运行中配电设备的防雷措施探讨

2018-01-25杜晓伟国家新闻出版广电总局七三一台福建龙岩364000

通信电源技术 2018年4期

杜晓伟（国家新闻出版广电总局七三一台，福建龙岩 364000）

0 引言

雷电是一种非常普遍的自然现象，往往会带来巨大的电压，严重威胁电力系统的正常工作。基于这一原因，电力设备时常会出现损坏情况，对整个建筑自身的安全性带来了一定的负面影响。为此，在日常电力系统运行过程中，工作人员需要对此提高重视，对设备的运行原理、损害类型展开分析，确保系统工作的质量和有效性。

1 雷电造成的危害

1.1 直击雷

地面上的突出物经过雷击后，一旦整个电场的强度能够将空气完全击穿，则此时产生的现象便是直击雷。一般而言，直击雷在峰值阶段时的电压可以达到几万伏，特殊情况时甚至可以达到几百万伏，与之相对的电流峰值同样能够达到几万安，某些时候能超过几十万安。因此，直击雷的破坏性非常强，对用电设备的正常运行影响极大。造成这种情况出现的主要原因，在于雷云内部积攒的能量在瞬间完全释放，通常为 0 ～ 100 μs。

1.2 感应雷

通常情况下，感应雷主要有两种形式，分别是静电感应雷和电磁感应雷。所谓静电感应雷，主要是指当天空中的雷云击在地面上方时，地面一些突出物的顶端部分会感受到雷电的存在，从而产生异性电荷。一旦雷云与其他种类的异性雷云完全放电，则其将会长时间聚集在建筑物的顶部位置，使得电荷感应在一瞬间失去原有的束缚，从而以点拨的形式向四周传播，进而演变成雷电。而电磁感应雷主要是指当地面受到雷击时，雷电本身的周围会有一定范围的磁场出现，使得四周的金属导体产生较强的电压[1]。

1.3 其他类型

除直击雷和感应雷外，造成用电设备损坏的具体原因一般还有两种，分别是雷电冲击波和地电位反击。所谓雷电冲击波，主要是指雷电在瞬间产生的巨大电流顺着导线直接流入建筑物的内部，从而严重损坏设备。而地电位反击则主要是指当避雷针将雷电产生的电流全部引入地下后，地下的雷电会对地表上的防护网进行反击，进而造成设备损坏。

2 雷电损坏配电设备的原理

2.1 损坏变压器的原理

感应雷和雷电波入侵时，瞬时电压会达到几十万伏，可以通过正逆的方式不断变换过电压，使得配电变压器将外部绝缘完全击穿，甚至可能出现较为危险的安全事故。造成这种结果的主原因有两种。一是正变换过电压产生的基本原理。当雷电波入侵后，冲击电流会在高压绕组中产生一定的感应电动势，从而造成高压侧出现一定的感应电压，称作正变换。二是逆变换过电压。当冲击电流流过三相低压绕组时，会有一定的磁通量产生，从而将匝间和层间的绝缘完全击穿，出现高压绕组产生过电压的情况，称为逆变换。

2.2 损坏架空导线的原理

当直击雷或者感应雷直接在架空导线中作用时，很容易出现绝缘子闪络的情况。由于电磁力的原因，电流会顺着导线不断移动。当电弧开始移动的时候，弧腹会沿着弧根的运动而不断移动，在受到热应力作用后，逐步向上空的位置移动。弧根位置的温度通常较高，会对导线本身造成一定的烧损；弧腹位置的温度略低，则不易出现烧损[2]。

2.3 损坏绝缘导线的原理

当直击雷或者感应雷在绝缘导线中产生作用后，会使导线的绝缘层出现闪络。一般而言，只要绝缘层被击穿，其外层会呈现出针孔形状。由于周边绝缘层的影响，它将完全无法移动，进而出现燃烧，导致导线完全烧断。

3 配电设备运行中的防雷措施

3.1 降低配电线路闪络的概率

一般而言，由于雷云的长时间活动及其放电形式，虽然感应雷的电压数值偏下，但是有着较为频繁的变化，且幅度较大，很容易将外层绝缘完全击穿。对线路雷击闪络的概率造成影响的因素，通常主要包括感应过电压和线路外部绝缘能力。利用统计方法进行计算，可以得出各区间中累积的造成绝缘子本身出现闪络的具体次数。将其完全叠加后，便可以获得全年的雷击闪络总数。由于配电线路的整体绝缘能力相对较差，还会采用塔多回路技术，受到整个线路中电气距离方面的干扰后，只要其中任意回路遭到雷电攻击，将很容易造成绝缘子对地面击穿。因此，在工频电流的影响下，持续出现的接地电弧会造成空气中出现光游离、热游离的现象，进而演变成较为严重的短距离回路接地事故。情况严重时，还会出现多条回路同时跳闸的现象。基于此类情况，工作人员可以利用绝缘导线替换原有的裸线，并适时更新原本的绝缘子型号，同时增加绝缘子的实际片数，有效提升线路本身的绝缘能力，大幅减少感应雷过电压导致线路出现闪络的概率，从而加强线路运行的稳定性和安全性[3]。

3.2 防止绝缘线路出现断路

通常情况下，架空绝缘导线主要处在电缆以及架空裸线中间的位置。不但可以有效减少树线矛盾，而且能大幅度缩减电缆的资金投入。然而，当有雷电过电压闪络情况出现时，很容易造成工频续流，且数值能够达到上千安培。高温弧根被完全固定在绝缘层中，经过攻击后会出现灼烧，从而使得绝缘层逐渐脆化，导致导线自身的拉断强度下降。绝缘子闪络在电弧通道中同样会造成绝缘皮全针孔的现象出现，导致导线的表面出现吻痕。不仅如此，弧根位置还会产生电磁推理，具体大小会与短路电流的平分保持正比例关系。同时，加上外部重力和张力的作用，会使得导线同时受到多种不同的力的作用而出现断路。以上描述的多种原因都会造成绝缘导线在受到感应电压后发生整体断裂的情况。

根据原本累积绝缘导线断线的机理，通常需要从三个方面入手。一是在周围安装避雷器。此方法主要借鉴线路安装避雷器进行防雷的具体效果，通常适用于架空线路配电线路。可以选择当前最先进且认知度较高的避雷器，不仅不需要维护，且寿命相对较长。将它安装在整个配单线路容易遭到外部电压攻击的位置，以此全面保护整个线路。二是提升线路中部分位置的绝缘能力。为了能够有效提升线路冲击的放电电压，可以采用架空导线固定位置额外进行加厚的方法。三是将线路进行并联，并将放电间隙放置在绝缘子之间，促使间隙中的电压大幅度提升，超过绝缘子位置的冲击电压，从而造成雷电的放电现象仅仅产生在保护间隙之间，避免导线本身绝缘层被完全击穿的情况。

3.3 避雷器和间隙配合的线路

安装避雷器也是对架空配电线进行保护的有效方法，然而这种方法并不实际。大量应用避雷器会大幅度提升造价成本，且后期的运行维护工作难度也会随之提升。所以，工作人员需要对整条线路进行全面检查，选择性地安装避雷器。例如，在架空绝缘线和电缆转换的位置进行安装，或者在变压器、刀闸以及柱上开关等重要设备的位置进行安装，亦或在线路中易出现安全事故的位置进行安装。不仅如此，工作人员还需要考虑保护间隙的设置工作，配合避雷器，从而对整条线路进行保护。通常情况下，保护间隙的设计主要需要完成两个方面。一是确保保护间隙具有足够的抗压能力，二是保证保护间隙的内部距离在雷击线路闪络时可以对电弧的底部位置选择捕捉，并将线路中的故障电流全部引导至地面，促使电弧无法与绝缘子直接连接。如此一来，导线、绝缘子以及线路中的零部件将会得到保护[4]。

3.4 选择合适的中性点运行方式

10 kV架空配电线路中的雷击建弧率和中性点的运行方式有着密切联系。实践研究发现，利用科学中性点的方式能够有效减少配电线路中发生雷击建弧的概率。一般情况下，为了能够选择最合适的中性点运行方式，需要从三个方面入手。

第一，工作人员可以采取消弧线圈对工频续流进行补偿的方法。在配电线路中，选中性点经消弧线圈接地的运行方式，使得配电网络中单相接地电流能够获得自动补偿装置的补偿，从而造成接地电弧低于熄弧的临界值，达到熄灭电流的目的，以有效减少电弧自身的建弧率。

第二，工作人员可以额外安装自动跟踪的补偿消弧装置。长期实践可以发现，当电容内部的电流超过10 A后，相关配电网的安全必须将残余电流全部控制在10 A之下，之后熄灭接地的电弧，并对接地过电压的出现方式予以控制。这种方法是解决长期以来由雷电过电压导致的过电压、铁磁谐振过电压最有效的解决措施。

第三，根据网络结构的区别，选择多种不同的中性点接地方式。例如，最常见的纯架空配电线路通常可以采用消弧线圈的方式；一些架空线和电缆的混合线路，如果电缆的实际长度超过总长度的50%，必须慎投消弧线圈；当电缆的实际长度超过总长度的70%时，可以采用经小电阻接地与相关零序进行配合的保护方式，以保证线路能够正常运行[5]。

3.5 降低设备接电的电阻

在配电线路实际运行过程中，为了能够有效降低接地电阻，一般采用两种方法，分别是水平接地和施加降阻剂。首先是水平接地，是最常见的一种降阻方式。然而，在一些具有较高电阻率的土壤环境或者干旱地区，该方法效果相对较差，且容易出现腐蚀情况，导致线路的使用寿命下降。施加降阻剂同样是一种实用的降阻方式，是对水平接地的补充。工作人员完成水平接地后，在其周围使用高效的降阻防腐剂，某种程度上相当于扩大了接地体本身的截面，具有非常强的吸水性和保水性，且能随着时间的推移而不断渗透和扩散，大幅降低接地土壤中的电阻。此外，工作人员需要加强配电变压器，对其他配电设备采取防雷保护措施，选择一些体积较小、重量较轻的避雷器进行防护，提升防水和防爆效果。实际安装时，必须采用“三点共一地”的方式。