10kV架空絕緣線路的雷擊分析及防雷對(duì)策

路 軍 丁堅(jiān)勇

（1.廣東電網(wǎng)公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526060；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

1 引言

配電網(wǎng)的供電可靠性是生產(chǎn)、應(yīng)用和生活中的一個(gè)基本概念和重要指標(biāo)。它不但影響工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用電和居民生活，而且影響用電的質(zhì)量和社會(huì)效益。隨著配電網(wǎng)的飛速發(fā)展，供電區(qū)域被樹(shù)木覆蓋，線行下的建筑物、臺(tái)風(fēng)等諸多因素的影響，使配電網(wǎng)的可靠性面臨新的考驗(yàn)。受到自然界對(duì)配電網(wǎng)構(gòu)成的威脅，從而產(chǎn)生了架空絕緣線路。肇慶供電局在2002年配電網(wǎng)改造中開(kāi)始在城郊、縣城及城鎮(zhèn)使用架空絕緣導(dǎo)線，但每年的雷雨季節(jié)頻發(fā)雷擊斷線的故障。因此，架空絕緣線路防雷是一項(xiàng)非常重要的工作。

2 架空絕緣線路的特點(diǎn)

絕緣性能好。架空絕緣導(dǎo)線由于增加了一層絕緣層，所以絕緣性能比裸導(dǎo)線優(yōu)越，可減少線路相間距離，降低對(duì)線路支持件的絕緣要求，提高同桿架設(shè)線路的回路數(shù)。

防潮抗腐蝕性能好。架空絕緣導(dǎo)線由于外層有絕緣層，所以比裸導(dǎo)線受氧化腐蝕的程度小，防潮抗腐蝕能力較強(qiáng)，可延長(zhǎng)線路的使用壽命。

防外力破壞，減少受樹(shù)木、漂浮物、金屬氧化膜和灰塵等外在因素的影響，減少相間短路及接地故障。

強(qiáng)度達(dá)到要求。絕緣導(dǎo)線堅(jiān)韌，整個(gè)導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到應(yīng)力設(shè)計(jì)的要求。

但是，絕緣導(dǎo)線在應(yīng)用過(guò)程中，也出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題。其中，最為突出的問(wèn)題是，遭受雷擊時(shí)，容易發(fā)生斷線故障。

3 雷擊故障狀況

廣東省屬于雷暴多發(fā)地區(qū)，根據(jù)氣象部門(mén)提供的參考資料顯示我市近3年的平均雷電日為75～80天，屬于高雷電日地區(qū)。2009年全市配電網(wǎng)線路故障跳閘合計(jì)1514次，其中雷擊故障751次，占故障率的49.6%，可見(jiàn)，線路故障的主要原因是雷擊故障。全市共有10kV架空絕緣線路145kM，占全市配電線路的9%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2007～2009年全市架空絕緣線路雷擊斷線25次，其中2007年10次，2008年9次，2009年7次。

4 雷擊斷線機(jī)理分析

配電網(wǎng)雷電過(guò)電壓閃絡(luò)，亦即大氣壓或高于大氣壓中大電流放電，為電弧放電形式。因雷電引起的絕緣導(dǎo)線斷線的起因與裸導(dǎo)線相同，是由雷電過(guò)電壓破壞了線路絕緣，造成線路的短路接地。由于我局10kV配網(wǎng)為經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，故在單相接地時(shí)流過(guò)接地的電流得到補(bǔ)償，單相接地故障一般不至于斷線。當(dāng)二相或三相之間閃絡(luò)而形成金屬性短路通道，引起數(shù)千安培工頻續(xù)流，電弧能量將驟增。

配電線路采用裸導(dǎo)線時(shí)，在受到雷擊后（包括直接雷和感應(yīng)雷），會(huì)引起線路閃絡(luò)。此時(shí)，持續(xù)的工頻短路電流引起的電弧在電磁力的作用下，使電弧向?qū)Ь€落雷點(diǎn)的兩側(cè)迅速散發(fā)，雷電流經(jīng)過(guò)線路、開(kāi)關(guān)和變壓器等設(shè)備的避雷器迅速流入大地，或在工頻電流燒斷導(dǎo)線之前，引起跳閘，因而很少發(fā)生斷線事故。

但是，當(dāng)絕緣導(dǎo)線遭受雷擊時(shí)，情況就不相同了，雷電過(guò)電壓引發(fā)絕緣子閃絡(luò)，并擊穿絕緣導(dǎo)線的絕緣層。而擊穿點(diǎn)附近的絕緣物，阻礙了電弧沿著導(dǎo)線表面向兩側(cè)快速移動(dòng)。因而，電弧只能在擊穿點(diǎn)燃燒。高達(dá)數(shù)千安培的工頻電弧電流（kA/ms級(jí)）產(chǎn)生的熱量集中在絕緣擊穿點(diǎn)上，并在斷路器跳閘之前很快就將導(dǎo)線熔斷。閃絡(luò)熔斷點(diǎn)通常是在導(dǎo)線的絕緣子兩端10～30cm范圍內(nèi)，因?yàn)榇朔秶碾妶?chǎng)分布最薄弱。

當(dāng)雷擊作用于絕緣子時(shí)，絕緣子的閃絡(luò)取決于過(guò)電壓值和線路絕緣水平，電弧產(chǎn)生的幾率通常取決于多個(gè)參數(shù)，即額定線電壓U2、閃絡(luò)路徑L、雷沖擊發(fā)生的時(shí)刻、雷電流的大小和線路參數(shù)等。在這些參數(shù)中主要決定于沿閃絡(luò)路徑的運(yùn)行電壓平均梯度。

式中，L為閃絡(luò)長(zhǎng)度，單位為m。

建弧率是隨著E的降低而降低的。通過(guò)對(duì)電弧火花放電過(guò)程的數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論，E≤7～10kV/m時(shí)，建弧率為零。工頻短路電流與雷電產(chǎn)生的熱量造成電弧熔斷絕緣導(dǎo)線的熱量與電弧作用時(shí)間有關(guān)，電弧電流產(chǎn)生的熱量：

式中，I為弧電流，R為電弧電阻，t為作用時(shí)間。

假定雷電波波頭時(shí)間t為2μs，雷電流幅值為1kA；工頻短路電流作用時(shí)間為0.2s，短路電流亦為1kA。則按上式公式計(jì)算可知工頻續(xù)流產(chǎn)生的熱量將比雷電流產(chǎn)生的熱量大10000倍。可見(jiàn)感應(yīng)過(guò)電壓是雷擊斷線的誘因，而工頻續(xù)流則是造成絕線導(dǎo)線斷線的決定因素。

在相同截面的裸導(dǎo)線和絕緣導(dǎo)線的電弧電流值和熔斷時(shí)間關(guān)系上看，絕緣導(dǎo)線的熔斷時(shí)間極短，同樣粗細(xì)的絕緣導(dǎo)線和裸導(dǎo)線，絕緣導(dǎo)線的熔斷時(shí)間僅為裸導(dǎo)線熔斷時(shí)間的1/5～1/10。這意味著，在變電站保護(hù)動(dòng)作、遮斷故障電流前，導(dǎo)線斷線的可能性變大。由于絕緣導(dǎo)線斷線一般是在二相短路或三相短路故障時(shí)發(fā)生，所以，導(dǎo)致二相斷線、三相斷線的情況也多。

5 雷擊斷線的防護(hù)對(duì)策

防范架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的辦法概括來(lái)說(shuō)主要?dú)w納為 “堵塞”和“疏導(dǎo)”兩種方式。“堵塞”就是提高線路的絕緣水平，降低絕緣雷擊閃絡(luò)的概率，阻止雷擊閃烙后工頻續(xù)流建弧?！笆鑼?dǎo)”就是允許線路有一定的雷擊閃絡(luò)概率，但要將雷擊閃絡(luò)后的工頻續(xù)流的弧根進(jìn)行“疏導(dǎo)”，也就是將局部剝離絕緣導(dǎo)線，在絕緣子附近的絕緣導(dǎo)線局部裸線化，加裝防弧線夾，使工頻電弧弧根轉(zhuǎn)移，在剝離部分滑動(dòng)，而不是固定在某一點(diǎn)燒蝕，從而保護(hù)導(dǎo)線免于燒傷。具體方法和措施如下：

（1）安裝架空地線，主要是將幅值很大的雷電過(guò)電壓轉(zhuǎn)化為電流，經(jīng)桿塔的接地電阻排泄出去，從而大幅度降低雷電過(guò)電壓，使導(dǎo)線得到保護(hù)。10kV配電網(wǎng)絕緣水平較低，雷擊架空地線后很容易造成反擊閃絡(luò)，仍然還會(huì)發(fā)生工頻續(xù)流燒斷絕緣導(dǎo)線的故障。而且根據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電線路遭受直擊雷或繞擊雷的概率較小，約只占雷害事故的20%，配電線路上80%的雷電過(guò)電壓故障是感應(yīng)過(guò)電壓。沒(méi)有安裝架空地線的10kV架空線路最高感應(yīng)電壓可達(dá)550kV，而安裝架空地線后，最高感應(yīng)過(guò)電壓降幅多達(dá)40%。因此，在雷擊頻繁的區(qū)域的配電線路安裝架空地線是可以限制感應(yīng)過(guò)電壓的重要舉措。

（2）安裝無(wú)間隙線路復(fù)合外套氧化鋅避雷器，氧化鋅避雷器可以限制感應(yīng)過(guò)電壓幅值，在雷擊閃絡(luò)后吸收放電能量，阻止工頻續(xù)流起弧，從而達(dá)到保護(hù)絕緣導(dǎo)線的目的。氧化鋅避雷器的保護(hù)范圍、雷電特性和避雷器參數(shù)，與避雷器接地網(wǎng)的接地電阻數(shù)值和線路絕緣水平有關(guān)，而其中的雷電特性目前難以收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，只能是根據(jù)研究機(jī)構(gòu)提供的模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用線路避雷器防雷抑制雷害，關(guān)鍵是接地線的接地阻抗，當(dāng)線路受到感應(yīng)雷擊時(shí)，若線路沒(méi)有避雷器產(chǎn)生的對(duì)地電壓為UP，則有避雷器時(shí)線路上產(chǎn)生的對(duì)地電壓為如下：

肇慶市城郊北嶺山下2002年建設(shè)，2003年投入運(yùn)行的10kV瑞花線等四條同桿雙回線路，設(shè)計(jì)是按照感應(yīng)過(guò)電壓幅值為200-300kV峰值，波頭為2μS；線路采用FP-1-0/2.5或FZS－0/5T針式、支柱復(fù)合絕緣子，防雷接地電阻為10～25Ω，每隔2～3檔桿結(jié)合規(guī)劃的引下刀閘安裝一組避雷器，運(yùn)行8年只發(fā)生2次雷擊斷線，檢查發(fā)現(xiàn)斷線點(diǎn)都發(fā)生在兩組避雷器之間的桿塔上，復(fù)合外套氧化鋅避雷器作為線路過(guò)電壓保護(hù)，可減少雷擊斷線故障，但由于保護(hù)范圍的限定，不能完全杜絕雷擊斷線事故，而且長(zhǎng)期承受運(yùn)行電壓，加速了電阻閥片的劣化而損壞或接地引下線被盜，都將失去線路的保護(hù)作用。

（3）安裝架空線路過(guò)電壓保護(hù)器，它是由非線性電阻限流元件（氧化鋅閥片）及串聯(lián)放電間隙（不銹鋼引流環(huán)）組成，當(dāng)雷電過(guò)電壓或其他故障原因引發(fā)對(duì)地閃絡(luò)形成金屬性電弧放電短路時(shí)，線路保護(hù)器中特殊設(shè)計(jì)的不銹鋼引流環(huán)可以將千安級(jí)工頻續(xù)流直接引向非線性限流元件，并借助于電阻限流元件的非線性特性將正弦波形的工頻續(xù)流轉(zhuǎn)變成為尖頂波。尖頂波電流在過(guò)零前有一段時(shí)間內(nèi)電流幅值較小，同時(shí)，限流元件的殘壓削減放電電壓，使電弧瞬間熄滅而達(dá)到迅速截?cái)喙ゎl續(xù)流，達(dá)到有效防止架空絕緣導(dǎo)線因工頻續(xù)流高溫而熔斷（雷擊斷線）的目的。這種方式與絕緣子并聯(lián)安裝，不破壞絕緣導(dǎo)線的絕緣層，提高了線路的沖擊耐壓水平，確保只在特別高的雷電感應(yīng)過(guò)電壓作用下才閃絡(luò)，工頻續(xù)流會(huì)因合成絕緣子的放電爬距大而無(wú)法建弧而熄滅。

架空線路過(guò)電壓保護(hù)器優(yōu)點(diǎn)：①維護(hù)管理簡(jiǎn)便；②保護(hù)器動(dòng)作時(shí)工頻續(xù)流立即中斷，斷路器不會(huì)動(dòng)作跳閘，供電不會(huì)中斷；③對(duì)于絕緣導(dǎo)線不需剝?nèi)?dǎo)線的絕緣層，不會(huì)裸露有電部分，可以采用帶電安裝。缺點(diǎn)：①投資較大；②桿上設(shè)備數(shù)量增加；③需要安裝接地裝置。

我局在2008年開(kāi)始在架空絕緣線路上安裝過(guò)電壓保護(hù)器，運(yùn)行一年多，安裝過(guò)電壓保護(hù)器的線路沒(méi)有發(fā)生斷線故障。

（4）在架空絕緣線路安裝防弧金具，金具在距離絕緣子中心150～200mm的范圍內(nèi)（負(fù)荷側(cè)）剝離一小段絕緣導(dǎo)線的絕緣層，安裝上防弧金具，可使雷電過(guò)電壓均在防弧金具與絕緣子鋼腳之間定點(diǎn)閃絡(luò)，持續(xù)的工頻短路電流電弧的弧根固定在防弧金具上燃燒，從而保護(hù)導(dǎo)線免于燒傷。該方式操作簡(jiǎn)便、投資少，無(wú)需接地裝置，能防止雷擊斷線，但需剝離絕緣層，存在局部導(dǎo)體裸露，存在著密封和絕緣的缺陷，并且在雷擊后必須要更換燒傷的防弧金具。

2009年城區(qū)10kV架空絕緣線發(fā)生雷擊斷線故障，變電站側(cè)測(cè)得短路電流高達(dá)18kA， 絕緣線路上的柱上真空斷路器燒毀，安裝在線路的防弧金具有明顯的放電痕跡，分析架空絕緣線路是遭受直擊雷的侵襲，雷擊點(diǎn)的雷電流超過(guò)30kA，線路上的防弧金具和避雷器都沒(méi)能有效的“堵塞”和“疏導(dǎo)”，造成絕緣導(dǎo)線的斷線。

6 結(jié)論

雷電是一個(gè)復(fù)雜的自然現(xiàn)象。綜上所述，單純依靠某項(xiàng)保護(hù)措施難以解決絕緣線路的防雷問(wèn)題，必須采取綜合防雷對(duì)策才能有效的防止雷擊事故發(fā)生。采用“疏導(dǎo)”和“堵塞”相結(jié)合的方式，即架空絕緣線路每3～4檔安裝過(guò)電壓保護(hù)器，其余的桿塔上安裝防弧金具相結(jié)合的防雷措施，能有效地減少雷擊閃絡(luò)概率，避免雷擊斷線故障發(fā)生，保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

[1]許穎,徐士珩.交流電力系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)及絕緣配合[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[2][日]橫山茂著.吳國(guó)良譯.配電線路雷害對(duì)策[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

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