关于电力配电系统中防雷与接地技术的探讨

2022-09-10

近年来随着电网的改造, 电网的可靠性得到了提高, 但雷电造成电网设备事故, 损失还是比较严重的。因此, 为了减少雷电感应致使电力设备的损坏, 避免直接和间接的重大经济损失, 有必要对供、配电系统的防雷与接地技术进行研究, 并采取有效的防雷措施。

1 配电线路的防雷与接地

与输电线路一样, 配电线路的防雷也可采用避雷线或者避雷器, 对于不同电压等级和不同线路采取的措施也不一样。

1.1 10k V裸导线线路

对于10k V裸导线线路, 可架设避雷线, 但由于成本高, 施工不方便, 除重要的负荷外, 基本上都不采用避雷线;而是在一些雷电活动频繁的线段, 安装避雷器, 同时按照要求做好杆塔的接地, 能有效地降低雷害。相隔多远距离安装一组避雷器和如何选型呢?根据Ubm+2*I*a/v≤U50%得出:

其中:Ubm为避雷器的残压最大值;

50%为线路绝缘子的50%放电电压;

a为雷电波陡度;

I为避雷器的保护距;

v为波速, 取小于光速;

取Ubm=55k V, a=1k V/50us;

I=525m, 这一数据与经验实践数据基本一致。所以对于架空线路, 按一定距离 (每500m至600m) 加装避雷器是一种有效的方法。

1.2 10k V架空绝缘线线路

由于近几年城网改造, 城镇线路不少都换成了交联聚乙烯架空绝缘线, 但其防雷措施与原来的裸导线线路的防雷措施并没有变化, 致使发生了雷击绝缘线断线事故。其原因是配电网雷电过电压闪络, 亦即大气压或高于大气压中大电流放电, 为电弧放电形式。对于架空绝缘电缆线路, 雷电过电压闪络时, 瞬间电弧电流很大但时间很短, 仅在架空绝缘电缆绝缘层上形成击穿孔, 不会烧断导线。但是, 当雷电过电压闪络, 特别是在两相或三相 (不一定是在同一电杆上) 之间闪络而形成金属性短路通道, 引起数千安培工频电流持续0.2S~0.3S, 直至变电站跳闸为止;此时, 由于架空绝缘电缆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而在断路器动作之前烧断导线。对于裸导线, 电弧在电磁力的作用下, 高温弧根沿导线表面滑移, 并在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前引起断路器动作, 切断电弧。因此, 裸导线的断线故障率明显低于架空绝缘电缆。

对于架空绝缘线目前可采取以下防雷措施: (1) 提高线路绝缘子耐压水平, 将10k V绝缘子换为防雷绝缘子, 将大大提高防雷水平。 (2) 在多雷区按照一定档距安装线路避雷器, 减少雷击断线事故。 (3) 延长闪烁路径, 导致电弧容易熄灭, 局部增加绝缘强度, 如在导线与绝缘子相连处加强绝缘, 以及采用长闪烁路径避雷器等。 (4) 局部剥离绝缘层, 使之局部成为裸导线, 从而电弧能在剥离部分滑动, 而不是固定在某一点烧蚀, 但此法会引起水分从剥支绝缘层处侵入, 导致铝导线的腐蚀, 椐外国经验, 腐蚀引起的故障在安装20年左右才出现。

1.3 10k V电缆线路

城区配电网络电缆化改造后, 雷害事故明显减少;同时我们传统观念认为只有对配电变压器提供足够的保护, 也同时对与其相连的电缆提供了保护。但是, 往往在城市线路电缆化后的7~10年, 雷害引起的电缆故障又明显增加。这是由于线路电缆化后落雷机会减少使我们忽视了对电缆的保护。我国目前广泛使用的交联聚乙烯电缆 (XLPE) 在潮湿环境下运行, 根据外国的试验研究报告指出, 在潮湿环境中运行的交联聚乙烯电缆 (XLPE) 是形成水树枝, 由水树枝在电场的作用下变成电树枝, 高幅值的重复冲击电压是加速绝缘劣化并产生电树枝贯穿的主要原因。在电缆化的配网中, 由于变压器与电缆的绝缘结构完全不同, 地埋交联聚乙烯电缆 (XLPE) 因电树枝劣化, 使得它的耐受电压比变压器的电压低很多, 电缆成为配网系统中绝缘最薄弱的部份。采用性能优良的金属氧化锌的避雷器成为延长电缆寿命的有效办法。电力电缆由于其本身结构特点和与其他电气设施连接的要求, 采取在电缆终端头附近安装避雷器, 同时终端头金属屏蔽、铠装必须接地良好。由于单位长度电缆线路的电容比加空线路的电容大30倍, 电缆中的储能将比架空线路大得多, 在避雷器选型中应充分考虑电缆线路的类型、系统的参数和地区落雷密度等因素。

1.4 架空与电缆混合的线路

对于架空与电缆混合的线路 (如图1) , 由于线路结点1、2处的波阻抗不同, 当雷电波入侵时, 行波在电缆段的两结点之间发生多次折反射。结点2的电压多次的折反射后, 有存在波峰叠加的情况, 此时结点2的电压高于入侵电压。

结点:1、2处的折射系数为:

结点:1、2处的反射系数为:

不考虑架空线路2 Z2中的反行波对结点2的影响, 空架线路2 Z2的前行波为结点2上所有折反射波之和, 行波在电缆长度L折反射一次所需的时间τ=2L/v, 结点2的电压为:

u2q电压的幅值取决于Z1、Z2、Zd的相对值, 在Z1、Z2、Zd最不利的组合中, 将出现图A中所示的电压幅值图。此时结点2的电压将大于入侵波的电压幅值, 电缆的绝缘水平必须高于线路的的绝缘水平。为此我们通常在电缆的首末端加装避雷器来限制过电压。由此我们可以得出一结论, 配电线路中若存在不同阻抗的的线路相联, 雷电波入侵时结点处易发生电压突变, 可加装避雷器来限制过电压。

1.5 低压线路

低压线路应从变压器出口处安装低压避雷器, 同时做好接地, 接地装置的接地电阻不应大于4Ω。中性点直接接地的低压电力网中的中性线应在电源点接地。低压配电线路, 在干线和分支线终端处应重复接地, 每年重复接地装置的接地电阻应不大于10Ω, 对于较长的线路, 重复接地应不少于3处。特别是为防止雷电波沿低压配电线路侵入用户, 对于接户线上的绝缘子铁角应接地, 接地电阻应小于30Ω, 这一点对于我们进行的一户一表改造工作尤其应引起重视。

2 配电变压器的防雷

配电网广泛采用△/Y0、Y/Y0变压器, 在10KV雷电波侵入时, 避雷器动作, 在接地电阻上流经大电流时产生压降, 使得中性点电压升高。

其中:U为中性点冲击电压;

i为雷电流;

Rj为接地电阻。

取i=5k A, Rj=4Ω, U=20k V。

在中性点电位的作用下, 低压绕组上流经冲击电流。由于低压三相绕组中流经的电流大小相等、方向相同, 低压绕组中的冲击电流全部成为激磁电流, 产生很高的零序磁通, 使得高压侧感应出很高的电势, 感应电势沿绕组分布, 在中性点的幅值最大, 引起中性点绝缘击穿, 同时由于层间和匝间的电位梯度相应增大, 引起高压绕组层间和匝间击穿。既然是中性点电压是由接地电阻引起的, 可采用高压侧避雷器的接地与中性点接地分开, 采用单独的接地线和接地网 (两接地网之间的距离超过在5米) , 利用大地对雷电波的衰减作用, 基本可以削除中性点电压升高引起的绝缘击穿 (如图2所示) 。

当雷电波从低压侧入侵时, 低压绕组中有冲击电流通过, 在高压绕组上产生感应电动势, 使得高压侧的中性点的电压大大提高, 高压绕组的层间和匝间的电位梯度相应增大, 引起高压绕组层间和匝间击穿。此时可在低压侧加装避雷器来解决此问题。