农村低压输电线路雷电致灾诊断分析及防御对策

2016-07-13于尚友高巍

科技传播 2016年8期

于尚友+高巍

摘要根据本溪市明山区高台子镇塔峪村五队沟里5农户家时有发生用电设备遭到雷电损坏的事实，本文计算了与农宅连接的低压架空输电线路设施年预计雷击次数，计算表明农村低压架空输电线路过长且没有防雷措施，即增加了农户用电设备雷击次数又加重了灾情；同时从雷击通道感应低压架空输电线路的机理进行了定性定量分析，可知农村低压输电线路上的雷电感应过电压是造成农户用电设备损坏的主要原因；并提出了防御对策和措施。

关键词输电线路；雷电过电压；用电设备；防御对策

中图分类号TM7 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）161-0192-02

本溪市明山区高台子镇塔峪村五队是坐落在距本溪市内20km左右的一条东低西高三面依山的山沟中，山坡主要生长着有油松、落叶松和柞树等树木，沟里沟外地表土为黄沙泥土质，地下藏有铁矿石，为云地间放电提供了有利条件。沟内住有5农户，多年来，时有发生农用生产设备、照明线路、家用电器、用电插座等遭到雷电不同程度的破坏和一遇强雷暴天气时即使拔掉用电设备，插座也时时出现噼里啪啦的电火花现象。据姓史农户反映，在2012年7月份的一次雷暴天气中，因厨房鼓风机的地上移动插座打火花损坏，点燃堆放其边的纸削，好在家中有人及时扑灭。从这些灾情的现象看，是因雷电在输电线路上产生高电压影响所致。这些雷电灾害现在城市的楼房里是很少见的，为什么在边远的农村住宅里却时有发生呢？基于此因，本文根据本溪农村电网输配电线路防雷现状，对农村低压架空输配电线路雷电致灾机理和途径进行分析，从中找出致灾主要影响因素，并提出防御对策和措施，这对完善农村电网防雷建设，消除“盲区”安全隐患，提高农村居民生活质量、生产能力等都大有裨益，同时，也为供电主管部门和防雷业内人士及农村居民提供防雷参考。

1 本溪地区农村电网防雷情况

根据本溪市发改委和本溪市供电公司提供的本溪农网工程改造现状资料，在“十二五”期间，用于农网改造9.7亿元。由于本溪地理环境是“八山一水一分田”的自然地貌，表现出明显山区特色，受自然环境的影响和制约，农村居民都是以分组单元方式分布在沟沟岔岔居住，增加了电网改造和防雷设施建设的难度；在防雷方面，10kV以上的中高压输配电线路都有较好的防雷措施，线路直击雷防护采用避雷线，在各级变电所（或变压器）的输入和输出端都装设了跌落式熔断器和避雷器，提高了电网供电可靠性。但380V/220V低压输配电线路至终端用电户却没有防雷措施。这是否是造成边远的农村居民（如塔峪村5农户）用电设备遭到雷电损坏，甚至酿成火灾的主要影响原因呢？这里，我们从低压架空输电线路雷电过电压产生的机理进行解析。

2 低压线路雷电致灾途径及机理分析

通过调查发现，常遭受雷电损伤的农户都是低压架空输电线路较远的住户，例如，塔峪村五队，沟里居住5户，照明用电距供电源远的可达0.7km左右，近的也在0.5km左右，平时电压偏低，但家用电器都曾遭到雷电的损坏或是只要电闪雷鸣，用电插座时常打火花，而离变压器较近的农户（沟外户）较少有这些现象，这表明，输电线路长遭到雷电影响和侵害的机率就要高，那么，为什么输电线路长易受雷害呢？雷电是如何通过低压线路干扰和损害用电终端住户的呢？下面从定性和定量的方法进行分析。

2.1 供电源至入户线路长增大了雷击次数

为了说明问题，这里我们可以根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》入户设施年预计雷击次数（N2）的计算方法来进行分析[ 1 ]。

计算式为：N2=Ng×Ae=（0.1×Td）×（Ae1+Ae2）（次/a）（1）

Ae1=2000×L×10-6 （km2）（2）

其中：Td为本地的年平均雷暴日数（本溪地区年平均雷暴日数Td=33.5d/a），Ae1为低压架空电源线入户设施的接收面积（km2），L是低压架空电源线至入户设施的距离（m）。由公式（1）、（2）可知，当不考虑Ae2的影响，对于同一地区N2的大小取决于Ae1，而Ae1的大小又取决于L。如塔峪村五队，沟里居住5户，L取700m，沟外住户L取100m，其计算结果是：沟里居住的5农户家入户设施年预计雷击次数N2=4.7次/a，沟外住户入户设施年预计雷击次数N2=0.67次/a，沟里居住的5户入户设施预计年雷击次数是沟外住户的7倍以上，因此，低压架空输电线路过长易受雷击，在没有防雷措施的情况下，农户用电设备遭到雷电损伤的次数就越多。

2.2 低压架空输电线路雷电感应过电压及强度

根据塔峪村五队周围地理环境分析，线路遭到直击雷袭击的可能性很小（因架空线路低于周边的树木），大多数是由感应雷致架空输电线路上产生很高的过电压。感应雷使低压线路产生过电压和过电流主要有2种形式，一是雷云内、雷云间和雷云对地放电时产生的脉冲磁场交链于有导线，杆塔和大地构成的回路，在回路中产生感应电压；二是雷云与低压线路、雷击通道与低压线路静电感应产生过电压。在线路上的雷电感应过电压中，静电感应分量起主要作用[2，3]，电磁感应分量约为静电感应的1/5[4，5]。因此，这里仅分析雷击通道与低压线路静电感应过电压的分量。

2.2.1 雷击通道与架空线路导线的静电感应机理

现以最常见的负地闪放电过程来说明架空线路上感应电荷和过电压的产生机理。当雷雨云发展一定阶段时，雷雨云底部出现较强的负荷电中心并与对应的地面物（树木、房屋、导线等）形成垂直向上的强电场，当云地间的电场发展极强时，在雷云底部和地面突出物上出现下行先导和上行先导。雷云底部的下行先导每向地面伸展时，都向先导通道内携带了大量负电荷，这些大量的负电荷将在最靠近其前端的一段架空导线上感应出正电荷，在回击尚未发生时，导线上的大量正电荷将受到先导通电中的负电荷的束缚，不能自由运动，而导线上的负电荷则被排斥向两侧运动，经线路的泄漏电导和电网的中性点进入大地。当下行先导到达近地面（击距）时，回击（云地放电）发生，先导通道中的负电荷被迅速中和，这时，导线上的正电荷失去了束缚瞬时向两侧运动，故形成了过电压波。由于回击放电的速度很快，导线上的正电荷被释放的时间也很短，所以，导线上的过电压波幅值很高，这对线路上的电气设备破坏性是极强的。

2.2.2 低压架空输电线路雷电感应过电压的强度

式中，U0-导线雷电感应过电压幅值（kv）；k-系数，当s﹥65m时，一般取值为25Ω；Im-雷电流幅值（kA）；s-雷击点到导线悬挂处的水平距离（m）；hd-导线对地的悬挂高度（m）。（1）式在工程上适于s﹥65m时的估算。（2）式可用在雷击大地，且无上行先导发生的情况下，当s﹤65m时雷电感应过电压的计算式。在（1）式中，若取雷电流幅值Im=50kA，s=100m，hd=10m，则有U0=125kV；在（2）式中，若取雷电流幅值Im=50kA，s=60m，则有U0=207kV。在输电线路上产生这么强的雷电感应过电压即使通过了前边端杆的绝缘子闪络放电的衰减，但侵入到末端的农户家里时也是极高的。我们知道，空气的击穿临界场强是500kV/m（5kV/cm），电器插座、家电设备及电子设备的耐冲击电压分别为4kV、2.5kV和1.5kV，由此可见，线路上的雷电感应过电压完全可以击穿插座孔间的空气进行高压放电，并出现噼里啪啦的电火花，也可击毁绝缘不好的用电插座、以及与其相连的用电设备和家电。

3 防御对策和措施

由上述分析可知，农户家入户设施的架空线路年预计雷击次数达4.7次/a，由于低压输电线路长且又没有防雷措施，使雷电过电压波在线路上“畅通无阻”，这样，会造成农户用电设备损伤次数也要达4.7次/a。因此，对农村低压输配电线路频遭受雷击并致农户财产损失的地域应设有防雷措施和防御对策。

1）电力主管部门在农村电网建设中，在考虑主网供电稳定和安全的同时，也要根据当地气象部门提供的雷电密度分布情况、供电线路距离长短和实际发生雷电灾情频数等实际情况来考虑末端农户用电的防雷安全，不要因没有相关规范的规定，就弃之不为。要广泛调查，科学评估，实事求是，进而采取可行的防雷措施。

2）在防雷措施上，可鉴戒城市楼房入户前后的防雷做法。可在用电计量表前后至入宅的一段线路上采取防雷措施，可将这段线路改为金属铠装电缆架设（或在环境允许的条件下最好埋地铺设）并将电缆两端的金属外皮做接好地处理且符合相关防雷规定要求。采用的金属铠装电缆长度应大于15m。

3）在用电计量表前和入宅的交界处安装符合技术参数要求的电涌保护器（SPD）并做好接地工作，实现1级和2级防雷保护。

4）雷电灾害频发的类式农户应极时地把情况反映到乡、镇级政府和电力部门，以为防雷决策和设计提供依据。

5）希望农户对家中的线路要经常检查，有老化或破损现象要及时更换；用电插座一定要买质量好的产品；插座下面不要堆放易燃易爆物，避免因插座击坏火花下落酿成火灾。

6）在没有防雷措施的情况下，遇有强雷暴天气时，最好的办法是隔断雷电高电压波侵入的路径，这不仅要把所有用电设备拔离电源，最好从入宅总电源处拉闸断电（电话线、电视接收天线同时也要拔掉）。

参考文献

[1]四川省住房和城市建设厅。建筑物电子信息系统防雷设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012：27-29.

[2]解广润.电力系统过电压[M].北京：中国电力出版社，1991.

[3]莫付江，陈允平，阮江军，等.架空输电线路雷击感应过电压耦合机理及计算方法分析[J].电网技术，2005，29（6）：72-77.