电力系统架空配电网的防雷害方案及原理说明

电力系统架空配电网的防雷害方案及原理说明10kV架空配网是目前电力系统的主要配网，其覆盖面积达到有人居住的各个角落。由于其特殊的、较低耐压水平的绝缘结构，每次在线路或线路的杆塔遭到雷电侵害时，必定有设备遭到破坏，（包括用户端和变电站）。根据现在的雷电定位系统的统计，广东地区由雷云向下击向地面的平均雷电流幅值为50-70kA，最大纪录到150kA(05年广东省电力系统雷电定位系统统计记录)。而我们线路塔的接地电阻一般为4欧；在雷击到塔时，塔顶的瞬时电位可以达到200kV-300kV。如此高的电位，我们10kV线路的绝缘子20-30cm的绝缘爬距根本无法耐受，无论是雷击导线还是塔顶落雷，在塔上形成3相短路是必然的；而且我们还要求线路的绝缘水平要低于变电站，线路跳闸就会经常出现。为了减轻雷害，我们在线路上采取了很多措施，但效果仍不够理想，有些用于高压线路的措施放在低压线路上效果会适得其反。比如，采用招弧角，虽然可以将电弧引离绝缘子表面，实际上由于高频电流的作用，雷电流一般会离开绝缘子表面，在空中形成空间电弧；但这种电弧短路，会将反击塔顶电位传递到通流导线上，造成用户变压器和变电站同时进波，危害会更大；使用低压的线路避雷器，虽然线路上没有电弧，但反击进波幅值只会比塔顶电位低30kV。而我们正在使用的普通避雷针和线路架空避雷线实际上是没有明确的保护面积和保护角的，广泛的使用并不会避免雷害的发生。安装避雷线后，可以降低直击雷和部分反击概率，对大于20kA以上电流造成的反击事故仍然无法避免。要基本上消除雷电直击和绕击、反击的破坏，必须将可能形成的雷电有效地引入大地。自从工业用的避雷针发明以来，是减少了雷害事故，但始终不能从根本上解决雷害问题，这实际上是我们的认识上出现了偏差。问题原因和结论我们以往对雷电的研究大多都集中在雷电发生的最后数十微秒内，对电流波形，对电压进波给电器设备造成的危害和防护研究的比较多。对雷电放电发生前数十秒甚至数百秒内雷云对地面的影响和作用及保护设施的反应情况研究的不多，认识问题的偏差出在此环节上。而这一段时间是我们的第一道防护，也是最主要的防护。雷云电场是一个准直流电场，其建立是一个比较缓慢的过程；在雷云移动逼近地面上的保护设施时，空间电场由弱变强，如果接地的保护设施带有可以严重畸变电场的尖端，在周围平均电场很弱的时候，尖端就开始了电晕放电。由于是直流电场作用，被电离的空气分子在电场的作用下迁移扩散；与雷云极性相同的电荷被吸进到尖端内入地，反极性的电荷沿电场线向空间扩散。远离尖端后，电场减弱，扩散速度下降，在经过一段时间电晕放电后，反极性的电荷会在尖端前形成一个反极性电荷层。达到一定浓度和厚度后，它将会严重的影响电场分布。它将增强电荷层与雷云之间的电场，并减弱电极尖端到电荷层边缘的电场强度，影响到雷电放电的发展路径。目前各种保护失败的原因和结论就是：由尖端电极放电产生的空间反极性电荷将影响空间电场强度；空间电场强度决定了放电发展的路径。这一点与雷电击打较高处的物体的普遍认识不矛盾，只是在这个较高处的物体自身在电场中的表现不像我们所期待的，而是出现了变异，我们没有察觉而已。由于条件的约束，我们无法看到电场的变化和带电空间电荷的对外表现，只能通过数学推导和其他方面的验证，这也就是百年来防雷理论没有根本性进展的外部原因。空间反极性电荷对电场的影响由电磁场基本教科书都可以查到电场的基本公式▽2Ø=-ρ/ε我们用架空地线和避雷针做例说明：我们架空地线的直径只有9mm。如果没有空间电荷，电场的分布式按下规律分布的。E=λ/(2πεr)相对地线外1米处的场强，地线表面的场强要高200倍。再加上由地面升旗的高度，地线表面的场强要高出较远处的平均场强约5000倍。如果我们把避雷针等效看成一个直径2cm的、悬挂在空中的接地球。不考虑空间电荷时，电场强度公式为E=Q/(4πεr2)仅相对距球外1米处的场强，针顶部表面的场强要高10000倍。击根据统计，在修平均空间电场迅达击到筐1000V/镜M污时，就会发生觉雷电放电，而就实际上，在平群均场强远小于凝此数值时，地塘线表面和避雷丝针顶部的场强轮就超过了大气波空气的电离场异强柱30000V绿/C事M纷。如果雨前的链气压再降低，铜大气的空气电爽离放电强度还患要降低。所以终说这类防雷保百护设备在雷云挨建立时都会持纹续发生电晕现屠象，硬与雷云极性相剩同的电荷被吸寿进到尖端内入虏地，反极性的仆电荷沿电场线词向空间扩散。州这些扩散的空终间电荷会大大桂地降低电极附迹近的电场强度秒，使得电极的佩电晕放电减少匀；如果外电场渠不再增加且扩跑散速度降低，织最终电极的电浑晕会停止，空魂间会维持一个丛较为稳定的反买极性电荷层。肉空间电荷加强睁了电荷前到高脆压电极之间的渐电场强度，带青有诱发放电的译作帖用；只要没有推地面风场或风爱场较弱，反极烤性空间电荷就取一定会在低压鸦电极侧形成一络个既引诱放电础，同时又阻挡赶雷电放电向保匙护电极发展的沸电荷层。穿电荷的扩散是撕沿着电场线进黑行的，电场强转度垦为兼0妈的方向上，扩弯散将会停止，垂空间电荷将会顶在该处堆积，恩所以短时间不场会扩散到很远贡，只会在低压箱电极的前方形辟成反极性电荷芳层。这也就是俩说，这种带电赚气体分子的扩蕉散只能时热运期动扩散，是在丽有限空间范围圾内进行的；只谜要有一定的时则间，在这种空未间电荷层中必吨然会出现电场屯强度很低的区务域，这个区域船内扩散会很慢汇。从另一角度做来说，通过这亮种电晕放电来触中和雷云电荷底是不可能的，榨雷电是不可能街在地面上通过津大量的电晕排僻放电荷来消除秀的。庙在雷电放电发暮展最后过程中塔，被吸引到反产极性电荷层前踏的放电流柱，蔽无法在反极性纳电荷层造成的轻低场强方向上茎发展，必然会台寻找其他电场船强度更强的路墨径发展。我们翠经常看见放电心出现拐弯和分腔叉的现象就是扣这个原因；这证也就是经常提喷到的绕击现象链。电力系统大秃量使用架空地寄线做为防雷保券护，但仍出现湖了很多保护失疫败的现象就是蜓上所述的原因进稳定防护雷害族的条件近一个有效的防落雷保护设备必丈须是在各种气蝇象条件下都不后会产生大量电饥晕，并不会产餐生足以影响空渔间电场和放电闻发展的、有一矛定厚度的利反极性电荷层毒；这就是说，真保护设备上方稀的电场强度，斩相对周围是最做高的，这种设爽备才会有稳定贫的保护范围和滤保护率。泥稳定的配网防嫌雷保护方法是公在被保护线路弓的经常遭雷击万的区域建立一酿个雷电泄放通谋道，即架设独倡立的引雷塔，索将放电引导到巨指定的路径上重，避免线路遭锦雷击。如果引抄雷塔上的设备洪能够形成上行蚁雷，可以更好勇和形成更大的孤保护范围。实施方案：夸对于跨山腰的绳线路，如果山估不太高大，可雅以在山顶上设筛置一个高于周松围树木的引雷盘塔，只要计算税一下被保护线霸路是否皆在帝70咏°足的保护角内，畏这样可以形成炉很大的保护范致围；敢对于跨山顶的那线路，可以在稳线路猎边亭5奸-1侵0傍米颤处设置一个引辜雷塔，高度比携线路的最高点溉高咳出携3详-涉5纹米协。扮对于平原地区休，可以选择高伐落雷区的最高炎点安装一个引洒雷点，接地引及线独立引下，冈避开电源和通未讯线路引线，飞设置独立的接陈地体，并在周晌围和塔上设置坡警示牌。补非人口稠密区喂引雷塔的接地摩电阻控制睁在制5轻0健欧以下，其他捕地区控制奴在盈1骨0底欧以下即可。睁引雷塔接地体跨出线方向应该椅避免向线路塔镰的方向伸出和呢与塔的接地接景触。抵由于这些引雷注塔大部分在野借外和山区，且邮放电频繁，为奴避免人畜靠近湖塔身而造成跨伤步电压伤害，豪在塔身附近应日设有警示保护俱区域，保护区泽的大小有下计鹰算：行假设将接地极讯等效看成一个馆半径今为英r爽0除的半球体，临堆近的土壤电阻比率为走ρ奸，半球体到无累穷远的电阻炸为木R=剖ρ诚/(2狭л相r0收)绞。这个电阻也桶就是我们测量桑所得的接地电旦阻。相如果塔身流过绵的总电流橡为港I艰，并均匀发散绿，则塔身周围眠的电位分布为淡：乳Vx=I枯*邮ρ兆/群算（酱2瓦л极x占2辜）沟由于塔身附近注的电位差最大梨，我们计算冰由丑x泥到够x+喝0.7m掉处电位练差策U=I*R*感r0(1/x遇-1/(x+啄0.7)棵)隐。如果我们假式设塔身流过的拉平均电流酸为财10k宴A球，接地电阻袖为篮1环0胜欧，取等效接饭地体的半径为禾0.纹3弯米旷，计搅算如=习2慕米备处的跨步电压燥：洲U2=输3.9k库V页。按带电作业放人体最大容许揉通过电流（非遭通过心脏董）坟20m康A谱计算（高空作赠业标准，地面斧可以放宽一些幻），人体电阻站可以犁到便190静k妈；人体的电阻喘一般常为甜300k貌—著500榆k奸。枯2顷米夏以外的跨步电叼压对人体是基剃本安全的。如烘果接地电隆阻迈R充达毅到逢5惭0振欧，错3轻米球左右的围栏就不可以满足要求奏。如果雷电流德幅值不能控制橡在独10k薪A逐以下，则保护帜栏就要灶到退5络-帆7机米做以上才能保证游基本安全，所嘉以引雷设备应稠选择可以形成潜上行雷电流的涂场变放电器。幅这种保护的计嫌算可以用到建芽筑物上方安装被引雷针的接地鼠体上，如果地本表面有整块的诵水泥板，由于府水泥板的电阻蜜较高，保护栏识的尺寸还可以腰更小。笑实际上，我们受的接地电极并稳不是一个球体糊，通常我们会眼用网状或线状爆的接地棒、带恨构成，在这个揭网、带构成的董接地体上面的喉土壤中并没有迷很大的电流。绕比如我们接设笨接地带的长度真为燃5箭米祥，接地电流叶为喝10k响A绩，按照标准的饺雷电流波形计勿算，其电流波隙头的电流变化书率只索有刘2kA/u凡S靠；接地导线的赶电感什按煤1uH/掘m捎计算，塔伸到膀接地体末端雕5蝴米援的距离上的电忽位差只秀有住10k死V革；每米不碍到鸣2k狱V温，所以地表面筝几乎稼没有电流。在杯接地体区域外志的地方仍然可麦按集中接地体氧的电流发散计杠算。对于这种衬网、带式的接语地体，只要使咏保护栏做到使键栏边的人伸臂率无法触及塔身印即可保证人身别安全。艇接地电效阻芹掉接地方式懂措施参数念4炒欧姆桃1屋0桌欧姆道等效半球接地小保护栏范围（食半径）暴1.5m拔2m至边界跨步电压揭小兵于爪4KV枪约懂为饼4KV山工字型接地（扫边长浸10m贫）疾保护栏范围坊1m收1m墓边界跨步电压露小辅于主1KV尺小严于航1KV好网状结构接地卸（等效断6m甚*丝6m俯）锹保护栏范围缠1m恋1m额边界跨步电压才小策于摇1KV方小售于避1KV戴备注：本表参谢数均以场变放态电器作为雷电循接闪器的独立保引雷塔参数计尝算。嚷对于目前还有壤一定数量宁的纷35k栋V棒配网的防雷问欣题，除了可以精使用独立的引傅雷塔方案外，饺还可以选择在甚线路塔上安装足带有形成上行座雷功能的场变横放电器保护的依方案，这里要浴指出的是必须全要铲形成上行雷电语流隙。序如果我们不考鹰虑线路杆塔的李电感，只考虑卸接地电阻；在阅接地电阻小甜于蛙4横欧的条件下，针上行固雷卫10k服A炊的电流幅值引糊起的塔头电位波只白有废40k乖V裙，耍35k内V屿线路逐40cm贤以上的空间距贩离完全可以耐荣受，不会造成虾闪络接地。即污使是接地电阻楚达膜到枣2宜0骤欧，绝缘水平谷仍然有余度。肢但如果不能形膀成上行雷，而想将京100k恨A婶以上的强大下忽行雷引到线路谢塔上，在塔头瞧上形丸成民400战—趣600k巨V校的冲击电压电亡位，即使蔽是失110k演V聚线路也不能承滥受，会出现反祥击跳闸现象；蜡如果接地电阻印大锯到闯2盼0安欧敞，来500k佳V芝线路都会耐受摊不住产生反击转接地跳闸。境对于接地电阻娘控制缴在刻4哭欧以下碍的询10k庭V揪线路杆塔，采耀用安装带有形肌成上行雷功能歌的场变放电器僚保护的方案也锈可以达到保护慌的作用（在无该条件架设独立隐引雷塔情况下汁使用本方法）适。因为一片绝娃缘子的工频湿刻闪电压约则为瞧40k婆V闻，雷电闪络电蜘压还要高于这狼个数值。图一安装方案：图一均压环组装前组装中锁紧螺栓组装后射1拐、突FC沫P雹系列场变放电晓避雷针组装非刑常简单，只要跟有剩1堪平方米的地方朋均压环组装前组装中锁紧螺栓组装后秒2哄、喊避雷针与支撑暖杆之间的衔接尖是用所配房的慢4何颗灿M1截2怕螺栓固定（如夕右图察）治试点安装报价殖场变放电器本丸体单价为连：纸斑执元，施工和安拖装费用以及升趁高塔身的塔架禁、螺栓等不含昨在内，需另做砍预算。稼场变放电器技桶术答疑菜雷云电场的特刻点是什仿么款?村喘雷云是指带有拌正极性或负极篮性电荷的云团钩。其特性是云隶团随着气流在脊移动，其上所抄带的电荷也随稠云团移动，由锁云团积聚的电侵荷对地面产生劳一个电场；云乏团距地面高度夹变化时电场强抄度会发生变化孝；地面任一特馋定物体上方的年电场强度也会乔随着云团的移天动而产生变化界，这个地面电怕场大小是由云堤团电场和空间五电荷共同决定历的。也就是说鹅地面物体上方箩的空间电荷会音畸变其上方的伯电场。电场决领定放电时电流金发展的方向，盆所以，空间电臣荷决定了雷电哪放电的路径。砖电晕放电的特待点？空间电荷弦的运动？值一个带有尖端命的物体处于电水场中，由于尖描端造成了其前键方电场的极度预不均匀，当这编个电场达醋到谋30kV/c匹m硬（标赔准奔1谋个大气压下）趴时，空气就会率被电离；与雷捧云电荷极性相梦反的反极性电疫荷被推向空中六，同极性电荷决则被吸收进物潜体入地或抬高辅物体在该电场文中的相对电位者。这种放电的待自然目的是降筹低尖端前方的父电场强度，即裤降低电场储能挽。这是符合自丈然界中最低能滚量原理。在尖珍端前方电场降娃到关30kV/c撕m寨以下时，电离短放电停止。被宣排到空中的反箱极性电荷在雷钓云电场的吸引遮下向雷云方向凤运动，形成了眨电荷的扩散过挡程；反极性电园荷扩散后，尖最端前方电场上研升，又发生电淋离放电。这种四放电就称为电冒晕放电。默空间电荷的扩召散是一种气体饿分子的热运动远过程，扩散速组度较慢，在远战离尖端后，由戏于电场强度下朴降，扩散速度絮也会降低。在赴直流电场中，奉如果电晕放电寇持续一段时间兄，就会在物体搁上方的空间形昏成一个较厚的赚反向电荷层。宋这个电荷层会挨加强电荷层与副雷云之间的电围场强度而降低漠尖端物体上方柏的电场强度，恩同时也影响雷赢云放电时的发堵展路径。射为什么场变放进电器放电会引孙发上行雷，而腾普通避雷针只腊是电晕放电？估普通弗兰克林净避雷针就是一锡个带有尖端的方接地物体。在壮雷云逐渐靠近葱的过程中，会香产生电晕放出植大量的反极性两空间电荷，影歌响雷云放电时未的发展路径。泉这也肯就是普通避雷坦针保护角小，子绕击率高的主站要原因。唱所有的用于避顷雷的装置如果乘带有放电的尖叛端，在雷云电吵场中必然会出吹现预先电晕放庸电，产生大量荣的反极性空间侄电荷，出现雷冶电绕击率高和谅保护角不稳定和是必然的。国泉外有些产品宣味传可以达到很轧好的保护效果咬，从其产品的拜图形上看，有味极为尖锐的放削电尖端，在雷污云电场中出现聚电晕，产生大游量的反极性空孩间电荷是必然中的，出现绕击求率高也是必然洲的，不可能表好现出宣传中所谈表述的效果。肤场变放电器由锈于结构设计保况证，在雷云逐成渐靠近时，