配網(wǎng)架空絕緣導(dǎo)線防雷技術(shù)研究

陸干文，李炳雄

（廣州荔灣供電局 廣東廣州 510175）

0引言

10 kV配電網(wǎng)具有分布廣、設(shè)備多、絕緣水平低的特點(diǎn)，容易因過電壓造成絕緣損壞事故［1］。近年來，用戶對(duì)電能質(zhì)量、供電可靠性的要求不斷提高，而城市配電網(wǎng)絡(luò)絕緣化工作的深入開展也使得雷擊斷線問題日益突出，影響越發(fā)巨大［2］。因此，如何妥善解決雷擊斷線問題，以確保架空絕緣配電網(wǎng)的安全運(yùn)行已經(jīng)成為配電網(wǎng)系統(tǒng)中一個(gè)需要迫切解決的重要問題。

架空絕緣導(dǎo)線與裸導(dǎo)線相比，它能有效地降低“線樹矛盾”引起的停電事故;與電纜相比，它可避免道路開挖損傷，且投資較少。筆者所在單位目前共管轄10 kV架空線路87.14 km，其中絕緣導(dǎo)線66.11 km，占10 kV架空線路總長度的75.87%。近三年架空線路雷害情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 近三年架空線路雷害情況統(tǒng)計(jì)表

由表1可見，架空線路饋線跳閘次數(shù)較多，2009年達(dá)51次，占饋線跳閘總次數(shù)的68.92%;雷擊跳閘所占比列較高，2008年達(dá) 39.58%。

1 雷擊機(jī)理及其危害

1.1 雷擊主要形式

配網(wǎng)架空線路雷擊主要有直擊（或繞擊）雷、感應(yīng)雷和反擊過電壓三種形式［3］:

（1）直擊（或繞擊）雷:直擊雷過電壓常在沒有避雷線的情況下發(fā)生，但裝設(shè)避雷線的線路仍有可能被繞擊，但其概率較小。雷電流的幅值、陡度越大，則被擊線路的電位越高。

（2）感應(yīng)雷:在配網(wǎng)架空線路附近發(fā)生雷云對(duì)地放電時(shí)線路上產(chǎn)生的過電壓。在雷電放電的先導(dǎo)階段，在導(dǎo)線上緩慢積累了異性的束縛電荷，雷擊時(shí)，由于主放電的速度很快，所以導(dǎo)線中被束縛的電荷迅速疏散。

（3）反擊過電壓:雷擊桿塔時(shí)由于桿塔的電感和接地電阻，使本來是地電位的桿塔具有很高的電位，引起絕緣子逆閃，將高電位加到架空線路上。

1.2 雷電對(duì)架空線路的危害

雷電放電過程中，呈現(xiàn)出電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)以及機(jī)械效應(yīng)，對(duì)架空絕緣導(dǎo)線產(chǎn)生很大的危害性。

（1）電磁效應(yīng)。雷云對(duì)地放電時(shí)，位于雷擊點(diǎn)附近的導(dǎo)線上，幅值可達(dá)幾十萬伏的感應(yīng)過電壓能使架空線路上設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，甚至引起火災(zāi)和爆炸。

（2）熱效應(yīng)。幅值為Im的雷電流通過金屬導(dǎo)體時(shí)使導(dǎo)體發(fā)熱，將導(dǎo)體燒紅、熔化，甚至升華。架空線路避雷線的斷線現(xiàn)象，與雷電流的熱效應(yīng)有關(guān)。

（3）機(jī)械效應(yīng)。雷電流通過導(dǎo)線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊性的電動(dòng)力。雷電流通過平行導(dǎo)線時(shí)，電動(dòng)力大小與雷電流幅值、導(dǎo)線間距有關(guān)。例如I=100 kA，線間距L=50 cm，則電動(dòng)力F可達(dá)400 N。

1.3 雷擊斷線、跳閘機(jī)理

（1）雷擊裸導(dǎo)線時(shí)電弧的發(fā)展

當(dāng)直擊雷或感應(yīng)雷過電壓作用于裸導(dǎo)線引起絕緣子閃絡(luò)時(shí)，連續(xù)的工頻電流電弧因電磁力作用，沿導(dǎo)線向負(fù)荷側(cè)快速移動(dòng)，而溫度最高的弧根緩慢在導(dǎo)線上運(yùn)動(dòng)。溫度較低的弧腹在隨弧根向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，受到熱應(yīng)力的作用不斷向上空漂?。?－5］。在上述過程中，弧根沿導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，而不是固定的燃燒一點(diǎn)，所以不會(huì)集中燒傷導(dǎo)線，引起斷線的幾率也較小。

（2）雷擊絕緣導(dǎo)線時(shí)電弧的發(fā)展

架空絕緣導(dǎo)線線路遭受雷擊后，引起絕緣子閃烙并擊穿導(dǎo)線絕緣層，絕緣層呈針孔狀，連續(xù)的工頻短路電流電弧受周圍絕緣的阻隔，弧根受限于針孔處燃燒，急劇產(chǎn)生的高溫?zé)o法快速傳導(dǎo)，從而在極短的時(shí)間內(nèi)燒斷導(dǎo)線。運(yùn)行統(tǒng)計(jì)顯示，架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線大部分發(fā)生在離絕緣子與導(dǎo)線固定處100～400 mm范圍之內(nèi)，燒斷面整齊。

2 主要防雷措施

防雷的主要思路是使電弧在熔斷導(dǎo)線前瞬間熄滅或使電弧燃燒熔斷導(dǎo)線的時(shí)間延長至超過斷路器跳閘時(shí)間，從而通過斷路器跳閘滅弧、提高線路絕緣水平或避免產(chǎn)生雷電過電壓等。

2.1 提高線路絕緣水平

加強(qiáng)線路絕緣，采用較高絕緣水平的絕緣子，使雷電引發(fā)的工頻續(xù)流因爬距較大而無法建弧，可以全面提高配電架空線路的絕緣程度及耐雷水平。

2.2 安裝氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器由具有較好的非線性“伏—安”特性的氧化鋅電阻片組裝而成［6］。其特點(diǎn)是無放電延時(shí)，大氣過電壓后無工頻續(xù)流，可經(jīng)多重雷擊，殘壓低，基本免維護(hù)，但保護(hù)范圍較小，若全線安裝則成本較高，且避雷器的安裝密度與限制雷電感應(yīng)過電壓的水平成正比關(guān)系。

2.3 架設(shè)避雷線

架設(shè)避雷線是輸配電線路防雷保護(hù)的常用措施。其主要作用是防止雷直擊導(dǎo)線，同時(shí)還具有以下作用:

（1）分流作用，以減小流經(jīng)桿塔的雷電流。從而降低塔頂電位;

（2）通過對(duì)導(dǎo)線的耦合作用減小線路絕緣子的電壓;

（3）對(duì)導(dǎo)線的屏蔽作用可以降低導(dǎo)線上的感應(yīng)過電壓。

通常情況下，線路電壓愈高，采用避雷線的效果愈好，而且避雷線在線路造價(jià)中所占的比重也愈低。然而，對(duì)10kV的架空絕緣導(dǎo)線，通常只有一個(gè)針式絕緣子，裝設(shè)避雷線反而容易造成反擊而損壞絕緣導(dǎo)線及設(shè)備，且避雷線的安裝將使得線路的損耗增加，筆者所在單位僅于空曠處及水塘邊等部分架空線路段裝設(shè)避雷線。

當(dāng)避雷線于地面高度為h時(shí)，其保護(hù)范圍由下面公式計(jì)算。

式（1）中P為高度影響系數(shù)，hx為被保護(hù)線路及設(shè)備的高度，rx為避雷線每側(cè)保護(hù)范圍的寬度。

2.4 加裝過電壓保護(hù)器

過電壓保護(hù)器作用是在雷擊架空絕緣導(dǎo)線后，將雷電流引向保護(hù)器，并切斷工頻續(xù)流，限制雷電過電壓，避免絕緣子閃絡(luò)或擊穿，保護(hù)架空絕緣導(dǎo)線，以避免發(fā)生斷線事故。其特點(diǎn)是不承受工頻電壓，由非線性電阻限流元件串聯(lián)放電間隙組成，不需更換絕緣子，安裝方便，保護(hù)特性良好、結(jié)構(gòu)簡單免維護(hù)。

表2 幾種主要防雷措施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3 過電壓保護(hù)器的應(yīng)用情況

架空線路過電壓保護(hù)器是消化吸收日本、澳大利亞采用限流消弧角的工作原理，在國內(nèi)率先研制開發(fā)成功適合國情的防雷技術(shù)措施，填補(bǔ)了國內(nèi)防止架空導(dǎo)線雷擊斷線和跳閘新技術(shù)和新措施的空白［6－7］。它由非線性電阻限流元件串聯(lián)放電間隙組成，安裝在線路絕緣子上。其保護(hù)原理是當(dāng)雷電過電壓或其它故障原因引發(fā)對(duì)地閃絡(luò)形成金屬性電弧放電短路時(shí)，不銹鋼引流環(huán)可將kA級(jí)工頻續(xù)流直接引向氧化鋅非線性電阻限流元件，通過與絕緣子串聯(lián)間隙的引流環(huán)、氧化鋅非線性電阻限流元件的合理配合，在雷電過電壓的作用下通流動(dòng)作，釋放雷電過電壓能量，有效限制雷電過電壓。

為防止雷擊斷線和減少線路雷擊跳閘事故發(fā)生，有效提高配網(wǎng)運(yùn)行安全和供電可靠性，筆者所在單位于2008年在芳村 F10、增窖 F1和增窖F6共3條饋線上安裝了35組武漢雷泰電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的架空線路過電壓保護(hù)器。產(chǎn)品實(shí)物如圖1所示，其主要技術(shù)指標(biāo)如表3和表4所示。

圖1 XHQ5－12.7/36型過電壓保護(hù)器

表3 過電壓保護(hù)器主要性能

表4 保護(hù)器串聯(lián)間隙與保護(hù)性能（串聯(lián)間隙100±5 mm）

為了解運(yùn)行效果，對(duì)部分過電壓保護(hù)器的放電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

表5 過電壓保護(hù)器放電計(jì)數(shù)器記錄表

由表5可見，所監(jiān)測的9組過電壓保護(hù)器安裝運(yùn)行以來，累計(jì)放電290次，若以該值平均計(jì)算，則所安裝的35組過電壓保護(hù)器雷擊放電次數(shù)可達(dá)1 128次，保護(hù)效果顯著。

表6 芳村F10、增窖F1、F6三條饋線雷擊跳閘情況統(tǒng)計(jì)表

表6表明，裝設(shè)過電壓保護(hù)器后，芳村F10、增窖F1、F6三條饋線的雷擊跳閘次數(shù)減少，所占各饋線跳閘比例降低，其中增窖F6安裝過電壓保護(hù)器后雖有多次放電記錄，卻未曾發(fā)生雷擊跳閘事故。

4 存在問題與改進(jìn)措施

4.1 降低接地電阻

接地電阻阻值增大，將大大降低過電壓保護(hù)器泄導(dǎo)雷電流的能力，降低防雷效果，甚至引起反擊等相反作用，造成雷電危害事故。裝設(shè)完成后的引下線及接地體，其阻值主要受地形、氣候、濕度和季節(jié)的影響，應(yīng)盡可能選擇電阻率低的地方埋設(shè)引下線和接地體，加強(qiáng)接地電阻試驗(yàn)和地網(wǎng)整改工作，確保最佳防雷效果。表7為部分需改造地網(wǎng)阻值情況。

表7 部分需改造地網(wǎng)阻值統(tǒng)計(jì)表

4.2 提高線路絕緣水平

可提高絕緣子放電電壓從而增強(qiáng)絕緣線路的耐雷水平，將10 kV配電線路中采用的瓷絕緣子更換為瓷橫擔(dān)，或在絕緣導(dǎo)線與絕緣子的固定位置加強(qiáng)局部絕緣，使雷電不閃絡(luò)或閃絡(luò)后引發(fā)的接續(xù)工頻短路電流因爬距較大而無法建弧，保護(hù)絕緣導(dǎo)線不被燒傷。

4.3 與重合器配合使用

由于架空絕緣導(dǎo)線雷擊閃絡(luò)后大多能在跳閘后自行恢復(fù)絕緣性能，若在配網(wǎng)線路上裝設(shè)自動(dòng)重合裝置，將可大大提高供電可靠性，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，架空線路自動(dòng)重合閘成功率可達(dá)75% ～95%［7］。

5 結(jié)束語

運(yùn)行情況和上述分析結(jié)果表明:

（1）安裝過電壓保護(hù)器可有效防止架空絕緣導(dǎo)線發(fā)生雷擊斷線事故和降低雷擊導(dǎo)致線路開關(guān)跳閘概率，提高配網(wǎng)架空線路供電可靠性，應(yīng)推廣使用。

（2）若過電壓保護(hù)器安裝密度較小，則雷電流將集中在線路最薄弱的一個(gè)基桿上進(jìn)行釋放，可使該基桿保護(hù)器損壞，對(duì)雷擊頻繁的區(qū)域線路過電壓保護(hù)器的安裝應(yīng)覆蓋至各基桿，合理分配雷電流能量，減少保護(hù)器限流元件的損壞概率。

（3）線路過電壓保護(hù)器能有效限制雷電過電壓、斷路器不跳閘，不造成線路中斷供電;無需承受工頻電壓，不破壞絕緣導(dǎo)線絕緣層，免維護(hù);放電絕緣子安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，但應(yīng)加強(qiáng)絕緣導(dǎo)線絕緣層破口處的密封防水處理。

（4）接地電阻大小對(duì)過電壓保護(hù)器防雷效果影響較大，加強(qiáng)接地電阻測量和地網(wǎng)改造有利于增強(qiáng)線路防雷能力。

［1］譚湘海.輸電線路的防雷設(shè)計(jì)［D］.湖南:湖南大學(xué)，2004.

［2］吳維韓，何金良，高玉明.金屬氧化物線性電阻特性和應(yīng)用［M］:北京，清華大學(xué)出版社，1998.

［3］邵學(xué)儉，章瑋，周潔.過電壓保護(hù)器在10 kV架空絕緣導(dǎo)線防雷中的應(yīng)用［C］.浙江:第五屆輸配電技術(shù)國際會(huì)議，2005.

［4］陳維江，孫昭英，周小波，等.防止10 kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線用穿刺型防弧金具的研制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（20）:82 －84.

［5］陳維江，李慶峰，來小康，等.10 kV架空絕緣導(dǎo)線防雷擊斷線用防弧金具研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2002，26（9）:25 －29.

［6］方瑜.配電網(wǎng)絡(luò)過電壓［M］.北京:中國電力出版社，2002.

［7］丁毓山，羅毅.配電線路［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.2.