现代防雷技术第六章 配电网防雷保护

1、.第六章第六章 配电网防雷保护配电网防雷保护n 635kV网络是我国主要的配电网络，该网络主要承担面向广大用户直接提供电能的任务。但是由于该网络经过的地形、地貌多样，有如蛛网般的网络结构非常复杂，线路的绝缘水平低，线路的运行维护都与110kV及以上的输电线路有差距。因此，配电网很容易遭受雷害事故，引起停电事故，给国民经济和人们生活带来严重的损失，根据对该方面资料的统计，配电线路中因雷害事故造成的停电事故占配电线路事故的21.91%，为了确保电力系统的安全稳定运行，采取有效的防雷保护措施，作好配电线路的防雷保护措施是相当有必要的。n 在防雷措施方面，635kV配电线路与110kV及以上的输电线路

2、相比较，配电线路没有避雷线、耦合地线、线路避雷器等相关的保护措施，仅仅在部分线路的进线段与重要的配电设备处有保护措施。根据对湖南某地区的10kV配电网进行调研后发现，该地区10kV配电网络绝大部分的线路的进线段没有采取任何防护措施，在配电变压器与柱上开关等重要配电设备的防雷保护措施也存在不足之处。.n 配电线路受雷电过电压的影响主要分为直击雷与感应雷。由于配电网的绝缘水平低，网架结构复杂，且配电线路没有避雷线、耦合地线、线路避雷器等保护措施，因此，配电线路遭受直击雷时根本无法防护，因为直击雷过电压，即雷电直接击中电气设备，或线路，这种过电压的幅值一般较高，高达数百千伏，雷电流高达数十千安，这种

3、过电压的破坏性极大，造成的损坏也较大，直击雷过电压的雷击跳闸率为100%。n 但是在配电线路中发生直击雷事故所占比例并不高，根据资料显示，635kv架空配电线路由雷击引起的线路闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压而是感应过电压，感应过电压导致的故障比例超过90%。因此，配电线路的防雷保护的侧重点应放在感应雷过电压的防护上。n 感应雷是指在雷云形成过程中，雷云与大地之间的感应电场、雷云对地放电和雷云与雷云之间放电时，雷闪电流产生的强大电磁场作用于各种传输线路上感应出过电压、过电流并经线路进入电气设备而形成的雷电过电压称为感应雷过电压。感应雷过电压可由“静电感应”的效应产生，也可由“电磁感应”的效

4、应产生，但大部分的情况是由这两种效应的综合作用而成。.n 感应雷电过电压幅值与雷云对地放电时的电流大小、雷击点与线路间相对位置、雷击点周围环境（如土壤电阻率）、遭受感应雷击的线路的长度、线路位置、设备接地装置的电阻等诸多因素有关系。直击雷具有高电压、大电流、破环力巨大的特点，但其几率却大大小于感应雷，这是因为直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论是雷云对地闪击，或者雷云对雷云之间闪击，都有可能发生并造成灾害。n 此外直击雷由于其放电的机理所致，一次只能袭击一至两处小范围的目标，而一次雷闪击却可以在比较大的范围内的多个局部同时激发感应雷过电压现象，并且这种感应高电压可以通

5、过电力线路等金属导线传输到很远致使雷害范围扩大。.n n第一节 配电所防雷保护n6.1.1 配电所进线段防雷保护配电所进线段防雷保护n 配电所的全部保护措施，可根据配电线路、被保护的高压设备及结构方式等具体条件确定。n 对35kV无避雷线的线路，为了保护配电所的安全，应在配电所的进线段12km长度内加装避雷线，其保护角一般小于20o，这样在这一段雷绕击或反击于导线的机会就会大大减少。图61是进线段的保护方式。在进线以外落雷时，由于进线段导线的阻抗，使避雷器电流IBL受到限制，而且沿导线的来波陡度也将由于冲击电晕作用而大为降低。此外，导线及大地的电阻抗对波的衰减变形也会有一定的影响。n 有些配电

6、所的进线保护段是较老的线路，从杆塔条件来看架设避雷线有困难，或由于线路经过地区的土壤电阻率较高（），降低接地电阻很不容易，进线保护段所需耐雷水平很难到达要求时，可以考虑在进线保护段的终端杆上安装一组电抗线圈来代替进线保护段，如图6-2所示。.图61 35kV无全线架设避雷线线路的进线保护.图62 用电抗线圈代替变电站进线段的接线.n n 长期的运行经验证明，电抗线圈对电力设备的防雷保护作用是很显著的，不论是保护发电机还是变压器都十分有效，所以有些地区把电抗线圈称作“防雷线圈”。n 如果配电所的进出线采用电缆，在电缆和架空线路的连接处应装设避雷器保护，其接地必须与电缆的金属外皮相联接。三芯与单芯

7、电缆保护接线不同，图63（a）为三芯电缆保护接线，图63（b）为单芯电缆保护接线。但线路传来雷电波、产生操作过电压或发生短路故障时，电缆金属外皮上感应的高电压可以由电缆一端的接地和另一端接地体或间隙来保护。当电缆长度超过50m或经过验算装设一组避雷器即能满足保护要求时，可只装一组。. 图6-3 具有35kV及以上电缆段的变电站进线保护接线 （a）三芯电缆保护接线；（b）单芯电缆保护接线若电缆长度超过50m，且断路器在雷季有时开路运行时，应在电缆末端加装避雷器保护。此外，靠近电缆段的500-1000m线路杆塔上还应装设避雷线保护。为使保护电缆头上的避雷器易于放电，条件许可时可在电缆与架空线连接处

8、加装一组电抗线圈，避雷器应装在电抗线圈的外侧。.n6.1.2 配电所的内部防雷保护配电所的内部防雷保护n（1）开闭所的防雷保护n 城市高层建筑和大型公共建筑的不断涌现使城市功能越来越趋向完善和复杂化，电力用户对中压配电网的供电可靠性提出了更高的要求。为解决高压变电所中压配电出线开关柜数量不足、出线走廊受限，减少相同路径的电缆条数，建设开闭所是很有必要的。开闭所宜建于城市主要道路的路口附近、负荷中心区和两座高压变电所之间，以便加强电网联络，提高供电可靠性。开闭所可以结合配电站建设，亦可单独建设。开闭所的接线力求简化，一般采用单母线分段，两路进线，610路出线。而且城市配电网处于发展变化中，配电网

9、实际线路与开闭所、电缆分接箱的配置较复杂，配电网建设的随机性较大，混合形式多，配电网接线与开闭所的配置没有严格的界线。中压配电网中，双电源、多电源等供电方式越来越多，接线方式从单电源树干放射式接线逐步向单环网、双环网及其多分段多联络网格式接线发展。n 随着配电网的发展越来越复杂化，线路的随机性增大，开闭所作为加强电网联络，提高供电可靠性的重要手段，它的防雷的要求也越来越高。根据开闭所结构特征，开闭所防雷应在母线侧安装母线避雷器，并在开闭所进线与出线侧安装避雷器对雷电过电压进行保护。.（2）配电所直击雷保护配电所的屋外配电装置，较高建（构）筑物以及易燃易爆对象，都应加直击雷保护。独立避雷针（线）

10、与被保护物之间应有一定距离，以免雷击避雷针（线）时造成反击。如图6-46-4。 图64 独立避雷针.n在雷击避雷针时，避雷针上离被保护物最近的A点的电位为n （61） n式中，L为从A到地面这段避雷针的电感；取雷电流i的幅值为150kA，波头为斜角坡，波头长2.6s。即=。避雷针的电感取为1.3h（H）（h是A点高度，m），于是n （62） n上式右侧前一项存在时间较长（波尾），后一项存在时间较短（波头）。对前项，空气的耐压约为500kV/m；对后者空气的耐压约为750kV/m。于是可求出不发生反击的空气距离Sk为n （63）n独立避雷针的接地装置与被保护物的接地装置之间在土中也应保持一定距离

11、Sd（如图634所示），以免击穿，Sd应为n （64） AchdiuiRLdt15075AchuRh150750.30.1 ( )500750chkchRhSRh m0.3( )dchSRm.n 在一般情况下，Sk不应小于5m，Sd不应小于3m。有时由于布置上的困难，Sd无法保证，此时可将两个接地装置相连。但为避免设备反击，该连接点到35kV及以下设备的接地线入地点，沿接地体的地中距离应大于15m。因冲击波沿地中埋线流动15m后，在时，幅值可衰减到原来的20%左右，一般不会引起事故。n 对于60kV级以上的配电装置，由于绝缘较强，不易反击，一般可将避雷针（线）装设在架构上。装于架构上的避雷针利

12、用配电所的主接地网接地，但应根据土质，在附近加设35根垂直接地体或水平接地带。由于主变压器的绝缘较弱而且设备重要，所以在变压器的门形架上不应安装避雷针。其它构架避雷针的接地引下线入地点到变压器接地线入地点，沿接地体的地中距离应大于15m。.n在安装避雷针时还应注意：n（1）独立避雷针应距道路3m以上，否则应铺碎石或沥青路面（厚58cm），以保人身不受跨步电压的危害。n（2）严禁将架空照明线、电话线、广播线、天线等装在避雷针上或其下的架构上。n（3）如在独立针上或在装有针的架构上装有照明灯，这些灯的电源必须用铅皮电缆，或将全部导线装在金属管内，并应将电缆或金属管直接埋入地中长度10m以上，才允许

13、与35kV及以下配电装置的接地网相连，或者与屋内低压配电装置相连。机力通风冷却塔上电动机的电源线也照此办理，烟囱下引风机的电源线也应如此办理。n（4）发电厂主厂房上一般不装设避雷针，以免发生感应或反击使继电保护误动作或造成绝缘损坏。.n6.1.3 配电所的接地配电所的接地n 配电所接地的好坏直接关系到设备与人身安全，在防雷措施中属于非常重要的一环，应当给予充分的重视。因为接地网的缺陷，在电力系统中多次发生过严重的事故，事故原因既有地网接地电阻方面的原因，也有地网均压方面的问题，随着电网的发展，配电所内的微机保护、综合自动化设备的大量应用，这些弱电元件对接地网要求更高，为了保证配电所的可靠必须解

14、决以下问题：n （1）地网的接地电阻问题，因为它直接关系到工频接地短路电流和雷电流的入地时的地电位的升高。n （2）地网的均压问题，特别是雷电流入地时造成的地电位升高造成弱电设备干扰与对二次电缆反击造成的保护设备的损坏而发生的事故。n （3）设备接地问题，特别是有的防雷设备，如避雷线、避雷器的接地做不好的话会引起很高的反击过电压。n （4）接地网的腐蚀问题，由于接地装置在地下运行，运行条件恶劣，特别是在一些土壤腐蚀性比较严重的地方极易造成腐蚀，发生腐蚀后的接地网的电气参数会发生变化，甚至会造成电气设备的接地与地网之间，地网各部分之间形成电气上的开路，因此也应该特别的注意。n 根据DL/T621

15、1997交流电气装置的接地规程中的规定，35kV配电所接地电阻目标值应不高于4，且应满足配电所内跨步电压与设备接触电压公式如下：.n n （6-5）n (6-6)n 变电所土壤电阻率，。n 在配电所接地装置防腐方面，计及腐蚀影响后，接地装置的设计使用年限，应与地面工程设计使用年限相当；接地装置的防腐设计，应按照当地的腐蚀数据进行；在腐蚀严重的地区敷设在电缆沟中的接地线和敷设在屋内或者地面上的接地线，应采用热镀锌，对埋入地下的接地体宜采用适当的防腐措施，如在接地体四周施加降阻防腐剂，接地线与接地极或接地极之间的焊接点，应涂上防腐材料。n在配电所接地网形式方面，人工接地网的外缘应闭合，外缘各角作成

16、圆弧形，圆弧的半径不能小于均压带间距的一半，接地网内应敷设水平均压带，接地网埋深不能小于0.6m，有条件的埋深应达1m。在配电所敌网边缘有行人通行的走道外应敷设砾石、沥青路面或者在地下装设两条与地网想连的均压带。skU2.050 500.05ssUs.n在配电所接地装置防腐方面，计及腐蚀影响后，接地装置的设计使用年限，应与地面工程设计使用年限相当；接地装置的防腐设计，应按照当地的腐蚀数据进行；在腐蚀严重的地区敷设在电缆沟中的接地线和敷设在屋内或者地面上的接地线，应采用热镀锌，对埋入地下的接地体宜采用适当的防腐措施，如在接地体四周施加降阻防腐剂，接地线与接地极或接地极之间的焊接点，应涂上防腐材料

17、。n在配电所接地网形式方面，人工接地网的外缘应闭合，外缘各角作成圆弧形，圆弧的半径不能小于均压带间距的一半，接地网内应敷设水平均压带，接地网埋深不能小于0.6m，有条件的埋深应达1m。在配电所敌网边缘有行人通行的走道外应敷设砾石、沥青路面或者在地下装设两条与地网想连的均压带。.第二节 配电设备防雷保护n6.2.1 配电变压器的防雷保护配电变压器的防雷保护n 635kV配电网络，是我们国家的主要配电网络，该网络由于网状的网络结构且电网的绝缘水平较低，最容易发生雷害事故。配电网最为频繁的雷害事故是雷击跳闸和配电设备被雷电击坏。n配电变压器是向广大用户分配电能、变换电压的主要设备。在配电网中，经常发

18、生的雷害事故就是雷电击坏配电变压器事故，每年都要损坏几百台，其影响范围是很广的，经济损失也很大。.n 一般配电变压器高压侧装设氧化锌避雷器保护，避雷器应靠近变压器装设，其接地线应与变压器的金属外壳以及低压侧中性点（变压器中性点绝缘时则为中性点的击穿保险器的接地端）连在一起共同接地。之所以要三点连在一起共同接地，是考虑到在雷电波侵袭时，避雷器动作，若避雷器独立接地，则雷电流通过接地电阻的压降可能比避雷器上的残压还大，变压器将承受这两者叠加的过电压作用，危害性大大增加。现将避雷器接地线连至变压器外壳上，则变压器绝缘只承受避雷器的残压，只是外壳电位大大增加，其值等于通过避雷器雷电流在接地装置上的压降

19、，可能会反击低压绕组，为此，需将低压侧中性点与外壳连接，免除逆闪络。这种共同接地的缺点是避雷器动作时引起的地电位升高，可能危害低压用户的安全，应加强低压用户的接地保护措施。n在运行中，按上述接法装设避雷器，变压器绝缘和避雷器特性都合格，仍有不少变压器遭受雷击损坏，经分析其原因如下：n（1）雷电直击低压线路或低压线有感应雷过电压，低压侧绝缘被损坏；n（2）低压侧线路落雷时，由于没有避雷器的保护，雷电波沿线直接侵入低压绕组，经其中性点接地体入地，雷电流在接地电阻上产生压降，使低压侧中性点电位偏移。 .n此压降一方面叠加在低压绕组相电压上，另一方面通过铁芯按电磁感应定律以变比的倍数升高到高压侧，与高

20、压绕组相电压叠加，使高压绕组出现危险过电压，这种引起高压侧中性点过电压的现象叫“正变换” 过电压。此电压的大小与进波电压的幅值、变比成正比，与接地电阻的大小成反比。根据雷电侵入波幅值的大小， 高压绕组中性点附近电位约高于额定值的十几倍，导致变压器高压绕组绝缘击穿。n图65 配电变压器的保护接线.n（a）逆变换过电压n 即当310kV侧侵入雷电波,引起避雷器动作时,在接地电阻上流过大量的冲击电流,产生压降,这个压降作用在低压绕组的中性点上,使中性点电位升高,当低压线路比较长时,低压线路相当于波阻抗接地。因此,在中性点电位作用下,低压绕组流过较大的冲击电流,三相绕组中流过的冲击电流方向相同、大小相

21、等,它们产生的磁通在高压绕组中按变压器匝数比感应出数值极高的脉冲电势。三相脉冲电势方向相同、大小相等。由于高压绕组接成星形,且中性点不接地,因此在高压绕组中,虽有脉冲电势,但无冲击电流。n 冲击电流只在低压组中流通,高压绕组中没有对应的冲击电流来平衡。因此,低压绕组中的冲击电流全部成为激磁电流,产生很大的零序磁通,使高压侧感应很高的电势。由于高压绕组出线端电位受避雷器残压固定,这个感应电势就沿着绕组分布,在中性点幅值最大。因此,中性点绝缘容易击穿。同时,层间和匝间的电位梯度也相应增大,可能在其他部位发生层间和匝间绝缘击穿。这种过电压首先是由高压进波引起的,再由低压电磁感应至高压绕组,通常称之为

22、逆变换。此逆变换过电压幅值取决于进波电流幅值、波长、接地电阻及变压器变比等因素。此电压可达到额定值十几倍，大大超过了变压器绝缘的耐压值，导致变压器中性点附近的绝缘击穿。.n（b）正变换过电压n 所谓正变换过电压,即当雷电波由低压线路侵入时,配电变压器低压绕组就有冲击电流通过,这个冲击电流同样按匝数比在高压绕组上产生感应电动势,使高压侧中性点电位大大提高,它们层间和匝间的梯度电压也相应增加。这种由于低压进波在高压侧产生感应过电压的过程,称为正变换。试验表明,当低压进波为10kV,接地电阻为5时,高压绕组上的层间梯度电压有的超过配电变压器的层间绝缘全波冲击强度一倍以上,这种情况,变压器层间绝缘肯定

23、要击穿。n 在配电变压器低压侧加装金属氧化物避雷器。这种保护方式的接线为:变压器高、低避雷器的接地线、低压侧中性点及变压器金属外壳四点连接在一起接地(或称四点共一体)。运行经验和试验研究表明,对绝缘良好的配电变压器,仅在高压侧装设避雷器时,仍有发生由于正、逆变换过电压造成的雷害事故。这是因为高压侧装设的避雷器对于正变换或逆变换过电压都是无能为力的。正、逆变换过电压作用下的层间梯度,与变压器的匝数成正比,与绕组的分布有关,绕组的首端、中部和末端均有可能破坏,但以末端较危险。低压侧加装避雷器可以将正、逆变换过电压限制在一定范围之内。而且，无论发生正变换或逆变换过程，都能保护高压绕组，显然，在低压侧

24、装设氧化锌避雷器是十分必要的。.n 由上可知，限制低压绕组两端的过电压值，不仅能保护低压绕组，而且无论发生正变换或反变换过程，都能保护高压绕组。显然，在低压侧装设氧化锌避雷器是十分必要的。尤其是在多雷区，更应如此。低压侧避雷器的连接方式与高压侧类似。n6.3.2 柱上开关的防雷保护柱上开关的防雷保护n 随着配电网的发展，为了电网运行方面的需要，线路分段开关和联络开关大量投运，这对保证电网运行方式的灵活性，提高供电的可靠性起了很大的作用，但是大部分配电网线路仅在开关的一侧装设了避雷器。从运行记录中可以看出，当发生雷击故障时，经常有柱上开关、刀闸、避雷器等设备在雷电活动时损坏。n 随着线路分段开关

25、和联络开关大量投运，特别是联络开关一般处于断开状态，当断路器一侧线路遭受雷击，雷电波沿线路传播，到开关或刀闸开断处，将发生雷电波的全反射，如图6-6所示。雷电波在开断的断路器处由于全反射作用幅值形成2倍的过电压，该电压会危及开关或刀闸的绝缘，会使开关内部或外部绝缘发生击穿或闪络。可能造成开关损坏，因此，开关两侧都必须安装避雷器。.n 线路开路末端处电压加倍、电流变零的现象也可以从能量关系来n理解：因为 ， ，全部能量反射回去，反n射波返回后单位能量与磁场能量相等，因此反射波返回单位长度线路储存的总能量为n （6-7）断开点 uququqn图6-6开关开断处波的反射222010 1011112

26、()2 2222qqqWC uL iC u 2Z 2220quPZ.n 因为反射波达到后线路电流为零，故磁场能量为零，全部磁场能量转化为电场能量，因此，电场能量增加到原来的4倍，即电压增大到原来的2倍。过电压波在开路末端的加倍升高对绝缘是很危险的，在考虑过电压防护措施时对此应给予充分的注意。n6.3.3 其他配电设备防雷保护其他配电设备防雷保护n 电缆分支箱是配电线路中，电缆与电缆，电缆与其它电器设备连接的中间部件，其连接组合方式简单方便，灵活，具有全绝缘、全封闭、防腐蚀、免维护、安全可靠等性能，广泛用于商业中心、工业园区、城市住宅小区及大量的城市电网改造工程。n 环网柜是一组高压开关设备装在

27、钢板金属柜体内或做成拼装间隔式环网供电单元的电气设备，其核心部分采用负荷开关和熔断器，具有结构简单、体积小、价格低、可提高供电参数和性能以及供电安全等优点。它被广泛使用于城市住宅小区、高层建筑、大型公共建筑、工厂企业等负荷中心的配电站以及箱式变电站中。.n 环网柜适用于工厂、车间、小区住宅。高层建筑等场所的配电系统、环网供电或双电源辐射供电系统，起接受、分配和保护作用，也适用于箱式变电站中。为提高供电可靠性，使用户可以从两个方向获得电源，通常将供电网连接成环形。这种供电方式简称为环网供电。在工矿企业、住宅小区、港口和高层建筑等交流10KV配电系统中，因负载容量不大，其高压回路通常采用负荷开关或

28、真空接触器控制，并配有高压熔断器保护。该系统通常采用环形网供电，所使用高压开关柜一般习惯上称为环网柜目前环形柜产品种类很多。n 由于电力系统的发展，上述设备在配电线路中的使用越来越广泛，它的防雷问题也成一个突出的问题。在10kV电缆化的环网供电系统中，需采取措施抑感应雷过电压，通常的措施是采用避雷器，其保护点位置的选择有两种做法，一是在整个环网回路中的每个单元均安装避雷器，该方法由于环网回路中安装的避雷器数量较多，降低了系统运行的可靠性且增加成本。方法二则有选择地在环网单元安装避雷器保护。上述两种避雷器安装措施应根据电网的实际情况进行选择，但是如果在环网回路中有一段架空线路的话，则应在架空线路

29、的两端的环网单元安装避雷器进行保护。在避雷器选择方面，具备防爆脱离功能和免维护的无间隙金属氧化锌避雷器更是首选。通常在10kV配电设备中选用HYSW一17/50型避雷器，该型号的避雷器具有防水、耐污、防爆和密封性能好等特点，且体积小，重量轻，易安装，目前已得到广泛采用。 .第三节、配电网防雷存在问题分析n6.3.1 绝缘水平对配电网防雷的影响绝缘水平对配电网防雷的影响n 配电网主要采用P10、P15、P20和X45四种型号的绝缘子，其中P10、P15、P20为针式绝缘子，而X45为悬式绝缘子。上述四种型号绝缘子在绝缘性能上存在着差异，从研究试验结果中可以看出，根据试验可以得出P10绝缘子的冲击

30、放电电压为132.74kV，P15绝缘子的冲击放电电压为157.79kV，P20绝缘子的冲击放电电压为192.36kV，X45绝缘子的冲击放电电压为220.34kV。而配电线路中绝缘子是决定配电线路绝缘水平的主要设备，在湖南地区配电线路的事故中，因绝缘子闪络或者爆炸造成的事故占了很大一部分，某地区在2007年一年中，因绝缘子造成的线路故障发生了25次，其中绝缘子闪络14次，绝缘子闪络与绝缘子冲击放电电压水平是密切相关的，因此，增加线路的绝缘水平对减少绝缘子闪络事故是很有作用的。.配电网架空线路主要采用P10、P15、P20和X45四种型号的绝缘子，其中P10、P15、P20为针式绝缘子，而X4

31、5为悬式绝缘子。上述四种型号绝缘子在绝缘性能上存在着差异，为了了解这四种绝缘子的雷电冲击放电电压我们在高压试验室取现场运行中的四种绝缘子做了雷电冲击试验。其试验结果如下：表6 1 P10绝缘子U50%冲击放电电压 冲击电压发生器每级电压峰值绝缘是否击穿20kV/级117.54 kV击穿15 kV/级115.88 kV未击穿17kV/级126.85kV未击穿18 kV/级132.74 kV击穿19 kV/级150.29 kV击穿.表62 P15绝缘子U50%冲击放电电压 冲击电压发生器每级电压峰值绝缘是否击穿26kV/级158.68 kV击穿24 kV/级165.22 kV击穿23 kV/级16

32、9.62 kV击穿22 kV/级166.03 kV击穿21 kV/级157.79 kV击穿20.5 kV/级154.93 kV未击穿.冲击电压发生器每级电压峰值绝缘是否击穿30kV/级187.78 kV击穿25kV/级180.39 kV未击穿28kV/级194.91kV击穿27kV/级192.36kV击穿26kV/级188.12 kV未击穿表63 P20绝缘子U50%冲击放电电压 .表64 X45绝缘子U50%冲击放电电压 冲击电压发生器每级电压峰值绝缘是否击穿35kV/级224.86 kV击穿30kV/级220.34 kV击穿28kV/级204.96kV未击穿28kV/级201.16kV未击

33、穿29kV/级209.26 kV未击穿.n试验结果分析n（1）根据试验可以得出P10绝缘子的冲击放电电压为132.74kV，P15绝缘子的冲击放电电压为157.79kV，P20绝缘子的冲击放电电压为192.36kV，X45绝缘子的冲击放电电压为220.34kV。n（3）P15绝缘子的冲击放电电压比P10绝缘子的冲击放电电压高18.8%，P20绝缘子的冲击放电电压比P15绝缘子的冲击放电电压高21.9%，X45绝缘子的冲击放电电压比P20绝缘子的冲击放电电高14.5%，由此可见，使用冲击放电电压高的绝缘子有利于提高线路的绝缘水平，增强配电线路的耐雷水平。n（3）当绝缘子上敷上水膜后，绝缘子的冲击

34、放电电压有所降低，P10绝缘子的冲击放电电压为121.38kV，P15绝缘子的冲击放电电压为146.82kV，P20绝缘子的冲击放电电压为178.24kV，X45绝缘子的冲击放电电压为206.98kV。.n（4）在绝缘子上敷上水膜后，P10绝缘子的冲击放电电压降低了9.3%，P15绝缘子的冲击放电电压降低了7.1%，P20绝缘子的冲击放电电压降低了7.9%，X45绝缘子的冲击放电电压降低了6.5%。有上述数据可见，绝缘子上的积污在雷雨情况下，将会造成线路的绝缘水平的下降，因此，做好日常的绝缘子清污与维护工作是非常重要的。n绝缘子闪络或者爆炸事故除与绝缘子冲击放电电压水平相关外，还与绝缘子的日常

35、运行维护有重要的关系。配电网络中普遍采用P10、P15与X45绝缘子，以湖南某地区两条线路为例，线路中主要采用P15与X45两种型号，n 但是由于配电线路对于运行状态的绝缘子没有采用任何监测措施；也没有制订相应的轮修、轮检和轮换制度，且线路投运时间长，线路老化严重，线路中还有大量老式绝缘子仍然在运行中，老式绝缘子不论在绝缘性能还是机械性能方面都比P15等绝缘子要低很多；线路投运时间过长暴漏出来的另一个问题就是线路缺少维护，线路中将会出现大量劣质绝缘子，劣化绝缘子是由于电热老化机理引起的，同瓷绝缘子挂网时间长短有关，在平时正常天气状况下能保持正常运行，但是在出现过电压情况下，就会造成绝缘子内部击

36、穿，从而产生低值或者是零值绝缘子，雷击产生的瞬时短路电流严重时可能会引起低值绝缘子的过热爆炸，劣质绝缘子的存在对将会造成配电线路绝缘水平的降低，当线路遭受雷电过电压的时候易发生雷击跳闸事故。.n运行环境的影响,配电线路一般都位于道路傍边,运行环境恶劣,由于配电线路位于路边且杆塔都比较低(相对于输电线路)车辆荡起的尘埃很容易被吸附到绝缘子上,对绝缘子造成严重的污染.对配电网来说由于污染不会向输电网哪样引起大面积的停电、因而没有得到应有的重视，但配电网绝缘子污染后，会使泄漏电流加大，电网损耗加大，当绝缘子的泄漏电流达到一定程度后，会使绝缘子迅速劣化或炸裂，发生接地短路，形成单相接地或相间短路故障，

37、配电网经常发生的，绝缘子炸裂故障大都是这种原因造成的。n配电设备外绝缘不可避免的会落上大气中烟尘、扬灰等各种污秽物，大气污染越严重的地区，绝缘子的积污也越严重。一般来说，绝缘子积污是一个缓慢变化的过程。尽管到目前为止，有关沿绝缘污染表面的放电机理还没有统一的看法，但大都认为，沿绝缘子湿润污秽表面的闪络现象己不是一种单纯的空气间隙击穿，而是一种与电、热、化学因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热动平衡过程.绝缘子的湿润加大了，表面污层的导电性能，使得通过绝缘子表面的泄漏电流增大，污层发热。发热将从正、反两个方面来改变表面污层的导电性能，一方面由于表面污层的烘干将使电导率减小；.n

38、而另一方面却因污层中正温度系数电解质的影响，随着温度的升高而使电导率增加。因为污秽沿绝缘子表面的分布通常是不均匀的，即使污秽均匀分布，常用绝缘子沿泄漏路径的等效直径也有所变化，因此绝缘子各个区段的泄漏电流密度是不相同的，这就使得表面污层的自身加热也是不均匀的。n 在某些污层薄的地方或潮湿程度轻的地方，特别是在绝缘子表面泄漏电流密度最大的区段(例如盘形悬式绝缘子的干燥区，如图 6-7 所示)，它将承受绝大部分外加电压，从而改变了绝缘子的电压分布。当绝缘子表面污层形成烘干区后，取决于作用电压大小的不同，表面物理过程的继续发展是不相同的。当线路遭受雷害时，加在绝缘子上的电压将达到上百千伏，在这种情况

39、下极易造成绝缘子的闪络。.图6-7绝缘子钢帽附近的电流分布.n在城乡结合部，工业大部分位于城乡结合部，常有大量化工废气排放，空气质量相对比较差，污秽严重，并且由于没有制订相应的绝缘子除污清扫措施，绝缘子上的积污非常严重，绝缘水平下降，在发生雷雨天气情况下，由于积污，降水等综合原因的影响，当遭受雷电过电压时，将会造成绝缘子闪络。n在运行过程中，其内部瓷件出现裂缝或通透性损伤，损伤部位进潮，绝缘子内部击穿电压远小于沿面放电电压，在雷闪、情况下，内部产生碰撞游离和热游离形成导电通道，闪络放电的大电流就通过绝缘内部，大量的热量产生高温引起爆炸，使瓷件破碎。n树木的影响,由于配电线路大都位于街道两边,或

40、路边、 而这里正是街道或道路绿化的地方，于是线树矛盾就十分突出，特别是一些速生树木在春夏季节，树木的新生枝条在风的作用下经常扫向线路，造成线路单相接地或相间短路故障，更有甚者在风雨天气下有些树木倒向线路，使线路倒杆断线的现象也时有发生，因此可以说由线路下的树木使配电网发生故障，占配电网故障的比例相当大。.n6.4.2 架空绝缘导线雷击断线分析架空绝缘导线雷击断线分析n 架空绝缘导线是介于裸导线与电缆线路之间的配电型导线，与裸导线相比，它能有效地降低“线树矛盾”引起的停电事故；与电缆相比，它可避免道路开挖，投资少，且架空绝缘导线的绝缘水平较架空裸导线高，在雷电过电压情况下能减小发生闪络的机率。n

41、 基于上述优点，在配网中开始大量应用架空绝缘导线，但是，随着配电网络绝缘化工作的深入开展，雷击断线问题日益突出。长沙地区配电网中大量使用了架空绝缘导线，衡阳地区的架空绝缘导线占配电线路中比例虽然并不高，但是大量使用架空绝缘导线的将是一种必然的趋势。n 随着架空绝缘导线在配电线路中越来越广泛的应用，由于雷电过电压造成的绝缘导线断线的事故也越来越多。其中，衡阳地区2007年中发生了4次上述事故，长沙地区的大托线于2007年3月23日发生一起典型的雷电过电压造成的架空绝缘导线断线事故。.n n 雷电过电压闪络时，瞬时的雷电流很大，但时间很短，仅在架空绝缘导线上形成击穿孔，不会烧断导线。当发生雷电过电

42、压闪络，特别是在两相或三相（不一定在同一电杆上）之间发生闪络过后，沿着雷电击穿而形成的短路通道在电网工频电压作用下流过工频续流，电弧能量将剧增，此时，由于架空绝缘导线绝缘层阻碍电弧在其表面滑移，高温弧根被固定在绝缘层的击穿点灼烧，产生局部过热，烧熔，最后导至断线。而对于裸导线，电弧在电磁力的作用下，高温弧根沿导线表面不断滑移，不会集中在某一点烧灼，因此不会严重烧伤导线。这样，裸导线通常在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前就会引起断路器动作，切断电弧。这也是裸导线的断线故障率明显低于架空绝缘电缆的原因。n 工频短路电流产生的弧根温度为10005000 ，铝的熔点为660 ，铝具有高温强度低，塑性差

43、，在脆性温区易产生裂纹的物理特性。由感应雷过电压引起的绝缘子闪络极易在电弧通道位置形成绝缘皮针孔，并同时在导体表面形成裂纹痕。持续的工频短路电流产生高温的弧根在穿孔处因绝缘皮的阻隔持续一点不停的灼烤熔点为660 的铝导线，使其脆化，扩大热裂纹的深度，从而降低导线拉断强度。 .n弧根温度很高，相间短路开关跳闸时间t(一般为1 s)很短，弧根所产生的热量()不足以熔化铝导线，雷击绝缘导线出现整齐断裂现象说明了这一点；弧根既是热源，也是力源，高、低压电极形成的电弧通道所产生的电磁推力方向总是由小截面(高阻抗)处指向大截面(低阻抗)处，电磁推力大小随工频50HZ的正负半波而交变，与工频短路电流的平方成

44、正比；根据作用力与反作用力相等的原理，与电弧电磁推力反向的垂直分量-F1(即冲击载荷)在1 s内交变100次，反复作用在电弧固定处的导线截面上。另外，截面处受到因自重而产生的轴向张力T1、T2(对于240 导线，当安全系数取3时，张力约8 kN)，大小相等，方向相反。当材料处于单向拉伸应力下，呈现塑性，当材料处于3向拉伸应力下，则易呈现脆性，尤其处于交变应力，工频电磁推力属于交变应力。这样，以上以上4种原因促成了绝缘导线整齐断裂种原因促成了绝缘导线整齐断裂(见图见图6-8)。金属脆性断裂的特征是，断裂时没有明显的塑性变形，两个断口能够吻合得很好，并且断口颜色光亮，呈结晶状；金属韧性断裂的特征是

45、，断裂时有明显的塑性变形，吸收的能量大，断口形貌是灰暗色，纤维状。根据多次绝缘导线雷击断线情况，由多股绞合而成的导线断口特征介于脆性断裂和韧性断裂之间，说明断裂是综合原因促成的。单纯的固定弧根高温熔断或烧断，断裂面应呈不规则状，不会出现整齐断裂现象。在发生架空绝缘导线断线后，在导线张力作用下绝缘层因来不及熔化、炭化，铝绞线因为张力原因缩进绝缘层内，电源侧绝缘导线断头后不一定接地，因此线路不发生相间短路或者单相接地信号，此类情况很可能会引起人身触电伤亡事故。.移象负荷侧电弧通道弧根感应雷电流弧根电弧通道电源侧图6-8架空绝缘导线断线分析示意图.n6.5.3 雷击配电线路建弧率问题雷击配电线路建弧

46、率问题n由于架空线路的绝缘子大都属于自恢复绝缘，雷电放电的时间一般只有几十微秒，雷击过后能否建立稳定的接地短路电弧则取决于电网的工频续流，即雷电过电压以后沿雷电过电压造成的绝缘子闪络通道流过的电网工频电流，即工频续流,这个电流的大小等于电网单相接地电容电流IC，IC如大于熄孤临界值（10kv电网的熄孤临界值为11.4A），则不能可靠媳弧，n此时会产生三种结果，n一、如果IC在11.4A300A的范围之内,都能产生弧光接地过电压，这是因为接地电流每一次流过零点时，电弧都要有一个暂时性的熄灭，当恢复电压超过其恢复强度时将再次发生对地击穿，由于电网是由电感和电容元件组成的网络,电弧的间歇性熄灭与重燃

47、会引起网络电磁能的强烈振荡,产生较高的过渡过程过电压，即弧光接地过电压,该过电压可达3.5U(U:最高相电压),且持续时间长,遍及全网,会引起避雷器爆炸；.n二、当IC比较大时，这一暂时性熄灭的时间微不足道，可以认为电弧是稳定的燃烧，如果不能可靠熄弧，电弧燃烧时间过长的话将会引起相间短路，而且在同塔多回路线路形式中，因一回线路遭受雷害后线路绝缘子对地击穿，如果击穿后工频续流比较大，n持续的接地电弧将使空气发生热游离和光游离，由于同杆架设的各回路之间的距离较小，那么电弧的游离会波及到其他的回路，引起同杆架设的其他回路发生短路事故，严重时将会造成多回线路同时跳闸，极大的影响了配电线路的供电可靠性；

48、n三、当IC11.4A时，由于绝缘强度恢复很快，难以再次击穿，在雷击过后线路立即恢复正常运行，雷电不影响配电网的正常运行。.n6.5.4 配电设备防雷保护存在的缺限n1、配电变压器的防雷保护措施上存在的问题n 根据我们对湖南某地区配电变压器的调研情况来看，配电变压器的防雷保护主要集中在配电变压器的高压侧安装避雷器，从现场情况来看，仍存在一部分配电变压器高压侧采用老式阀型避雷器进行保护，而且高压侧避雷器也缺少相应的运行维护措施，有一部分避雷器出现了老化的情况，根本无法对配电变压器进行有效的保护。n低压电网主要指0.4kV电网，根据对湖南某地区的调研情况显示，这部分电网没有任何的防雷保护措施，而在

49、城乡结合部分低压电网大部分采用架空线路形式，分布范围广，极易受到感应雷过电压的影响，而且配电变压器的低压侧绝大部分都没有安装低压避雷器进行保护。.n在配电变压器低压侧加装金属氧化物避雷器。这种保护方式的接线为:变压器高、低避雷器的接地线、低压侧中性点及变压器金属外壳四点连接在一起接地(或称四点共一体)。运行经验和试验研究表明,对绝缘良好的配电变压器,仅在高压侧装设避雷器时,仍有发生由于正、逆变换过电压造成的雷害事故。n这是因为高压侧装设的避雷器对于正变换或逆变换过电压都是无能为力的。正、逆变换过电压作用下的层间梯度,与变压器的匝数成正比,与绕组的分布有关,绕组的首端、中部和末端均有可能破坏,但

50、以末端较危险。低压侧加装避雷器可以将正、逆变换过电压限制在一定范围之内。而且，无论发生正变换或逆变换过程，都能保护高压绕组。由上可知，限制低压绕组两端的过电压值，不仅能保护低压绕组，而且无论发生正变换或反变换过程，都能保护高压绕组。n而且绝大部分配电变压器低压侧没有任何防雷保护措施，在雷电活动频繁的时间段，很有可能引起雷电过电压造成的配电变压器损坏事故。因此，对配电变压器的高低压侧采取完备的防雷保护措施是非常有必要的。.nDL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合推荐“配电变压器的高压侧一般应采用避雷器保护，避雷器的接地线和变压器低压侧的中性点以及变压器的金属外壳三点应连接在一

51、起接地。”简称“三点共地”。n但是在实际的运行中，对“三点共地”的操作出现了一些误区，在很多地区发现将“三点共地”理解为避雷器、变压器低压侧中性点与变压器外壳接地分别入地后再共点接地，如图6-9所示。.图6-9 不正确的变压器接地方式.n上述接地方法对规程中规定的理解存在误区，实际上，应该按照图6-10方法才识正确的接法，如果按照图6-9中的接线方法，当雷击变压器高压侧时，变压器高压侧进线端电压为避雷器动作后的残压、接地引下线上的电压与电流流过接地电阻形成的电压，即：n （6-8）n配电变压器低压侧中性点电压为n （6-9）n两者之间的电位差为n （6-10）n极易造成中性点绝缘击穿。1diu

52、uLiRdt残2uiR21diuuuLdt残.n极易造成中性点绝缘击穿。n采用图6-10的接法时，压器高压侧进线端电压为避雷器动作后的残压、接地引下线上的电压与电流流过接地电阻形成的电压，即：n n （6-11）n则变压器中性点与变压器外壳上的电压相等，为接地引下线上的电压与电流流过接地电阻形成的电压，即，n （6-12）n则变压器高压侧进线端电压与变压器外壳和变压器中性点的电位差为n （6-13）n 避雷器动作后的残压是一个很低的电压，不会对配电变压器的绝缘造成伤害。1d iuuLiRd t残d iuuLiRd t壳中1uuu壳残.图6.-10 配电变压器“三点共地”示意图.n2、柱上开关的

53、防雷保护n随着配电网的发展，为了电网运行方面的需要，线路分段开关和联络开关大量投运，这对保证电网运行方式的灵活性，提高供电的可靠性起了很大的作用，但是由于对柱上开关等设备的防雷保护措施不足，从运行记录中可以看出，当发生雷击故障时，经常有柱上开关、刀闸、避雷器等设备在雷电活动时损坏。n随着线路分段开关和联络开关大量投运，特别是联络开关一般处于断开状态，当断路器一侧线路遭受雷击，雷电波沿线路传播，到开关或刀闸开断处，将发生雷电波的全反射。雷电波在开断的断路器处由于全反射作用幅值形成2倍的过电压，该电压会危及开关或刀闸的绝缘，会使开关内部或外部绝缘发生击穿或闪络。可能造成开关损坏，因此，开关两侧都必

54、须安装避雷器。.n3、环网柜、电缆分支箱的防雷保护问题n电缆分支箱是配电线路中，电缆与电缆，电缆与其它电器设备连接的中间部件，其连接组合方式简单方便，灵活，具有全绝缘、全封闭、防腐蚀、免维护、安全可靠等性能，广泛用于商业中心、工业园区、城市住宅小区及大量的城市电网改造工程。正是由于它具有上述优点，电缆分支箱在配电线路中的使用也越来越广泛，长沙地区电缆分支箱为123台，衡阳地区为205台。n环网柜是一组高压开关设备装在钢板金属柜体内或做成拼装间隔式环网供电单元的电气设备，其核心部分采用负荷开关和熔断器，具有结构简单、体积小、价格低、可提高供电参数和性能以及供电安全等优点。它被广泛使用于城市住宅小

55、区、高层建筑、大型公共建筑、工厂企业等负荷中心的配电站以及箱式变电站中。在长沙地区环网柜为2373台 。n虽然环网柜、电缆分支箱得到了大范围的应用，但是却没有采用任何防雷措施对其进行保护。见图见图6-11 .图图6-11石鼓书院石鼓书院#1环网柜环网柜.n 通过上图可以看出，环网柜与电缆分支箱没有进行防雷设施的配置。当雷电过电压作用于架空线路，雷电波随架空线路侵入电缆线路，而环网柜与电缆分支箱中的电缆头则是电缆线路中的绝缘薄弱点，极易造成击穿，由于电缆头的绝缘击穿为永久性故障，绝缘不能自恢复，因此，环网柜与电缆分支箱的防雷保护对提高配电线路的供电可靠性是很有意义的。n6.3.5、某电场雷击事故

56、分析n 在风力发电场场区，由于气象和地势的原因，无论是平原地区的简单地形还是山区的复杂地形，大多都是雷暴日较高的地区，再加上风电机组高大的塔架，风电机组及其电气设备很容易造到雷击，因此风电场的防雷问题是一个特别值得关注的问题。2007年4月14日至4月20日凌晨，某风电场先后发生三次雷击损坏“箱变设备”的事故，造成了巨大损失。我国风能资源储量十分丰富，近十年来风力发电事业发展非常迅猛；风力发电场由于所处位置、自身设备的特点等原因，雷害事故日益严重，对其防雷接地问题的研究将具有重要意义。.n1、某电场雷害事故概况n某风电场于2007年4月14日12时发生了第一次雷害事故。10kv3#汇流线断路器

57、跳闸，经检查，其中的7#，8#，9#，11#等4组“箱变”被雷击损坏（见图6-12）（该四台箱变高压侧连在同一条汇流线上）。但是，因有关风电机组的保护正常动作，风电机组没有损坏。3#线上10#箱变也完好。n当日晚上有发生了第二次雷害事故。风电场10kV2#汇流线断路器因雷击跳闸。5#箱变被雷击损坏，其它设备无异常现象。n2007年4月20日02时，该风电场又发生了第三次雷害事故。风电场10kv6#汇流线断路器因雷击跳闸（6#线，共连接6台风电机和箱变），经检查，其中的18#箱变被雷击损坏，其它设备无异常现象。.图612 风电场被雷打坏的8号箱变（用彩色）（用彩色）.n防雷措施方面的缺陷n由于风

58、电场风机一般都很高，本站达55米，因而极易遭受雷击。风机发电机组与箱变是通过埋入地下的电缆相连，距离只有15米。当风电机组遭受雷击时，入地的雷电流将耦合至地下电缆，在电缆中产生雷电过电压，传至箱变低压侧。但由于此段电缆线路均没有避雷器保护，过电压不能被抑制。一旦遭受雷击，箱变低压侧设备极易被打坏。n接地电阻过高n机组厂家（西班牙GEMISA）要求R10；按我国的防雷接地规范要求，10 kV变电所其工频接地电阻值R4（要考虑最干燥条件下接地电阻达标）。事故后，先后三次（分别是三个单位）对风电机组的接地网接地电阻值进行了实际测量，发现接地电阻普遍偏高，9#、10#风机约9左右，而8#风机高达91。

59、 .n 风电机组设备接地电阻偏高，尤其是冲击接地电阻偏高，当雷电流入地时，会使地电位异常升高，使过电压耦合至地下电缆，在线路中形成雷电过电压。8#风机接地装置接地电阻高达91，而8#箱变因雷击造成的损坏也最严重，箱体三面油漆烧焦，油箱严重变形，高、低压侧均被损坏；11#箱变损坏最轻，10#箱变则完好。这些都说明风机接地装置的接地电阻对于风电场防雷方面有重要意义。n3内外过电压的作用n、雷电过电压通过“正变换”进入箱变高压侧n当雷击某一台风机时，而风机接地装置的接地电阻超标，雷电流入地将导致地电位异常升高。通过各种方式，过电压将耦合至地下电缆，进入箱变低压侧。由于箱变低压侧都没有装线路避雷器，雷

60、电流无法泄流，可能直接损坏低压侧设备。n箱变电气接线如图6-13所示，雷电过电压回通过电磁感应、电容耦合的方式使过电压进而使过电压进入箱变高压侧，损坏高压侧设备。.发 电 机6 9 0 v 电 缆1 0 k v 电 缆1 0 k v 电 缆至 另 一 台 箱 变至 另 一 台 箱 变箱 变 电 气 接 线 图至 地 面 控 制 箱图6-13箱变电气结构图.n变压器低压侧绕组电压将会通过变压器的电磁耦合感应到10kV高 压侧，则高压侧的最大电磁感应过电压为n （6-14）n式中，n 为感应到变压器高压侧的雷电过电压，kV；n 变压器的变压比；nZ1变压器低压侧线路的波阻，；nZ2变压器高压侧线路