摘要
随着人们生活质量的提高，如果时常的发生雷击事故的话，那会使人们的生活受到不同的影响。通过前人的研究我们可以看到，雷击跳闸是造成配电线路跳闸的主要原因之一，这种事故会严重影响配电网的安全和使用。因此，要如何有效地减少10kv大型配电设备线路发生雷击放电事故可能发生大概率以及增加10KV配电线路中的防雷措施，是刻不容缓的事情。本论文将对生活中常见的雷击事故产生的原因，线路产生的感应过电压的形式及其危害进行了说明，并且通过相应的计算提出一系列有效的防雷保护措施。
关键词：10KV配电线路 ;感应雷过电压; 防雷措施 ;防雷水平
1.绪论
1.1研究意义
在电力系统中，配电网有着非常重要的地位。它通过自己的网络向用户配电，而且直接与用户相连。它的功能特殊和结构复杂，使得它在使用过程中出现各种可靠性降低的情况，其中不可忽略的关键因素包括网络结构不完善、线路维护、限电等雷击。配电网的重要组成部分是10kV配电线路，它的供电面积大。尽管每个单独的线段不 长，总线段长度却很长。因为这种线路很多时候都是暴露在大气中，没有过多的绝缘保护，也没有相对应的防雷措施保护，所以在恶劣多雨的天气条件下，很容易造成配电线路跳闸的现象，给群众的生产带来很大的损失[1]。如果我们能够做到保证10kv配电线路稳定、安全地运行，不仅可以使得企业和家庭中的用户在日常用电方面更加畅通、安全，而且还可以做到整个配电系统更加安全、可靠。因此，有必要对10kv配电线路的防雷措施现状问题进行深入的分析与探讨，找出可能造成10kv配电网雷害的主要原因，通过计算感应雷过电压，进一步分析找出10kv 供电网在防雷措施过程中的潜在漏洞，并针对性地提出了相应改进和预防措施。
1.2国内外研究现状
最近这些年，为了能够更好地减少和提高雷电事故的频繁发生率，降低人民群众用电噪声，使得供电系统和网络更加安全可靠，国内外许多专家学者都想方设法地研究和寻找各种预防和减少雷电事故发生的方法和措施，从而更有效地维护和提高配电线路运行的稳定性和系统安全。通过长期的调查和研究，目前国内外常用的防雷措施有：增加绝缘、设置避雷器、安装自动重合闸、采用三角顶线作避雷线等。
1.2.1增加绝缘性
一般而言，在配电线路中，为了提高线路的绝缘性能，很多时候都是提高线路的绝缘子绝缘性能。而目前应用最广泛的绝缘子技术方法是陶瓷横担。与其他不同绝缘子最大的区别是，瓷横担耐雷水平要好得多，一般是针形绝缘子的两倍。因此，直线塔一般选用瓷横担。此外，提高输电线路绝缘子水平我们可以通过增加绝缘子的数量、用绝缘导线替换裸式导线、更换绝缘子类型等措施。
1.2.2设置避雷器
避雷器安装是10kV架空配电线路中广泛采用的一种防雷措施。用于暂时保护各种电气设备在电线受到自然雷击时的流动工作具有稳定性并且不受高瞬态或超过电压等有害条件影响，并暂时限制其具有持续性的流动工作时间。避雷器有时也被我们称为短路过电压电流保护器，过电压电流限制器。根据外壳避雷器的主要基础作用保护结构性能和其应用发展的主要历史，避雷器的主要品种很多，包括线型线式金属复合氧化物外壳避雷器 、非线型线式金属复合氧化物外壳避雷器、非线型线式金属复合氧化物外壳避雷器、非线型金属无绝缘间隙的非线路型线式金属复合氧化物外壳避雷器、完整带有绝缘层的复合外套式型金属复合氧化物外壳避雷器和可拆式外壳避雷器。避雷器主要类型包括燃气管式管道避雷器、阀式双管避雷器和惰性氧化锌管式避雷器。每种通用避雷器的主要技术工作点和原理各不相同，但其中一个主要工作的原理本质都应该是相同的，即使它保护了避雷通信连接电缆和其他重要通信连接装置安全免遭地雷损坏。管型间隙避雷器其实本身就是一种具有保护性的间隙，它由两个串联体的保护间隙共同结合组成，具有很高的灭弧性。一个在干燥大气中，称为外部灭弧间隙，其主要保护作用之一就是有效隔离外部工作电压，避免一个产品进气管被一个流经该产气管子的管式工频避雷泄露高压电流所阻而烧坏;另一个内部间隙主要安装在大型天然气运输管道内，称为内部灭弧间隙或称为灭火除弧隔离间隙，管式工频避雷器的内部灭弧隔离能力与管式工频泄露续流器的性能密切有关。这仪器是一种采用间隙式的防雷保护线路避雷器，主要用途适合于对电力供电中的线路元件进行各种防雷性的保护。
阀式电阻避雷器由驱动火花阀的间隙和驱动阀片所用电阻材料组成，阀片的所用电阻材料是由专门采用碳化铝和硅电阻材料操作制成。碳化铝和硅复合材料焊接制成的雷电阀阻装置可以有效率地防止接触雷电和产生高压，保护装置。例如，当室内发生一种有利于雷电流的高压时，火花阀的间隙被直接打破，阀片上高压电阻的增大导致会使电阻值大大减小，雷电高压电流被切断导致直接引入雷电大地，保护了导线电缆或其他连接电气设备的安全免除了受到发生雷电高压电流的直接伤害。正常的工作情况下，火花阀的间隙并不会被外力击穿，而且驱动阀片连接电阻的正常工作状态电阻值相对较高，不会严重破坏影响连接到自动通讯控制线路的正常运行通讯。
氧化锌保护避雷器是它是一种用于保护避雷性能优越、重量轻、耐大气污染、性能稳定的新型防雷保护装置。它主要特点是充分利用了氟氧化锌良好的非线性电压伏安保护特点，使得电源流过漏电避雷器的无阻电流在正常动作运行的无阻电压下很小(微安或毫安两个等级);当过于高电压电源停止正常动作时，电阻电压会急剧向下降低，将低于过电压的所有能源全部放电，从而可以起到漏电保护的重要效果。这种管式避雷器和我们传统的管式避雷器之所以性能有很大的不同，就之处在于它们之间没有任何抑制放电短路间隙，利用甲基氧化锌的非线性放电特点可用来抑制放电和自动打断短路电流。
1.2.3装设自动重合闸装置
当连接线路上的直流雷电声和放电效应引起连接线路上的直流电弧发生短路时，断路器自动停止跳闸，但在连接线路上的当断路器发生短路后，电弧自动跳闸熄灭。如果在该供电线路上已经成功安装了一次自动进行重合断电闸的开关装置，断路器将在0.5秒后自动对其进行一次重合。一般情况下，电弧不会重新复燃，因此可以恢复供电， 对一般用户不会造成很大影响。自动重合闸应根据以下原则。
（1）纯电缆线路的故障时间是永久性的，这就直接决定了纯电缆线路的自动再次重合闸无法正常投入使用。
（2）因为纯架空线路很多故障都是瞬间完成的，所以在纯架空线路上投入自动重合闸。
（3）自动重合闸的操作次数要求必须满足设计的次数且不可多次操作。
1.2.4利用三角形排列的顶线兼做防雷保护线
对于中性点不接地的3～10KV架空线路，可在三角形排列顶线绝缘子上设置保护间隙。在导管顶端接线两端绝缘子上的金属保护板用间隙将顶线发生应力击穿。雷击时的接地电流主要是通过它的两根接地电缆引地导下线直接排到它的地面，从而在此基础上需要保护下面的两根两端带有用于雷击时的引地导下线的接地电缆。因为这种电源线路系统是一个带有中性点不利于接地的供电系统，所以一般不会轻易造成电源断路器的自动跳闸，因此不会导致断路器跳闸。
1.3本论文主要工作
本论文研究的主要内容包括一下几个方面：
（1）10kV配电线路雷击过电压产生机理、计算方法及其危害。
- 对防雷措施进行分析，并根据计算出的过电压给出提高防雷水平的相应措施。
2.10KV配电网架空线路感应过电压的研究
2.1雷电过电压的概念
雷电外部过电压亦被有时简称雷电为特种大气外部过电压，也被有时简称外部大气过电压，是由于各种电力系统及其中的各种输电通信线路，设备或供电建筑物在室外工作时经常遭受大量闪电雷击或者其他特种雷电电压传感器的冲击影响所致而引起的一个特种过程度电压。雷电在通过电压时所直接产生的各种雷电流量冲击和挤波，其中的电压流量幅值最大甚至可以同时达到1亿伏，其中的电流流量幅值最大甚至可以同时达到几十几百万安，因此它们对供电系统本身造成的安全危害极大，必须及时消除加以加强保护[2]。
2.2雷电的放电过程
雷电放电并不是一个过程就完成的。首先雷云是高空雷电的一个先导组成部分，当空中的一个圆形雷云逐渐接近小的大地时，雷云和这个小的大地之间也就会连接形成一个很大的圆形雷电场。由于这种静电电荷传感器的运动作用，使得在一个地面上很有可能会同时出现一种与雷云的极性电荷运动极性正好完全相反的极性电荷。例如，当雷云与目的地之间在某一个特定位置的单向放电量和电场运动强度已经分别达到25~30kv/cm时，雷云就很有可能会自然地逐渐开始向该一个位置的地进行单向放电，并逐渐发展形成一个双向导电的雷云空气先导通道，称为风云雷电空气先导。大地雷力传感器由于发射和输出的特殊的差异性双向电荷分别聚焦于雷力集中的上述两个方位尖端，在双向雷电源的先导位置落入或落出降低高度到距离接近地面100~300m时，同时移动形成了一个垂直上行的双向迎雷式雷电先导。当上、下两种直流雷电电荷先导相互振动汇合时，正、负两种电荷先导都会被强烈的短波吸引而迅速发生中和并且不断产生强大的短波雷声和电流，同时还可能会不断伴随着巨声雷鸣或者电闪，这也就是直流电击雷的主要短波放电处理阶段。这个值的时间很短，通常只有500~100us。通常只有500~100us。在地球进入雷云主放点放电阶段后，雷云中的其他部分剩余的带电荷也将会不断继续沿着雷云主放点的放电通道运动方式向中国大地内部进行连续放电，从而就会产生一种类似间歇性的隆隆闪电雷声。这个充电阶段其实就是一次直接攻击雷达和发射余晖的快速放大充电期，时间约在0.03~0.15秒，电流相对比较小，大约在数百安。
2.3雷电过电压的两种基本形式
2.3.1 直接雷击
它主要指的也就是由于这些雷电直接地发射击中了地下电气通信线路、设备或其他地下建筑物，其中超过电压而直接引起的强烈短波雷击性电流经过这些放电物体上的放电管而进入水下地面，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，相伴的还有电磁脉冲和闪络放电，这种雷电过电压称为直击雷。
2.3.2 间接雷击
它指的是一种雷电不能直接地击中整个电力系统的任何一个组成部分，而是因为雷电在线路、装置或其他物体上进行经典传感器的电动信号感应或者是电磁传感器的信号感应。这种雷电的过电压也可以叫做感应雷，或者被称做雷电传感器[3]。研究分析结果表明，只有感应雷过电压雷击会使10kV架空配电线路出现路闪络或故障，直击雷过电压造成这样的后果不多，配电线路一般不会被雷电直接击中而出现直击雷过电压，经调查该类事故占雷害事故的比例小于20%，而有80%的事故都是因为感应雷过电压导致的。所以研究架空配电线路感应雷过电压有很大的价值，本文有关防雷研究的侧重点也是感应雷过电压。
在先导放电过程中，配电线路被先导通道与雷云之间的电场包围，由于有静电的现象的存在，导线两端的正电荷被电场强度Ex吸引，逐渐形成了束缚电荷。而导线上的负电荷，同时也受场强的相互排斥作用不断地向线路两端移动，将电流泄入大自然中，有时也会借助系统的中性点实现电流的传递。因为先到通道与电荷的移动比较慢，由此形成的电流强度就很小。由于对地泄漏电导的导线电位与远离雷云处的导线电位相等，在主放电阶段，在架空线路附近雷电云层会对大地击穿，先导通道中的负电荷会很快的被正电荷中和掉，电场强度也会快速减小，形成的束缚电荷会快速释放，并且向导线两端移动，从而形成感应雷过电压[4]。
2.4感应雷过电压的计算
2.4.1感应雷计算方法
防雷技术规程建议，架空线路上的雷电感应过电压与架空线路之间的距离不到 65m ，如果雷云向整个大地进行放电，计算该线路上的雷电感应过电压的最高值，我们可以采用公式（2-1）表述：
——雷击大地时感应雷过电压最大值，KV；
——雷电流幅值（一般不超过100KA）；
——导线平均高度，m。
S——雷击点与线路之间的距离，m。
式（2-1）仅仅不过是粗糙地充分考虑了线路雷达中电流的最大幅值、线路高度等因素对感应雷过电压的影响，未明确考虑到用于上行线路先导及向下放电的线路凸起物。
2.4.2感应雷过电压峰值计算
当雷击到配电线路的附近时，会在架空线路的三相导线上产生感应过电压。由于主放电具有一个发展过程，因此导线上感应电荷不会瞬间立即释放，而是逐渐释放，假设当落雷点在10kV配电线路附近的一定距离时，会在线路上产生感应过电压。雷云落雷示意图，如图2所示。设雷击点O距离配电线路正下方地C点的水平距离为s,单位m；雷电流幅值为I，单位KA；导线离地高度为
,单位m。
通过上述分析可得该线路的感应雷过电压为
通过上述计算可知，雷电感应过电压与电流I成正比，与线路距离地的高度
成正比，与雷落点到线杆之间的距离S成反比[5]。假设线路大部分为杆高为15m，在此算术中，
=15，感应过电压的的计算结果，见表1。
表1 10KV配电线路不同距离处感应过电压幅值
| 距离(m)/I(kA) | 10kA | 30kA | 50kA | 70kA | 90kA | 100kA |
| 66 | 56.6 | 169.1 | 281.4 | 349.2 | 507.0 | 563.5 |
| 75 | 49.7 | 149.1 | 248.5 | 347.4 | 447.0 | 496.6 |
| 90 | 41.4 | 124.5 | 207.3 | 209.1 | 373.4 | 414.7 |
| 150 | 24.8 | 74.9 | 124.4 | 224.5 | 224.2 | 249. |
2.5 10KV配电线路常见雷击事故措施研究
2.5.1防雷水平与电杆高度的关系
研究结果发现，如果在各个配电线路中，当该位置的电线杆之间高度不同时，该位置发生的雷击频率也不同，由图3可以看出，在相同的雷电打击距下，电杆越高，闪络的电流将越大。为了大大提高线路的抗雷性能，因此应选择尽可能低的高度的电杆，以确保线路的安全和正常运行[6]。
2.5.2防雷水平与绝缘子的关系
绝缘子器件是一种独立的绝缘控制元件，能够很好地在架空式输电系统和线路中起着非常重要的作用。最初，绝缘子主要目的是广泛应用于高压电线杆，但逐步开发出悬挂于高压电线连接塔一端的圆盘状绝缘子。它主要是专门用来延长爬电时间和移动距离的，它通常由玻璃或者陶瓷材料制成，得名于这个绝缘子。根据DL/T620—1997显示，我国内陆大部分地区雷电流幅值100kA的概率为7.3%，因此在深入研究各种防雷防护措施时，我们不仅可以更多地深入考虑认识到在本地配电传输线路中发生幅值为100kA或更小的雷电流对传输线路的直接影响。如果在10kV配电线路中产生的感应过电压大于绝缘子的脉冲电压容差值时，则感应过电压将沿着绝缘子表面最薄弱点在空气中闪络，形成一个新的闪络供电通道，造成配电线路的单相对应接地电压短路，表2中为几种不同的绝缘子的耐雷水平。
表2 不同绝缘子的雷电冲击电压耐受值
| 绝缘子类型 | |
| 陶瓷针式绝缘子（P-15） | 170 |
| 硅橡胶悬式绝缘子（FXBW6-10/70） | 230 |
| 陶瓷横担绝缘子（S-185） | 250 |
| 玻璃碟片绝缘子（XP-70） | 200 |
由此如上表所述可知，一般配电绝缘子耐雷电压等级峰值范围一般在100~250kv之间，而配电线路上产生的感应过电压峰值能达到560kV以上，远远超过配电线路绝缘子的耐雷最大值，因此，绝缘子容易被雷击，配电线路易造成闪络的现象，给人们生活带来不便。为了提高防雷水平，就需要提高线路绝缘水平。
2.5.3架空绝缘导线断线
为什么雷击闪电经常有效地放电会直接雷击破坏没有绝缘的导线架空板式电线：首先主要原因是绝缘线的结构和造型所导致的，绝缘架空导线一般采用交联半导电材料屏蔽和双层交联复合聚乙烯屏蔽材料涂层作为主要绝缘保护层，此处所需要使用的交联半导体屏蔽材料本身也就具有单向放电特性，大气过电压中，容易在绝缘电线的导体中引起过电压，并且难以沿着绝缘架空电线的导体表面结构进行磁化放电[6]；其次，雷击后绝缘电线的电磁机制也是特殊的，造成的二次雷击闪电断线发生次数比较多。架空裸线雷击时，引起闪络事故，是因为在工频续流的电磁力作用下，电弧会沿着导线（导体）滑移，电弧在滑动过程中释放能量，且在损坏绝缘子或工频续流烧断导线之前，断路器跳闸以阻止电弧，而架空绝缘线的绝缘层防止电弧在其表面滑移，电荷集中在击穿点放电，如图4所示，在断路器启动之前烧断导线，因此绝缘电线的雷击失败率远高于电线的雷击失败率。
2.5.4配电变压器损坏
根据DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规程规定，在配电网络系统中，配电变压器的高低压侧均应装设阀式避雷器以进行保护。阀式避雷器应尽可能靠近变压器装设，其接地线和变压器低压侧中性点(中性点不接地时则为中性点的击穿保险器的接地端)以及变压器的金属外壳三点一起接地，接地电阻通常不大于4欧姆[7]。具体接线如图5所示。（1）配电变压器防雷保护是一个系统工作。避雷器、接地方式及安装等任何一环如果出现了问题，则在雷电袭击期间保护系统可能会被无效，从而引起雷击事故。农村地区配电调变防雷配电保护站在工作中，普遍只是高度重视配变避雷器在整个农村地区配电调变中的高压侧必须装置配变避雷器，而往往忽略的是，在配变低压侧也必须同时装置配变避雷器等重要问题(特别存在是多雷区域)。因为高压侧避雷器向大地释放很大的雷电流时，在接地装置上产生电压降，作用在低压侧绕组的中性点，低压侧绕组通过低压线路的波阻抗接地。因此，这就直接导致了整个高压侧供电绕组系统能够根据其电压变化时的频率不同，来准确感应到比输入更高的电压受到直流雷击时的电压[8]。（2）避雷器一旦遭到破坏且没有及时被化验检出。有关调查单位表示调查结果显示一些新型避雷器在正常使用12年后还没有真正经历安全检查和安装试验。虽然也已经有一些品牌产品已经做了一些质量合格检测，但是其中只有12%产品是不完全合格的。由于在配电避雷器部件受到严重损坏后往往无法及时对其进行故障检出，导致一些配电避雷变压器在实际日常使用中并没有及时得到有效保护，因此，在雷电波入侵时很容易把配电避雷器受到损坏。
2.6感应雷过电压的危害
通过上述数据分析，我们就已经可以清楚地明显看出，由于这种感应式的断线雷电给我们的一些日常生活工作带来了极大的不便，并且很容易在某些配电线路上直接造成断线闪络。对于某些大型配电部件线路上的绝缘腐蚀程度雷电水平较低的配电部件，也很容易直接造成线路断线或发生闪络。感应雷过电压仅出现在三相导线中，并且相间也没有电位差，因为只会对地存在闪络。感应雷过电压还会沿线路传递，有可能进入变电所(站)或配电室内，或者室内，如果波过电压侵入，设备和人员可能会遭受雷击。如果传感器中的过电压侵入到低压系统，则低压用电设备和人员安全将有机会受到威胁。
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