重慶某10kV線路綜合防雷措施研究

張 東 曾曉榮 廖志華

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.湖南中方電力有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 418000）

10kV配電線路是配電網(wǎng)的重要組成部分，連接著變電站和眾多用戶，具有分布廣、絕緣水平低的特點(diǎn)。電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)表明，在配電線路運(yùn)行的總跳閘次數(shù)中，雷擊引起的跳閘次數(shù)約占總跳閘次數(shù)70%～80%[1]，尤其在多雷、土壤電阻率高、地形復(fù)雜、檔距大的地區(qū)，雷擊配電線路引起的故障率更高。重慶 10kV井塘線線路所處地區(qū)年雷暴日40.1，且線路所處地區(qū)每年的雷電活動(dòng)較為集中，特別是春夏兩季呈現(xiàn)雷多、雨多、雷害事故易發(fā)的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響該地區(qū)配電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。因而有必要對(duì)該地區(qū)配電網(wǎng)的防護(hù)進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究，找出雷害事故易發(fā)的原因，分析其配電線路在防雷措施和防雷設(shè)備上存在的缺陷和不足，針對(duì)性地改進(jìn)和完善該地區(qū)配電線路防雷措施。

1 線路運(yùn)行基本情況

10kV井塘線起于110kV井口變電站，其支線儀小線與10kV井儀線相連。主線全長(zhǎng)16.5km，其中電纜長(zhǎng)度480m，架空線路裸導(dǎo)線長(zhǎng)度6.2km，絕緣導(dǎo)線長(zhǎng)度9.8km； 線路共架設(shè)桿塔244基，桿塔皆為水泥方塔其中 20#－27#桿塔平均檔距 230m，最大檔距520m；線路中采用的絕緣子有懸式和棒式兩種，耐張塔懸式絕緣子主要采用兩片XP-7型串聯(lián)，直線塔絕緣子采用柱式兩片57-3型并聯(lián)。2011年6月20日，雷雨天氣，該線路出現(xiàn)接地信號(hào)，沿線巡檢查出井塘線主線20#桿塔（20#桿塔與21#桿塔檔距520m）B相瓷瓶落雷擊碎，導(dǎo)線落在橫擔(dān)上。2011年8月23日，雷雨天氣，該線路39#桿塔后停電，而變電站沒有出現(xiàn)故障信號(hào)，沿線巡檢查出 40#桿塔絕緣導(dǎo)線兩相燒斷。而且 10kV井塘線支線經(jīng)常出現(xiàn)雷擊跳閘事故，由于 10kV支線與主線連接多采用柱上跌落式熔斷器，而且低壓側(cè)沒有采取防雷措施，在雷雨季節(jié)低壓側(cè)出現(xiàn)故障后熔斷器會(huì)斷開，在雷雨過后對(duì)熔斷器進(jìn)行重合即可繼續(xù)供電，因此對(duì)于支線雷擊跳閘缺少統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

為了更好的了解配電網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，找出線路的防雷薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)防雷薄弱環(huán)節(jié)提出針對(duì)性的改造措施，并對(duì) 10kV井塘線及其支線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。

2.1 線路周邊地理情況及桿塔情況調(diào)研

據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)10kV井塘線及其支線線路走廊所分布的地形大致可分為兩種，一種是海拔較低的山地，表層為土壤，深層為砂石，含水量很小；另一種是山腳下的平原，大多為耕地、水田等，土質(zhì)多為黃土，含水量大?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量這兩種土壤的土壤電阻率介于 33.4～221.3?·m 之間，現(xiàn)場(chǎng)都是采用鋼筋混凝土單桿且大多沒有拉線和專用接地極，可估算出大多數(shù)桿塔自然接地電阻介于 10.02～66.39?之間[2]。

10kV井塘線部分桿塔所處地區(qū)為山區(qū)，在山腰處由于架設(shè)桿塔困難，桿塔主要分布在山頂和山底。位于山頂桿塔多為耐張塔，高度為 15m；山底桿塔高度一般為 12m，在山底靠近民居的地方桿高度為18m。

2.2 配電變壓器防雷措施調(diào)研

1）柱上變壓器避雷器配置

柱上變壓器高壓側(cè)保護(hù)采用我國(guó)通用的柱上變壓器保護(hù)方式，即在高壓側(cè)用一組避雷器和一組熔斷器，熔斷器裝在避雷器前面。這種保護(hù)方式是以跳閘來對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)，供電可靠性不高。

2）柱上變壓器接地情況

變壓器一般位于山底，山底土壤電阻率較低，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量接地電阻基本符合配電變壓器接地電阻要求。在接地引下線方面，2010年后新裝設(shè)的配電變壓器接地引下線用瀝清做了防腐處理，2010年以前的配電變壓器接地引下線未進(jìn)行防腐處理，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)前運(yùn)行年限較久的接地引下線腐蝕較為嚴(yán)重，有的甚至已經(jīng)因銹蝕斷開。

3 雷害事故原因分析

3.1 山區(qū)地形對(duì)雷電活動(dòng)的影響

由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，10kV井塘線的線路大多分布在山地上，相對(duì)于平原地區(qū)海拔較高，且山地地形情況復(fù)雜，土質(zhì)多變，線路檔距較大，這部分線路及桿塔易遭受雷擊，屬于易擊段和易擊桿塔，而且打壞絕緣子的雷擊斷線點(diǎn)也多位于線路檔距較大、地形較復(fù)雜的地方。

3.2 化工污穢對(duì)配電線路的影響

10kV井塘線 30#－49#線路走廊為化工園區(qū)，空氣污染以化工污穢為主，這種污穢是由開采化工原料和制造化工產(chǎn)品的工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中由煙囪排出的廢氣、贓物以及化工原料粉塵沉積在絕緣子或變電設(shè)備表面上而形成的，它嚴(yán)重影響絕緣子或電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度。

化工污穢的主要成分是各種酸、堿、鹽類，各種化工污穢中都含有能導(dǎo)電的電解質(zhì)，由于電解質(zhì)在潮濕環(huán)境中溶解后使絕緣子污穢層的導(dǎo)電能力急劇增大，有可能造成絕緣子的污閃，同時(shí)污穢形成的酸雨加速了對(duì)變電設(shè)備及輔助設(shè)施的腐蝕破壞，使得變壓器的外殼及基臺(tái)銹蝕、導(dǎo)線及金具銹蝕，絕緣支柱的外絕緣性能降低，甚至導(dǎo)致某些焊接的支架由于銹蝕而松動(dòng)，造成安全隱患。

山區(qū)因地形復(fù)雜而使地面受熱很不均勻，加上日照時(shí)間變化，導(dǎo)致水平氣溫分布很不均勻，山區(qū)的風(fēng)場(chǎng)比平原地區(qū)復(fù)雜得多，因此，在上風(fēng)側(cè)的污染源，不僅對(duì)迎風(fēng)坡的變電所造成高濃度的污染，而且化工污染可能隨風(fēng)越過山頭而被氣流帶到地面對(duì)配電線路或變電所外絕緣造成嚴(yán)重污染。這樣就大大降低了配電線路的絕緣水平，遭受雷擊后更易發(fā)生雷害事故。

3.3 發(fā)生雷擊時(shí)雷電泄流通道不足

由線路調(diào)研可知，10kV井塘線幾乎沒有采取任何防雷措施，如果發(fā)生雷擊桿塔，雷電流可以通過桿塔自然接地進(jìn)行泄流。當(dāng)雷擊絕緣導(dǎo)線時(shí)，由于缺少雷電流泄流通道，如果雷電過電壓造成絕緣子兩相以上發(fā)生閃絡(luò)，并通過橫擔(dān)發(fā)展為異相之間接地時(shí)，雷電過電壓首先擊穿導(dǎo)線絕緣層進(jìn)而引起絕緣子閃絡(luò)，被擊穿的絕緣層呈一針孔狀，接續(xù)的工頻短路電流電弧受周圍絕緣的阻隔，弧根只能在針孔處燃燒，在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線就會(huì)被整齊的燒斷[3-4]。

從線路配置來分析，造成斷線的主要原因是架空配電線路絕緣水平低[5]。架空線的絕緣水平低，其耐雷水平也必然低，這樣在雷擊時(shí)，由于雷電流沒有泄流通道，容易發(fā)生絕緣子閃絡(luò)或擊碎，進(jìn)而擴(kuò)大為斷線事故；當(dāng)雷擊導(dǎo)線時(shí)，發(fā)生單相閃絡(luò)和兩相閃絡(luò)、三相閃絡(luò)的機(jī)率相差只有百分之幾[6]，雷擊后造成相間閃絡(luò)、工頻電弧燃燒、傷害絕緣導(dǎo)線的機(jī)率是很大的，因此，在斷線事故中，往往發(fā)生一相燒傷、兩相同時(shí)燒斷、三相同時(shí)燒斷的現(xiàn)象。

3.4 配電變壓器防雷措施不完善

1）配電變壓器低壓側(cè)無保護(hù)措施

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，變壓器的高壓側(cè)通常裝一組避雷器進(jìn)行保護(hù)，而變壓器的低壓側(cè)則無任何防雷保護(hù)措施，就會(huì)產(chǎn)生正、逆變換過電壓[7]?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)變壓器位置都離用戶有一段距離，這段線路低壓側(cè)出線和高壓線路同桿架設(shè)，如果在雷擊在低壓側(cè)感應(yīng)出較低的電壓，在高壓側(cè)就會(huì)產(chǎn)生較高的電壓，容易造成高壓繞組損壞。同時(shí)，低壓側(cè)用戶的用電的開斷采用一組低壓斷路器進(jìn)行開斷而無熔絲保護(hù)，不能及時(shí)切斷低壓故障；而且低壓總計(jì)量元件位于計(jì)量箱外而不是計(jì)量箱內(nèi)，長(zhǎng)久運(yùn)行老化嚴(yán)重而影響計(jì)量準(zhǔn)確和使用壽命。由于低壓側(cè)無欠壓、過壓、失壓、缺相、短路、接地等保護(hù)，所以極大影響低壓用戶的供電可靠性和安全性。

2）接地引下線未做防腐處理

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，防雷裝置未做任何防腐處理而造成接地引下線的嚴(yán)重腐蝕。引下線的嚴(yán)重腐蝕，不僅降低了使用年限，而且因腐蝕使導(dǎo)通電阻變大，也直接影響其導(dǎo)通電流的功能單相用戶用電的安全性。

4 建議采取的防雷措施

通過對(duì) 10kV井塘線及其支線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及對(duì)線路存在的防雷問題進(jìn)行分析，提出了以下幾種線路防雷保護(hù)措施，以提高配電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.1 提高污穢地區(qū)線路絕緣水平

對(duì)10kV井塘線30#－49#及其支線段絕緣子進(jìn)行取樣，并做絕緣電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)和50%沖擊閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)。在絕緣電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)零值絕緣子，但其50%沖擊閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)的閃絡(luò)電壓較積污較小地區(qū)絕緣子有明顯降低，積污較小地區(qū)絕緣子50%閃絡(luò)電壓平均約為195kV，而污穢地區(qū)絕緣子50%閃絡(luò)電壓平均只有 132kV。在運(yùn)行中，也未發(fā)現(xiàn)該線路有過污閃事故發(fā)生。由此可見，在積污地區(qū)積污主要使絕緣子的絕緣水平有所降低，所以對(duì)化工園區(qū)雷擊跳事故較多的處理方法是對(duì)于耐張塔再加裝一片懸式絕緣子，對(duì)于直線塔，將原有的兩片57-3型絕緣子并聯(lián)換作兩片57-4絕緣子并聯(lián)，以提高線路的絕緣水平。

4.2 架設(shè)耦合地線

根據(jù)資料顯示，由于6～35kV架空配電線路桿塔高度較低，直擊雷對(duì)6～35kV架空配電線路的影響較小，感應(yīng)過電壓導(dǎo)致的故障比例超過90%[1]，因此，對(duì)10kV井塘線防雷保護(hù)的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在感應(yīng)雷過電壓的防護(hù)上。由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)研究可知，桿塔高度過高和接地電阻過大，將會(huì)降低配電線路的耐雷水平。

針對(duì)感應(yīng)雷過電壓，采取在線路易受雷擊段架設(shè)耦合地線。對(duì)架設(shè)有耦合地線的線路，耦合地線的電磁屏蔽作用可使導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓降低[8]。這是由于避雷線與大地相接，保持地電位，即將大地引入導(dǎo)線近區(qū)。對(duì)于靜電感應(yīng)，可以增大導(dǎo)線對(duì)地電容，從而使導(dǎo)線對(duì)地電位降低；對(duì)于電磁感應(yīng)，其影響相當(dāng)于在導(dǎo)線與大地回路附近增加了一個(gè)地線與大地的短路環(huán)，抵消了部分導(dǎo)線上的電磁感應(yīng)電勢(shì)，因而耦合地線的屏蔽效果可以有效降低導(dǎo)線上的感應(yīng)雷過電壓，減少雷擊造成絕緣子閃絡(luò)次數(shù)。

由于部分桿塔自然接地電阻不滿足耦合地線的接地要求，同時(shí)由于易受雷擊段地勢(shì)開闊且土壤電阻率最大才為220?·m左右，所以可采用一根長(zhǎng)20m的扁鋼作為水平接地體埋深0.6m進(jìn)行接地。計(jì)算最大接地電阻為22.6?，可以滿足耦合地線的接地要求。

4.3 安裝可調(diào)式防雷保護(hù)間隙

10kV井塘線架空絕緣導(dǎo)線使用率約為 53%且部分位于易落雷點(diǎn)。10kV架空絕緣導(dǎo)線有其先天不足，在雷電作用下極易斷線。防范架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的辦法概括來說主要有“堵塞”和“疏導(dǎo)”兩種方式[9]。

在架空絕緣導(dǎo)線易落雷點(diǎn)安裝穿刺型可調(diào)式保護(hù)間隙，調(diào)整保護(hù)間隙放電電壓為絕緣子50%沖擊放電電壓的90%，使間隙先于絕緣子放電。安裝可調(diào)式保護(hù)間隙保護(hù)斷線是先“堵塞”后“疏導(dǎo)”，就是限制雷擊過電壓的幅值，阻止雷擊閃絡(luò)后工頻續(xù)流起弧，從根本上排除了導(dǎo)線燒損的因素。其工作原理是，當(dāng)架空線路遭受雷擊時(shí)，在絕緣子串上會(huì)產(chǎn)生較高的雷電沖擊過電壓，并聯(lián)間隙的雷電放電電壓低于絕緣子串的放電電壓，間隙先放電，工頻電弧弧根在兩電極上燃燒，以保護(hù)絕緣導(dǎo)線，避免其被燒傷而斷線。

由于 20#－27#桿塔檔距較大且跨距是山溝和河流，所以架設(shè)耦合地線不能起到很好的保護(hù)作用。同時(shí)，由于雷擊線路泄流主要集中在構(gòu)成大跨距的兩基耐張塔，極易造成絕緣子打壞，所以建議在構(gòu)成較大檔距的兩基桿塔上安裝可調(diào)式防雷保護(hù)間隙，間隙調(diào)整距離和保護(hù)架空絕緣導(dǎo)線間隙相同，既保護(hù)絕緣子不因雷擊而造成損壞，又提高斷電后重合閘的成功率。

在保護(hù)間隙的安裝上，應(yīng)當(dāng)注意間隙不應(yīng)保持在與地面垂直的一條線上，應(yīng)使上下兩間隙有水平5cm的偏移，以免因下雨或結(jié)冰造成線路沿間隙閃絡(luò)。在保護(hù)間隙的接地上，可以采用與耦合地線相同的接地方式。

4.4 完善配電變壓器保護(hù)

在已運(yùn)行的配電變壓器低壓側(cè)裝設(shè)低壓氧化鋅避雷器，并與高壓側(cè)避雷器、變壓器外殼和低壓側(cè)中性點(diǎn)一起接地，形成“四點(diǎn)共地”[10]。在低壓避雷器的安裝位置上，由于整改是為了完善配電變壓器的保護(hù)，所以應(yīng)安裝在低壓總?cè)蹟嗥鞯那岸硕皇窃诘蛪焊骶€路出線前端。

對(duì)于計(jì)劃新安裝的變壓器，建議采用低壓配電柜，現(xiàn)主流低壓配電柜一般集漏電保護(hù)，電能計(jì)量、過流、過壓、缺相、接地保護(hù)等多功能為一體，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的正、逆變換過電壓的保護(hù)，而且也提高的用戶的供電可靠性和安全性。

針對(duì)運(yùn)行時(shí)間較久腐蝕嚴(yán)重的變壓器接地引下線，應(yīng)該先換新的接地引下線并采取防腐措施。在接地引下線的防腐方面，用瀝青或者PVC管管套對(duì)接地引下線地上部分進(jìn)行保護(hù)。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)重慶 10kV井塘線雷擊故障情況和雷害來源進(jìn)行了分析。針對(duì)線路防雷存在化工污染使絕緣子絕緣水平下降、架空絕緣導(dǎo)線沒有防雷措施易斷線、配電變壓器保護(hù)不完善等問題，制定了提高污穢地區(qū)線路絕緣強(qiáng)度、在易受雷擊段架設(shè)耦合地線、有選擇的安裝配電網(wǎng)保護(hù)間隙和完善配電變壓器防雷等措施。達(dá)到提到線路耐雷水平，確保配電線路的供電可靠性。

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