基于實(shí)際雷電參數(shù)的10kV 架空絕緣線路防雷分析

何建林，張 電，劉渝根，田金虎

（1.重慶市電力公司江北供電局，重慶 401147;2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;3.重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

0 引言

架空絕緣導(dǎo)線以其安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、建設(shè)維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)在城市配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。但研究及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均顯示:架空絕緣導(dǎo)線雷擊易斷［1－2］。1969 ～1971 年日本全國中壓配電線路，絕緣導(dǎo)線雷擊斷線率為96.8%［1］;1974～1975年兩年間美國PP＆L公司所屬線路50%的事故是由于雷電過電壓引起的，絕緣線路共發(fā)生雷擊斷線事故397次［3］;重慶江北供電局2005～2007年三年間10kV架空絕緣配電線路共發(fā)生雷擊事故46起，其中斷線12起，雷擊斷線率達(dá)26.09%。

不同地區(qū)因地形、氣候等條件差異，雷電活動(dòng)情況、線路遭受雷擊事故也有很大的差異，因此采用絕緣導(dǎo)線的輸電線路的防雷工作，應(yīng)根據(jù)線路所經(jīng)地區(qū)的實(shí)際雷電活動(dòng)情況結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)采取有針對(duì)性的措施［4］。

筆者參考國內(nèi)外現(xiàn)有防雷措施的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合重慶電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)(LLS)收集雷電參數(shù)，分析感應(yīng)過電壓作用下10kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊閃絡(luò)情況，結(jié)合線路實(shí)際運(yùn)行情況，提出適合于10kV架空絕緣線路的綜合防雷措施。

1 雷電參數(shù)

根據(jù) DL/T620 －1997［5］，在過電壓計(jì)算時(shí)，多雷區(qū)雷暴日為40;地面平均落雷密度為0.07次/(km2·d);年平均雷暴日大于20的地區(qū)，雷電流幅值概率分布公式為:

式中:I為雷電流幅值，kA。

架空配電線路分布廣，所經(jīng)地區(qū)氣候條件差異很大，如不考慮線路實(shí)際經(jīng)過地區(qū)的雷電活動(dòng)情況，完全依照規(guī)程顯然不能夠全面、有效地指導(dǎo)線路防雷工作。

利用雷電定位系統(tǒng)對(duì)重慶江北供電局轄區(qū)范圍內(nèi)的雷電活動(dòng)收集顯示:2001～2007年7年間，重慶市江北區(qū)共發(fā)生落雷13938次，其中負(fù)極性落雷占93.4%。年平均雷電日數(shù)為81.9，平均每個(gè)雷電日有3.138個(gè)雷電小時(shí)，地面平均落雷密度達(dá)到了0.1104次/(km2·d)。其雷電流幅值分布直方圖如圖1所示。

圖1 雷電流幅值分布直方圖

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)收集參數(shù)可以看出，重慶市江北區(qū)雷電活動(dòng)強(qiáng)烈，超過了多雷區(qū)的一般水平，地面落雷以負(fù)極性為主。根據(jù)統(tǒng)計(jì)地面落雷主要集中在50kA以下，占總落雷的 83.99%;幅值超過100kA的落雷僅占3.74%。根據(jù)規(guī)程建議雷電流幅值概率分布規(guī)律，確定雷電流幅值概率分布公式為:

根據(jù)收集雷電參數(shù)通過擬合確定系數(shù)a=0.0261，b= －64.8185。由式(1)、(2)繪制雷電流幅值概率曲線如圖2所示，從圖中可以看出，擬合公式(2)滿足雷電流概率分布規(guī)律。

圖2 雷電流幅值概率曲線

2 感應(yīng)過電壓計(jì)算

低壓配電線路由于絕緣水平低、分布廣，感應(yīng)過電壓引起的雷害故障次數(shù)明顯增加，有研究表明，10kV架空配電線路由雷擊引起閃絡(luò)或故障的主要因素不是直擊雷過電壓，而是感應(yīng)雷過電壓，感應(yīng)雷過電壓引起的雷擊故障超過90%［6-7］。當(dāng)雷擊線路附近大地時(shí)，在輸電線路三相同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，往往發(fā)生兩相或三相絕緣子同時(shí)閃絡(luò)，而10kV配電網(wǎng)在單相絕緣發(fā)生閃絡(luò)而短路接地時(shí)，斷路器不會(huì)跳閘，只有在兩相或三相同時(shí)閃絡(luò)接地時(shí)，才會(huì)引起斷路器跳閘。而實(shí)際斷線事故中，線路一般不是一相斷線，而是兩相或三相同時(shí)斷線，因此，引起線路斷線的主要原因應(yīng)是雷擊線路附近大地時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓使得線路絕緣發(fā)生兩相或三相同時(shí)閃絡(luò)而引起的［8］，10kV配電線路防雷的重點(diǎn)應(yīng)是感應(yīng)雷。

雷擊導(dǎo)線附近大地時(shí)，當(dāng)雷擊點(diǎn)與導(dǎo)線水平距離S大于65m，且遠(yuǎn)大于導(dǎo)線高度h時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓為［9］:

式中:I為雷電流幅值，kA;h為導(dǎo)線懸掛的平均高度，m;k為感應(yīng)過電壓系數(shù)，Ω。當(dāng)S不滿足“S＞65m，S?h”時(shí)，導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓為:

感應(yīng)過電壓系數(shù)k的值可根據(jù)線路實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬試驗(yàn)來確定，我國規(guī)程建議，當(dāng)S＞65m時(shí)，取k=25Ω，前蘇聯(lián)則取30Ω;國內(nèi)也有學(xué)者通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出取為32.1Ω［9］，本文計(jì)算時(shí)采用規(guī)程建議值。

將Ui取為絕緣子的50%雷電沖擊放電電壓值U50%，由式(3)可以得到引起絕緣閃絡(luò)的最小雷電流幅值為:

由式(1)(2)可以得到幅值超過Imin的雷電流，擊于距離導(dǎo)線S的位置時(shí)，引起導(dǎo)線絕緣閃絡(luò)的概率P(Imin)。因此，每100km線路每年因感應(yīng)雷作用引起絕緣閃絡(luò)的次數(shù)為［10］:

式中:Smax=25hImax/U50%，m;Imax為最大雷電流幅值，kA;Td為年平均雷暴日;γ為地面平均落雷密度，次/km2·d;a、b 為系數(shù)。

3 線路雷擊閃絡(luò)率計(jì)算分析

根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，重慶江北供電局2001～2007年10kV架空配電線路雷擊跳閘情況如表1所示，線路絕緣子主要采用P20型針式絕緣子。

表1 10kV線路雷擊跳閘統(tǒng)計(jì)

計(jì)算條件，導(dǎo)線對(duì)地高度取為12m，線路絕緣子采用P20、P15針式絕緣子和PS15柱式絕緣子，其50%正、負(fù)極性雷電沖擊放電電壓分別為310kV和220kV、200kV 和175kV、及206kV 和145kV［10］。Imax分別取為60kA、80kA、100kA、120kA。雷電參數(shù)分別取規(guī)程規(guī)定值和實(shí)際值由式(6)有正、負(fù)極性雷擊引起線路閃絡(luò)概率如表2、表3所示。

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)正極性落雷占6.6%，負(fù)極性落雷占93.4%由表2、表3可以求出每100km線路每年因雷擊引起的絕緣閃絡(luò)次數(shù)如表4所示。

分析比較表1～4可以看出:江北局10kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊跳閘率較高，年平均雷擊跳閘率為5.7647次/(100km·a)，最高時(shí)達(dá)到了12.3549次/(100km·a);由于絕緣子負(fù)極性50%雷電沖擊放電電壓高于正極性雷電沖擊放電電壓，因此地面落雷為正極性時(shí)的雷擊閃絡(luò)率低于負(fù)極性落雷時(shí)的雷擊閃絡(luò)率;根據(jù)統(tǒng)計(jì)，地面落雷以負(fù)極性為主，因此總的線路雷擊閃絡(luò)率與負(fù)極性落雷時(shí)的計(jì)算結(jié)果相近。在最大雷電流均值(Imax)取為100kA，采用P20型針式絕緣子時(shí)，按規(guī)程規(guī)定的雷電參數(shù)計(jì)算得到，10kV架空絕緣導(dǎo)線絕緣子閃絡(luò)概率與實(shí)際雷擊跳閘率在同一量級(jí)上，用實(shí)測(cè)值計(jì)算得到的絕緣子閃絡(luò)率約為實(shí)際跳閘率的2倍。而對(duì)于10kV配電線路引起線路雷擊跳閘的條件是:雷擊引起線路絕緣閃絡(luò)，并建立穩(wěn)定的工頻電弧且形成相間短路。由于單相接地短路時(shí)線路不跳閘，因此線路雷擊跳閘率n=N·η，η(小于1)為引起相間閃絡(luò)建弧率，η=(4.5E0.75－14)×10－2。其中，E為跳閘在相間閃絡(luò)后產(chǎn)生的平均電場(chǎng)強(qiáng)度，kV［1］。依照上式對(duì)P20、P15、PS15三種絕緣子的建弧率進(jìn)行估算，其建弧率分別為0.4412、0.2781、0.5980，因此雷擊跳閘率n應(yīng)為(0.3～0.6)·N，可見本文采用實(shí)際雷電活動(dòng)情況來分析計(jì)算10kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊閃絡(luò)率比采用規(guī)程規(guī)定值計(jì)算更貼近實(shí)際情況。

表2 正極性雷擊時(shí)絕緣子閃絡(luò)概率計(jì)算值

表3 負(fù)極性雷擊時(shí)絕緣子閃絡(luò)概率計(jì)算值

表4 雷擊閃絡(luò)概率計(jì)算值

4 綜合防雷措施

為防止10kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線，降低雷擊跳閘率，目前采用的防雷措施主要有安裝串聯(lián)外間隙氧化鋅避雷器、穿刺型防弧金具、防雷支柱絕緣子、絕緣橫擔(dān)等。

4.1 支柱絕緣子配合穿刺型防弧金具

近年來國內(nèi)各大城市應(yīng)用較多的穿刺型防弧金具，防止雷擊斷線效果好，而且防弧金具成本低，安裝維護(hù)方便［11］。

通過雷電沖擊伏秒特性試驗(yàn)得到FHJ型穿刺防弧金具與柱式絕緣子伏秒特性如圖3所示。從圖中可以看出FHJ型防弧金具能夠在絕緣子閃絡(luò)之前放電，從而使電弧在金具上釋放能量燃燒，減少絕緣導(dǎo)線斷線事故的發(fā)生。

圖3 PS－15支柱絕緣子與FHJ型防弧金具伏秒特性

重慶江北供電局于2007年在轄區(qū)10kV易發(fā)生雷擊斷線線路安裝支柱絕緣子配合穿刺型防弧金具120只做試驗(yàn)，如圖4所示，經(jīng)過近三年的跟蹤觀察，線路經(jīng)歷了雷雨季節(jié)的考驗(yàn)，沒有發(fā)生一起跳閘事故，說明穿刺型防弧金具發(fā)揮了預(yù)期的作用。下一步可以根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)易發(fā)故障段線路大面積地安裝防弧金具。

圖4 支柱絕緣子配合穿刺型防弧金具實(shí)際應(yīng)用

4.2 串聯(lián)外間隙氧化鋅避雷器

研究及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均表明，線路普通避雷器不但能夠提高直擊雷作用下的線路耐雷水平，而且能夠有效抑制感應(yīng)過電壓［12］。但是裝設(shè)線路避雷器僅僅只能提高線路耐雷水平，降低雷擊閃絡(luò)率，不能杜絕雷擊斷線事故的發(fā)生，而且避雷器長(zhǎng)期承受工作電壓，容易老化。

針對(duì)線路型避雷器的這一缺陷，近年來出現(xiàn)了一種新型防雷保護(hù)裝置，即帶串聯(lián)外間隙的氧化鋅避雷器［13～14］，這種避雷器在正常情況下避雷器不承受工作電壓的作用，避雷器壽命增長(zhǎng)，而且檢修容易，當(dāng)有雷電過電壓作用時(shí)，避雷器能夠提高線路耐雷水平，降低絕緣閃絡(luò)概率，而且外間隙起到引弧的作用，即使絕緣閃絡(luò)，接續(xù)的工頻電弧也不會(huì)集中在一點(diǎn)燃燒，防止絕緣導(dǎo)線斷線事故的發(fā)生。即使避雷器完全老化失效，串聯(lián)間隙還能起到防弧金具的作用。

保證電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的同時(shí)要考慮到經(jīng)濟(jì)成本。普通避雷器能夠有效提高線路耐雷水平，但是避雷器的保護(hù)范圍小，基本需要每基安裝，采用帶外間隙的線路避雷器彌補(bǔ)普通避雷器的不足，同時(shí)節(jié)約安裝成本，還能防止導(dǎo)線雷擊斷線，經(jīng)濟(jì)效果明顯。

因此，配電線路的防雷工作，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)在線路易擊段，重要供電線路(如變電站進(jìn)線段)，以及耐張桿等不適宜采用防弧金具等防雷措施的桿塔，可以通過每基桿塔安裝串聯(lián)外間隙氧化鋅避雷器，提高線路耐雷水平并防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線，在其它線路段每基安裝穿刺型防弧金具綜合利用，能有效防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線。

5 結(jié)論

(1)利用雷電定位系統(tǒng)能夠有效收集線路所經(jīng)地區(qū)雷電參數(shù)，確定實(shí)際雷電活動(dòng)情況，為輸電線路的防雷工作提供幫助。

(2)對(duì)于10kV配電線路進(jìn)行防雷計(jì)算分析時(shí)，采用線路所經(jīng)地區(qū)雷電參數(shù)實(shí)測(cè)值，比規(guī)程規(guī)定值計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際，能夠更好的反映實(shí)際雷擊跳閘情況。

(3)采用支柱絕緣子配合穿刺型防弧金具，防弧金具能夠有效放電、引弧，避免絕緣子閃絡(luò)及斷線事故的發(fā)生。

(4)10kV架空絕緣線路防雷，可以根據(jù)線路實(shí)際情況，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)充分利用各種防雷措施，對(duì)易擊段、重要線路段及不易改造的耐張桿可以每基安裝串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器、增加絕緣子片數(shù);對(duì)其它線路段可以采用穿刺型防弧金具，不但能夠提高供電可靠性，而且成本較低。

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