧將不會在固定點處燃燒，而是在各點飄忽不定，保護裝置就是在絕緣子處，將絕緣導線變成了不易被燒壞的裸露導線結構，有效保護架空線路不出現(xiàn)短線事故。4.3.2保護間隙保護間隙是一種簡單的防雷保護裝置。保護間隙由兩個金屬電極構成，一個電極通過輔助間隙與接地裝置相接，而另一個電極固定在絕緣子上，與帶電導線相接，兩個電極之間保持規(guī)定的間隙距離，使