雷电对配电网安全运行的影响及防范研究

陆峰毅 童千秋

1. 宁波市气象安全技术中心 浙江 宁波 315000；2. 北仑区气象局 浙江 北仑 315800

引言

因电子信息系统的不断发展，公众对供电稳定提出了更高的需求，这也让电力系统的平稳运行变得十分重要。如果电力供应突然中断，不但会对城市居民的日常生活质量带来影响，而且会加大城市工业生产的经济损失，甚至引发安全事故。目前，雷电对电网的影响是引起国家电网事故的主要原因之一，虽然近年来对城乡电网进行了大范围的整改，但是因雷击导致配电网发生跳闸事故依然普遍存在，这严重影响了配电网的安全运行，重视配电线路的防雷措施至关重要。

1 关于输、配电线路的雷电灾害

国内目前多数5kV到35kV的配电网的配电线路没有设置完善的防雷保护措施，同时配电网电压的绝缘水平整体上较低，极易遭受雷击侵害产生电网的系统故障。首先，对于直击雷产生的雷击过电压而言，雷电流会直接作用在电力线路、供配电设备以及电力系统的发电机上，这种因瞬间过电压产生的雷电流可高达几十千安，甚至数百千安，所带来的破坏力极大，容易造成设备系统的直接损坏；其次，对于雷电感应所产生的过电压而言，电压的幅值一般在300~400kV，这一范围的过电压幅值对35kV及以下的配电线路会造成闪烁，据统计，多数配电线路的雷电灾害故障都由雷电感应过电压所引发的。

1.1 有关直雷击产生的危害

直雷击发生时架空输、配电线的电压将上升到几十万伏特，雷击点附近的峰值电流可达到100KA以上，一旦直击雷作用在配电线路上，极易引发冲击闪络。当发生因直击雷导致的过电压时，因为配电线路的绝缘水平较低，所以很难防止线路出现闪络现象。但是，直接雷击中配电线路的概率小，并且在闪络后可以通过消弧线圈等整治措施来防止和控制线路闪络事故的出现，通常情况下允许这种现象发生，据统计，配电线路因直击雷过电压导致的故障较少。因此在配电网中防止直击雷过电压并不是最关键的。

1.2 有关雷电感应产生的危害

输电线路在110kV以上的绝缘水平较高。比如，110kV的输电线路绝缘子串的子片数为7片、长度约为1cm，输电线路的临界冲击闪络电压一般高达700kV，由于导线对地线的距离及绝缘子串的长度已足够大，临界闪络电压值足够大，一般雷电感应产生的过电压不至于引起输电线的闪烁。相对输电线路的绝缘水平而言，35kV以下配电线路的绝缘水平较低，配电线路的防雷保护措施具有一定的特殊性[1]。其中，配电线路在5kV到10kV的绝缘子串片数只有一片，长度仅有0.1m，配电线路的临界冲击闪络电压也只有75kV。而一般雷电感应产生的过电压幅值在300~400kV之间，相对于配电线路的绝缘子雷电冲击而言，因雷电感应产生的过电压容易发生闪络事故。这种闪络不仅会造成35kV以下线路的跳闸，而且很可能会击穿电气设备的绝缘。并且雷电感应事故的发生概率极大，因此，配电网发生的雷电事故中多数都是因雷电感应产生的过电压所引起的。

2 关于架空配电线路的防雷措施

2.1 降低配电线路发生闪络的措施

因雷电感应产生的过电压的幅值虽然较小，但是因为电气放电的原因，导致雷电感应过电压整体变化较大，因此极易导致电气设备的绝缘被破坏。结合实际情况来看，配电线路遭受雷击闪络的发生率、自身的绝缘水平，以及雷电感应过电压这三者之间有一定的关联[2]。通过统计方法计算所评估的结果为，全年雷击的闪络次数是配电线路绝缘子发生闪络次数的叠加。因为配电线路的绝缘子水平过低，同时线路之间的电气距离会影响绝缘子，当线路因雷击发生损害后，会造成绝缘子击穿，同时在高频电流的作用下，长时间的接地电流会让气体产生光、热游离，使得回路发生接地，进而引发断路器出现跳闸事故，严重时还会引发多回路配电线路同时发生跳闸。

因此，为了有效避免这类情况发生，可将配电线路绝缘外层的电线更换成绝缘导线，如果实际情况允许，可以适当更换高压绝缘子型号。在此基础上，还需增加线路的绝缘子片数量和电线的绝缘皮等，通过这些保护措施，可以从各个方面提高线路的绝缘水平，不仅可以减少配电线路因雷电感应过电压造成的闪络次数，同时能从很大程度上提高整体配电线路的有效性和安全性。

2.2 架空绝缘线路防雷击措施

架空绝缘电缆与架空裸导线之间就是架空绝缘导线，这样可以很好地降低电缆投资和树、线矛盾。但是因雷电过电压引发绝缘闪络时，会加大工频电流，高温电弧会作用在电缆上，使得绝缘体出现绝缘击穿，绝缘层会被灼烧直至脆变，直接降低导线的张力和强度；另外，对于环形电弧通道而言，绝缘子闪络会作用在通道上，从而产生绝缘膜针孔，导线表面会出现裂痕；结合有关数据结果可以看出，线路工频短路电路的平方与电弧弧根的推力是成正比的，在大截面导线张力和重力的影响下，整体导线会承受很多的作用力[3]。因此，一旦出现以上几种情况，当雷电感应过电压出现时，整体的架空绝缘导线会出现开裂，为了可以有效地预防，可以从架空绝缘导线的断线机理入手。

首先，因为输、配电线路应用接闪杆起到了较好的防雷效果，所以在架空绝缘线路上也可安装接闪杆，大大降低直击雷对线缆的影响。同时，对于避雷器的选择，可以应用目前应用的较为广泛的金属氧化物避雷器。实际安装的位置可以在输电线路中重要的设备上，例如，配电变压器、隔离开关、高压电缆等，进而从各个方面对配电线路进行全方位地保护；其次，重视局部线路，为了有效提高输电线路绝缘子的放电压，可以使用架空绝缘导线重点加强线路局部的绝缘水平，对固定处线路进行绝缘加厚处理；最后还应重视电力系统中的并联间隙，让线路绝缘子的冲击电压小于并联间隙的放电电压，这样可以有效避免绝缘体被击穿。

2.3 并联间隙与避雷器相互配合保护整体线路

目前，最直接且有效保护架空配电线路的措施，就是安装避雷器，但是对线路使用避雷器时，不但实际投入的资金、成本较高，同时对其进行后期维护时较为困难。因此，需要结合实际情况，在架空配电线路的重要设备和雷害事故的多发位置上，安装避雷器，例如杆塔基础、柱上负荷隔离开关等[4]。另外，还需科学合理地设计并联间隙，让其与架空配电线路所安装的避雷器可以相互配合。对并联间隙进行保护，需要从两个方面入手，一方面应按照线路的绝缘耐受操作过电压的导则，来进行设计保护间隙，在电力系统的预测下，可以有效防止操作过电压出现；另一方面在设计保护间隙距离时，当架空输电线路雷击闪络时，让其可以第一时间捕获到电弧的根部，把故障电流分辨出来同时将其引进大地，让电弧可以最大限度远离线路绝缘子的表层，可以很好地对线路导线和零部件进行有效保护。另外，在线路的配电网上安装防雷保护间隙，还可以防止绝缘线路因雷击影响，自身出现损害的情况，同时能在最大限度上避免绝缘子的爬弧时间和距离过长，而出现灼伤，进而帮助架空输电线路提高重合闸成功率。

2.4 使用合理的中性点运行方式

电力系统中性点运行方式，与架空配电线路的间隙建弧率之间存在一定的关联，结合有关试验结果表明，使用科学合理的中性点运行方式，能够科学地控制线路雷击建弧率。对于中性点运行方式的选择，可以从以下几点入手。首先可以在配电线路中利用消弧线圈接地，这种中性点运行方式，能让配电网单相接地电流，可以第一时间在自动补偿装置中获取自己所需的电流，配电网中的足够电流会促使接地电弧快速熄火，自动补偿装置对其进行补偿后，会将残留的电容电流控制在一定范围内，让其低于熄弧的临界值，有利于接地电弧的熄灭，同时降低了线路的雷击建弧率。

其次，如果实际情况允许，可以安装自动跟踪补偿消弧线圈成套装置。根据长时间的实践结果表明，如果配电网中的电容电流高于10A，那么安装自动跟踪补偿消弧线圈成套装置，可以降低残留的电容电流，让其低于10A，能有效避免单相弧光接地过电压，这也是通过长期的不断实践，所总结出来最有效控制单相弧光接地过电压的措施；最后需要根据配电网中不同的网络结构，选择相对应的中性点运行和接地方式[5]。对于架空输电线路而言，使用科学合理的消弧线圈，在架空线路和电缆线路混合时，如果电缆电线的长度占总长的48%时，需要谨慎地使用消弧线圈；如果电缆电线的长度占总长的69%时，需要同时使用中性点经小电阻接地和零序保护，并让两者相互配合。

2.5 降低设备的接地电阻

当配电线路正式投入运行后，需要降低配电设备的接地电阻，经常使用的降低电阻的方式有两种，分别是接地体和施加电阻降阻剂。目前应用的较为广泛的就是水平接地体，但是在干旱和高原地区采用这种方法时，没有起到实质性的效果，而且在实际应用时，还会存在很多问题，例如极易侵蚀土壤、实际使用期限较短等。因此在使用水平接地体时，还需配合着施加电阻降阻剂。实际在使用时，需要在接地体附近施加膨胀土，这也就加大了接地体的总面积，起到了较好的吸水效果，同时膨胀土降阻防阻剂会随着时间推移，不断地进行扩散，进而起到降低整体接地土壤电阻的效果。

从整体来看，电力网系统中最主要的构成部分就是配电线路，配电线路的平稳运行和安全运输，不仅影响着人们的日常生活质量，同时也决定着工业和农业的未来发展。所以需要结合实际情况和配电线路的运行特点，对配电线路进行针对性的防雷保护措施，在配电线路中增加防雷的覆盖面，让整体配电线路的安装，可以满足防雷工作的需求和要求，进而保障电网系统可以平稳、有效的投入运行。