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架空配配网是目前电电力系统的主主要配网，其其覆盖面积达达到有人居住住的各个角落落。由于其特特殊的、较低低耐压水平的的绝缘结构，每每次在线路或或线路的杆塔塔遭到雷电侵侵害时，必定定有设备遭到到破坏，（包包括用户端和和变电站）。根据现在的雷电电定位系统的的统计，广东东地区由雷云云向下击向地地面的平均雷雷电流幅值为为50-700kA，最大纪录录到150kAA(05年广东省电电力系统雷电电定位系统统统计记录)。而我们线线路塔的接地地电阻一般为为4欧；在雷击击到塔时，塔塔顶的瞬时电电位可以达到到200kVV-300kkV。如此高的的电位，我们们10kV线路的绝缘缘子20-300cm的绝缘爬距距根本无法耐耐受，无论是是雷击导线还还是塔顶落雷雷，在塔上形形成3相短路是必必然的；而且且我们还要求求线路的绝缘缘水平要低于于变电站，线线路跳闸就会会经常出现。为了减轻雷害，我我们在线路上上采取了很多多措施，但效效果仍不够理理想，有些用用于高压线路路的措施放在在低压线路上上效果会适得得其反。比如如，采用招弧弧角，虽然可可以将电弧引引离绝缘子表表面，实际上上由于高频电电流的作用，雷雷电流一般会会离开绝缘子子表面，在空空中形成空间间电弧；但这这种电弧短路路，会将反击击塔顶电位传传递到通流导导线上，造成成用户变压器器和变电站同同时进波，危危害会更大；；使用低压的的线路避雷器器，虽然线路路上没有电弧弧，但反击进进波幅值只会会比塔顶电位位低30kV。而我们正正在使用的普普通避雷针和和线路架空避避雷线实际上上是没有明确确的保护面积积和保护角的的，广泛的使使用并不会避避免雷害的发发生。安装避避雷线后，可可以降低直击击雷和部分反反击概率，对对大于20kA以上电流造造成的反击事事故仍然无法法避免。要基基本上消除雷雷电直击和绕绕击、反击的的破坏，必须须将可能形成成的雷电有效效地引入大地地。自从工业用的避避雷针发明以以来，是减少少了雷害事故故，但始终不不能从根本上上解决雷害问问题，这实际际上是我们的的认识上出现现了偏差。问题原因和结论论我们以往对雷电电的研究大多多都集中在雷雷电发生的最最后数十微秒秒内，对电流流波形，对电电压进波给电电器设备造成成的危害和防防护研究的比比较多。对雷雷电放电发生生前数十秒甚甚至数百秒内内雷云对地面面的影响和作作用及保护设设施的反应情情况研究的不不多，认识问问题的偏差出出在此环节上上。而这一段段时间是我们们的第一道防防护，也是最最主要的防护护。雷云电场是一个个准直流电场场，其建立是是一个比较缓缓慢的过程；；在雷云移动动逼近地面上上的保护设施施时，空间电电场由弱变强强，如果接地地的保护设施施带有可以严严重畸变电场场的尖端，在在周围平均电电场很弱的时时候，尖端就就开始了电晕晕放电。由于于是直流电场场作用，被电电离的空气分分子在电场的的作用下迁移移扩散；与雷雷云极性相同同的电荷被吸吸进到尖端内内入地，反极极性的电荷沿沿电场线向空空间扩散。远远离尖端后，电电场减弱，扩扩散速度下降降，在经过一一段时间电晕晕放电后，反反极性的电荷荷会在尖端前前形成一个反反极性电荷层层。达到一定定浓度和厚度度后，它将会会严重的影响响电场分布。它它将增强电荷荷层与雷云之之间的电场，并并减弱电极尖尖端到电荷层层边缘的电场场强度，影响响到雷电放电电的发展路径径。目前各种保护失失败的原因和和结论就是：：由尖端电极极放电产生的的空间反极性性电荷将影响响空间电场强强度；空间电电场强度决定定了放电发展展的路径。这一点与雷电击击打较高处的的物体的普遍遍认识不矛盾盾，只是在这这个较高处的的物体自身在在电场中的表表现不像我们们所期待的，而而是出现了变变异，我们没没有察觉而已已。由于条件件的约束，我我们无法看到到电场的变化化和带电空间间电荷的对外外表现，只能能通过数学推推导和其他方方面的验证，这这也就是百年年来防雷理论论没有根本性性进展的外部部原因。空间反极性电荷荷对电场的影影响由电磁场基本教教科书都可以以查到电场的的基本公式▽2Ø=-ρ/ε我们用架空地线线和避雷针做做例说明：我们架空地线的的直径只有9mm。如果没有有空间电荷，电电场的分布式式按下规律分分布的。E=λ/(2ππεr)相对地线外1米米处的场强，地地线表面的场场强要高200倍。再加上上由地面升旗旗的高度，地地线表面的场场强要高出较较远处的平均均场强约5000倍。如果我们把避雷雷针等效看成成一个直径2cm的、悬挂在在空中的接地地球。不考虑虑空间电荷时时，电场强度度公式为E=Q/((4πεr2)仅相对距球外11米处的场强强，针顶部表表面的场强要要高10000倍。根据统计，在平平均空间电场场达到1000VV/M时，就会发发生雷电放电电，而实际上上，在平均场场强远小于此此数值时，地地线表面和避避雷针顶部的的场强就超过过了大气空气气的电离场强强300000V/CM。如果雨前前的气压再降降低，大气的的空气电离放放电强度还要要降低。所以以说这类防雷雷保护设备在在雷云建立时时都会持续发发生电晕现象象，与雷云极极性相同的电电荷被吸进到到尖端内入地地，反极性的的电荷沿电场场线向空间扩扩散。这些扩扩散的空间电电荷会大大地地降低电极附附近的电场强强度，使得电电极的电晕放放电减少；如如果外电场不不再增加且扩扩散速度降低低，最终电极极的电晕会停停止，空间会会维持一个较较为稳定的反反极性电荷层层。空间电荷荷加强了电荷荷前到高压电电极之间的电电场强度，带带有诱发放电电的作用；只只要没有地面面风场或风场场较弱，反极极性空间电荷荷就一定会在在低压电极侧侧形成一个既既引诱放电，同同时又阻挡雷雷电放电向保保护电极发展展的电荷层。电荷的扩散是沿沿着电场线进进行的，电场场强度为0的方向上，扩扩散将会停止止，空间电荷荷将会在该处处堆积，所以以短时间不会会扩散到很远远，只会在低低压电极的前前方形成反极极性电荷层。这这也就是说，这这种带电气体体分子的扩散散只能时热运运动扩散，是是在有限空间间范围内进行行的；只要有有一定的时间间，在这种空空间电荷层中中必然会出现现电场强度很很低的区域，这这个区域内扩扩散会很慢。从从另一角度来来说，通过这这种电晕放电电来中和雷云云电荷是不可可能的，雷电电是不可能在在地面上通过过大量的电晕晕排放电荷来来消除的。在雷电放电发展展最后过程中中，被吸引到到反极性电荷荷层前的放电电流柱，无法法在反极性电电荷层造成的的低场强方向向上发展，必必然会寻找其其他电场强度度更强的路径径发展。我们们经常看见放放电出现拐弯弯和分叉的现现象就是这个个原因；这也也就是经常提提到的绕击现现象。电力系系统大量使用用架空地线做做为防雷保护护，但仍出现现了很多保护护失败的现象象就是上所述述的原因稳定防护雷害的的条件一个有效的防雷雷保护设备必必须是在各种种气象条件下下都不会产生生大量电晕，并并不会产生足足以影响空间间电场和放电电发展的、有有一定厚度的的反极性电荷荷层；这就是是说，保护设设备上方的电电场强度，相相对周围是最最高的，这种种设备才会有有稳定的保护护范围和保护护率。稳定的配网防雷雷保护方法是是在被保护线线路的经常遭遭雷击的区域域建立一个雷雷电泄放通道道，即架设独独立的引雷塔塔，将放电引引导到指定的的路径上，避避免线路遭雷雷击。如果引引雷塔上的设设备能够形成成上行雷，可可以更好和形形成更大的保保护范围。实施方案：对于跨山腰的线线路，如果山山不太高大，可可以在山顶上上设置一个高高于周围树木木的引雷塔，只只要计算一下下被保护线路路是否在70°的保护角内内，这样可以以形成很大的的保护范围；；对于跨山顶的线线路，可以在在线路边5-10米处设置一一个引雷塔，高高度比线路的的最高点高出出3-5米。对于平原地区，可可以选择高落落雷区的最高高点安装一个个引雷点，接接地引线独立立引下，避开开电源和通讯讯线路引线，设设置独立的接接地体，并在在周围和塔上上设置警示牌牌。非人口稠密区引引雷塔的接地地电阻控制在在50欧以下，其其他地区控制制在10欧以下即可可。引雷塔接接地体出线方方向应该避免免向线路塔的的方向伸出和和与塔的接地地接触。由于这些引雷塔塔大部分在野野外和山区，且且放电频繁，为为避免人畜靠靠近塔身而造造成跨步电压压伤害，在塔塔身附近应设设有警示保护护区域，保护护区的大小有有下计算：假设将接地极等等效看成一个个半径为r0的半球体，临临近的土壤电电阻率为ρ，半球体到到无穷远的电电阻为R=ρ/(2лr0)。这个电阻阻也就是我们们测量所得的的接地电阻。如果塔身流过的的总电流为I，并均匀发发散，则塔身身周围的电位位分布为：Vx=I*ρ/（2лx2）由于塔身附近的的电位差最大大，我们计算算由x到x+0.77m处电位差U=I*RR*r0(11/x-1//(x+0..7))。如果我们们假设塔身流流过的平均电电流为10kA，接地电阻阻为10欧，取等效效接地体的半半径为0.3米，计算=2米处的跨步步电压：U2==3.9kkV。按带电作作业人体最大大容许通过电电流（非通过过心脏）20mA计算（高空空作业标准，地地面可以放宽宽一些），人人体电阻可以以到190k；人体的电电阻一般为300k—500k。2米以外的跨跨步电压对人人体是基本安安全的。如果果接地电阻R达到50欧，3米左右的围围栏就可以满满足要求。如如果雷电流幅幅值不能控制制在10kA以下，则保保护栏就要到到5-7米以上才能能保证基本安安全，所以引引雷设备应选选择可以形成成上行雷电流流的场变放电电器。这种保护的计算算可以用到建建筑物上方安安装引雷针的的接地体上，如如果地表面有有整块的水泥泥板，由于水水泥板的电阻阻较高，保护护栏的尺寸还还可以更小。实际上，我们的的接地电极并并不是一个球球体，通常我我们会用网状状或线状的接接地棒、带构构成，在这个个网、带构成成的接地体上上面的土壤中中并没有很大大的电流。比比如我们接设设接地带的长长度为5米，接地电电流为10kA，按照标准准的雷电流波波形计算，其其电流波头的的电流变化率率只有2kA/uuS；接地导线线的电感按1uH/m计算，塔伸伸到接地体末末端5米的距离上上的电位差只只有10kV；每米不到2kV，所以地表表面几乎没有有电流。在接接地体区域外外的地方仍然然可按集中接接地体的电流流发散计算。对对于这种网、带带式的接地体体，只要使保保护栏做到使使栏边的人伸伸臂无法触及及塔身即可保保证人身安全全。接地电阻接地地方式措施参数4欧姆10欧姆等效半球接地保护栏范围（半半径）1.5m2m边界跨步电压小于4KV约为4KV工字型接地（边边长10m）保护栏范围1m1m边界跨步电压小于1KV小于1KV网状结构接地（等等效6m*6m）保护栏范围1m1m边界跨步电压小于1KV小于1KV备注：本表参数数均以场变放放电器作为雷雷电接闪器的的独立引雷塔塔参数计算。对于目前还有一一定数量的35kV配网的防雷雷问题，除了了可以使用独独立的引雷塔塔方案外，还还可以选择在在线路塔上安安装带有形成成上行雷功能能的场变放电电器保护的方方案，这里要要指出的是必必须要形成上上行雷电流。如果我们不考虑虑线路杆塔的的电感，只考考虑接地电阻阻；在接地电电阻小于4欧的条件下下，上行雷10kA的电流幅值值引起的塔头头电位只有40kV，35kV线路40cm以上的空间间距离完全可可以耐受，不不会造成闪络络接地。即使使是接地电阻阻达到20欧，绝缘水水平仍然有余余度。但如果果不能形成上上行雷，而将将100kA以上的强大大下行雷引到到线路塔上，在在塔头上形成成400—600kV的冲击电压压电位，即使使是110kV线路也不能能承受，会出出现反击跳闸闸现象；如果果接地电阻大大到20欧，500kV线路都会耐耐受不住产生生反击接地跳跳闸。对于接地电阻控控制在4欧以下的10kV线路杆塔，采采用安装带有有形成上行雷雷功能的场变变放电器保护护的方案也可可以达到保护护的作用（在在无条件架设设独立引雷塔塔情况下使用用本方法）。因因为一片绝缘缘子的工频湿湿闪电压约为为40kV，雷电闪络络电压还要高高于这个数值值。图一安装方案：图一均压环组装前组装中锁紧螺栓组装后1、FCP系列列场变放电避避雷针组装非非常简单，只只要有1平方米的地地方即可操作作。均压环组装前组装中锁紧螺栓组装后2、避雷针与支支撑杆之间的的衔接是用所所配的4颗M12螺栓固定（如如右图）试点安装报价场变放电器本体体单价为：元，施工和和安装费用以以及升高塔身身的塔架、螺螺栓等不含在在内，需另做做预算。场变放电器技术术答疑雷云电场的特点点是什么?雷云是指带有正正极性或负极极性电荷的云云团。其特性性是云团随着着气流在移动动，其上所带带的电荷也随随云团移动，由由云团积聚的的电荷对地面面产生一个电电场；云团距距地面高度变变化时电场强强度会发生变变化；地面任任一特定物体体上方的电场场强度也会随随着云团的移移动而产生变变化，这个地地面电场大小小是由云团电电场和空间电电荷共同决定定的。也就是是说地面物体体上方的空间间电荷会畸变变其上方的电电场。电场决决定放电时电电流发展的方方向，所以，空空间电荷决定定了雷电放电电的路径。电晕放电的特点点？空间电荷荷的运动？一个带有尖端的的物体处于电电场中，由于于尖端造成了了其前方电场场的极度不均均匀，当这个个电场达到30kV//cm（标准1个大气压下下）时，空气气就会被电离离；与雷云电电荷极性相反反的反极性电电荷被推向空空中，同极性性电荷则被吸吸收进物体入入地或抬高物物体在该电场场中的相对电电位。这种放放电的自然目目的是降低尖尖端前方的电电场强度，即即降低电场储储能。这是符符合自然界中中最低能量原原理。在尖端端前方电场降降到30kV//cm以下时，电电离放电停止止。被排到空空中的反极性性电荷在雷云云电场的吸引引下向雷云方方向运动，形形成了电荷的的扩散过程；；反极性电荷荷扩散后，尖尖端前方电场场上升，又发发生电离放电电。这种放电电就称为电晕晕放电。空间电荷的扩散散是一种气体体分子的热运运动过程，扩扩散速度较慢慢，在远离尖尖端后，由于于电场强度下下降，扩散速速度也会降低低。在直流电电场中，如果果电晕放电持持续一段时间间，就会在物物体上方的空空间形成一个个较厚的反向向电荷层。这这个电荷层会会加强电荷层层与雷云之间间的电场强度度而降低尖端端物体上方的的电场强度，同同时也影响雷雷云放电时的的发展路径。为什么场变放电电器放电会引引发上行雷，而而普通避雷针针只是电晕放放电？普通弗兰克林避避雷针就是一一个带有尖端端的接地物体体。在雷云逐逐渐靠近的过过程中，会产产生电晕放出出大量的反极极性空间电荷荷，影响雷云云放电时的发发展路径。这这也就是普通通避雷针保护护角小，绕击击率高的主要要原因。所有的用于避雷雷的装置如果果带有放电的的尖端，在雷雷云电场中必必然会出现预预先电晕放电电，产生大量量的反极性空空间电荷，出出现雷电绕击击率高和保护护角不稳定是是必然的。国国外有些产品品宣传可以达达到很好的保保护效果，从从其产品的图图形上看，有有极为尖锐的的放电尖端，在在雷云电场中中出现电晕，产产生大量的反反极性空间电电荷是必然的的，出现绕击击率高也是必必然的，不可可能表现出宣宣传中所表述述的效果。场变放电器由于于结构设计保