10 kV架空絕緣導線防雷擊斷線措施研究

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(國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 615000)

0 引 言

10 kV架空絕緣導線與裸導線相比，因絕緣性能提升，線路相間安全距離縮短，可通過增加同桿架設線路回數(shù)的方式有效提高線路走廊利用率。同時，絕緣導線還可有效緩解城市綠化中的線樹矛盾，減少環(huán)境污穢對導線的直接影響，降低線路接地故障率和運維人員工作量。與電纜相比，又具有投資省、建設快的經(jīng)濟優(yōu)勢，因此在配電網(wǎng)建設中廣泛使用架空絕緣導線已成為主要發(fā)展方向[1]。但在實際運行中，絕緣導線遭受雷擊的可能性不比裸導線少，且雷擊絕緣導線后斷線概率較高，故障查找和恢復困難，不利于供電可靠性的提升。同時，絕緣導線斷線后不一定會引起保護動作，在此情況下掉落的導線極易造成人身觸電傷害和公眾財產(chǎn)損失。因此，探究行之有效的絕緣線防雷措施對促進配電網(wǎng)的健康發(fā)展具有非常重要的意義。

1 絕緣導線雷擊斷線原因分析

當雷擊導線或線路附近時，直擊雷或感應雷過電壓作用于導線，若該電壓超過線路的耐雷水平，將導致線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡[2]。雷電過電壓的持續(xù)時間很短，通常情況下只有幾十微秒，此時若閃絡電弧熄滅，則線路絕緣恢復，不會造成嚴重影響。但閃絡發(fā)生后，弧道內(nèi)因有游離電子的存在，通常情況下容易在工頻電壓作用下于閃絡通道內(nèi)持續(xù)流過短路電流，即形成工頻短路電弧，該電弧的弧根溫度達到數(shù)千攝氏度。對于裸導線，電弧在電磁力的作用下，弧根沿導線表面不斷滑移，在嚴重灼傷導線或絕緣子前，斷路器動作，電弧被切斷。而對于絕緣線，因受周圍絕緣的阻凝，電弧只能在閃絡位置處(對于絕緣導線該位置呈針孔狀)持續(xù)燃燒，能量集中于一點。鋁材在高溫下強度低、塑性差、易產(chǎn)生裂紋，因此導線在自身拉力和電弧電磁力的多重作用下將在極短的時間內(nèi)發(fā)生斷線。

2 絕緣導線防雷擊斷線措施分析

根據(jù)上述架空絕緣導線線路雷擊斷線機理分析可以看出，防雷擊斷線措施可考慮以下三方面：一是提升線路本身的耐雷水平，防止線路絕緣子等發(fā)生沖擊閃絡；二是降低沖擊閃絡發(fā)生后的建弧率，遏制工頻短路電弧的產(chǎn)生；三是改變電弧的灼燒路徑，使其至少不集中于一點灼燒導線。

2.1 提升線路耐雷水平

當雷電過電壓超過線路絕緣子50%放電電壓時，絕緣子將發(fā)生閃絡。而架空導線上的雷電過電壓與線路高度、雷擊點與線路的距離、雷電參數(shù)、桿塔型式、高度和接地電阻等有關。提升線路耐雷水平，一是可采取增加絕緣子片數(shù)、更換絕緣子型號(如將瓷絕緣子更換為硅橡膠復合絕緣子等)、改善絕緣子性能等方式提升絕緣子50%放電電壓，并可通過將裸導線更換成為絕緣導線、在導線與絕緣子之間增加絕緣皮、將鐵橫擔更換為絕緣橫擔等方式增加線路的絕緣水平；二是可以通過架設避雷線、加裝避雷器、降低桿塔高度、改善桿塔接地電阻等方式降低導線上的雷電過電壓，避免絕緣子發(fā)生閃絡。

架設避雷線和加裝避雷器均是希望借助避雷線和避雷器的對雷電流的分流作用，降低桿塔與導線之間的電位差，確保其小于絕緣子50%放電電壓而保護絕緣子不發(fā)生閃絡。避雷線對導線有屏蔽和耦合作用，可以有效降低導線的感應過電壓[3]。但因10 kV線路本身絕緣水平設計較低，架設避雷線后線路感應過電壓仍易導致絕緣子閃絡，防護效果沒有高電壓等級的線路防護效果好，因此除在直擊雷頻繁的區(qū)域可選擇架設避雷線外，一般原則上不采用。

相對來講，安裝避雷器是比較好的防雷措施。線路避雷器并聯(lián)在絕緣子附近，當線路上的過電壓超過避雷器的放電電壓時，避雷器先行放電，加在絕緣子上的電壓始終被限制在避雷器的殘壓范圍，可有效防止絕緣子發(fā)生閃絡，雷電流過后避雷器還能限制工頻短路電弧的產(chǎn)生，因此其具有優(yōu)越的保護性能。但避雷器的保護范圍僅為裝設避雷器的當基桿塔，全線使用建設成本較高，且避雷器本體長期工作在運行電壓下，加上雷擊時的過電壓沖擊，容易發(fā)生老化并且不易被察覺，運行維護難度較高。為彌補上述不足，出現(xiàn)了帶外間隙的氧化鋅避雷器，亦稱線路過電壓保護器(如圖1所示)。

圖1 線路過電壓保護器示意圖

避雷器只有在一定幅值的雷電過電壓作用下串聯(lián)間隙擊穿后才處于工作狀態(tài)，正常運行時不承受工頻電壓，且因并聯(lián)了放電間隙，其絕緣外套的爬電距離可以有所減小，即可減少避雷器的閥片數(shù)量，降低造價。因串聯(lián)間隙的隔離作用，即使避雷器電阻片劣化，也不至于影響線路的正常運行，工作可靠性較高。但在實際應用中，因避雷器需要接地良好，敷設接地體不僅增加額外成本而且在很多場合難于實現(xiàn)，限制了線路過電壓保護器的應用范圍。

此外，適當考慮降低桿塔高度亦是降低雷電過電壓的有效方式。根據(jù)規(guī)程DL/T 620-1997[4]，在距架空線路>65 m處，雷云對地放電時，線路上產(chǎn)生的感應過電壓最大值可按下式計算。

式中，Ui為雷擊大地時感應過電壓最大值，kV；I為雷電流幅值，kA；hc導線平均高度，m；s為雷擊點與線路的距離，m。

可見，導線的感應過電壓與桿塔高度密切相關，有學者研究表明，在同等條件下，12 m的桿塔雷擊跳閘率較15 m的桿塔相比可以下降11%[5]。

2.2 降低絕緣子閃絡后的建弧率

線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡后形成的工頻短路電弧是導致架空絕緣導線雷擊斷線的根本原因。工頻短路電弧的產(chǎn)生與系統(tǒng)運行方式和閃絡路徑密切相關。

工頻短路電弧的建立很大程度上依賴于系統(tǒng)電容電流的大小。當線路絕緣子在雷擊閃絡后，若系統(tǒng)的電容電流大于絕緣子的自然熄弧值，則會形成持續(xù)的工頻短路電弧。工頻短路電弧的持續(xù)燃燒不僅會造成絕緣導線斷線，還因其對周圍空氣存在電離作用，降低空氣間隙的絕緣強度，容易使故障發(fā)展為相間短路和多回線短路，造成線路跳閘。因此，在配電網(wǎng)中采用中性點經(jīng)消弧線圈接地運行方式，對電網(wǎng)電容電流進行實時檢測和調(diào)整補償，使補償后的電容電流小于絕緣子的自然熄弧值，將是控制配電網(wǎng)雷擊絕緣子閃絡后建弧率的良好方式[6]。

另一方面，通過增長閃絡后的電弧放弧路徑也是降低工頻短路電弧建弧率的有效措施。俄羅斯國家電力公司就提出可以在橫擔上安裝一U形絕緣棒。在U形絕緣棒頭部將絕緣剝開，使U形絕緣棒頭部與導線之間空氣間隙的沖擊放電電壓比絕緣子50%放電電壓低，當線路上出現(xiàn)雷電過電壓時，此間隙先于絕緣子擊穿閃絡，閃絡路徑由此段間隙與絕緣棒構(gòu)成，當閃絡路徑長度增至足夠長時，就可阻止工頻續(xù)流建弧。但此種方式存在間隙選擇即絕緣配合難度大且不利于同桿多回線路的架設，因此應用范圍有限。

2.3 改變電弧的灼燒路徑

絕緣導線斷線的原因主要是短路電弧只能集中于一點持續(xù)灼燒，因此如果能夠改變電弧的灼燒路徑，則絕緣導線的斷線概率將大大降低?；诖耍霈F(xiàn)了用于改變電弧路徑的放電線夾，亦稱防弧(雷)金具，其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 防雷金具安裝示意圖

其工作原理為高壓電極與低壓電極構(gòu)成G1、G2兩個間隙，其中G1為雷電放電間隙，G2為工頻電弧燃燒間隙。在雷電沖擊過電壓的作用下，G1間隙首先放電，沖擊放電后形成的工頻短路電弧在電磁力的作用下由G1迅速移動至G2間隙上燃燒，從而保護了絕緣導線免于斷線[7]。從放電線夾的工作原理可以看出，其只能防止絕緣導線斷線而對于降低雷擊跳閘率，作用不明顯。放電線夾還分為穿刺型和裸露型，穿刺型線夾因安裝時無須剝離絕緣導線絕緣層，避免了可能引起的絕緣導線線芯進水，防止了導線弧垂處電化學腐蝕斷線事故，因此實用價值比裸露型要高?；谙嗤墓ぷ髟?，日本東京電力公司開發(fā)了放電鉗位絕緣子(防雷絕緣子)，芬蘭研發(fā)了閃絡保護懸垂線夾。其工作原理均為在絕緣導線固定處剝離絕緣層，并加裝特殊設計的金屬線夾。當雷電過電壓閃絡引發(fā)工頻短路電弧后，電弧在金屬線夾兩極之間燃燒直至線路跳閘，保護了導體免受損傷[1]。

3 實際應用情況分析

本單位自2009年以來開始對所轄配電網(wǎng)進行大規(guī)模的絕緣化改造，之后的新建配電網(wǎng)工程基本全部采用架空絕緣線與電纜混合架設方式。隨著配電網(wǎng)架空絕緣線路及電纜的增多，架空絕緣導線雷擊斷線的矛盾日益突出。為確保線路的安全穩(wěn)定運行及防止因雷擊斷線導致的傷害事故，本單位根據(jù)現(xiàn)有技術條件，采取了一系列措施，對配電網(wǎng)線路進行了防雷整治。

一是公司在對10 kV配電網(wǎng)線路進行絕緣化改造的同時，除將架空裸導線更換為絕緣導線外，還將原瓷橫擔絕緣子更換為復合絕緣子，增加了絕緣子的爬電距離，提升了線路的耐雷水平。二是對110 kV桂湖變電站等進行了消弧線圈改造，將原有的10 kV中性點不接地系統(tǒng)改為經(jīng)消弧線圈接地，實現(xiàn)了對大電容電流的補償，降低了閃絡后的建弧率。三是在重要道路跨越處兩側(cè)，分段開關、配電變壓器電源側(cè)及電纜引下線處加裝了避雷器，同時在絕緣導線每基桿塔進行了防雷金具安裝。實際運行情況表明，上述措施有效降低了配電網(wǎng)雷擊故障跳閘率及斷線概率。

表1為某單位近4年10 kV配電網(wǎng)線路雷擊跳閘次數(shù)統(tǒng)計值。

表1 新都10 kV配電網(wǎng)線路雷擊跳閘次數(shù)統(tǒng)計表

* 數(shù)據(jù)采自“四川電網(wǎng)雷電智能監(jiān)測系統(tǒng)”

從表1中可以看出，2013年新都地區(qū)總雷電數(shù)與2010年基本相當，但雷擊跳閘次數(shù)和斷線次數(shù)在線路總條數(shù)增加35%的情況下分別下降了58.1%和33.3%。

在2013年發(fā)生的斷線事故中，未安裝防雷金具的占兩起，斷線處防雷金具安裝質(zhì)量不合格的占三起。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，防雷金具作為防止絕緣導線雷擊斷線的最后一道屏障，應用效果還是比較明顯的。絕緣導線安裝了防雷金具后仍然發(fā)生雷擊斷線事故，主要還是因為防雷金具的安裝工藝不滿足要求引起。在防雷金具安裝質(zhì)量不合格的三起斷線事故中，一起是因為防雷金具安裝在了絕緣子的電源側(cè)，而另兩起存在防雷金具安裝時穿刺線夾未完全刺透絕緣層，高壓電極與導線接觸不充分以及防雷金具高低壓電極之間的間隙距離過大等問題。

回到防雷金具的工作原理可以看出，其安裝過程中需要注意的技術關鍵點至少包括以下3點：一是高低壓電極之間的距離即G1間隙要與絕緣子的閃絡電壓良好配合，既要保證其先于絕緣子放電又不能在正常過電壓作用下發(fā)生閃絡，廠家附帶的產(chǎn)品說明書中會根據(jù)絕緣子型號對該間隙給出推薦數(shù)值，一般為125～180 mm。二是G1、G2間隙的排列方向應為電源側(cè)到負荷側(cè)的方向(即防雷金具應安裝于線路絕緣子的負荷側(cè))，因為電弧在電動力作用下，是由電源側(cè)向負荷側(cè)移動，若安裝方向相反，電弧在電動力作用下依然會集中灼燒導線。三是對于穿刺型防雷金具，安裝時一定要對稱擰緊壓力螺母(對有備緊螺母的還應擰緊備緊螺母以防止壓力螺母松動)，使穿刺線夾刺透絕緣層后與高壓導線形成良好接觸，達到足夠的導流截面，才能對電弧起到良好的疏導作用。

4 結(jié) 論

綜上所述，從實際運行角度出發(fā)，10 kV架空絕緣導線防雷擊斷線措施：一是進行絕緣子改造，選用具有高放電電壓的絕緣子，提升線路本身耐雷水平，降低線路遭受雷擊后的絕緣子閃絡概率；二是在電纜線路較多，系統(tǒng)電容電流較大的變電站改用中性點經(jīng)消弧線圈接地運行方式，降低絕緣子閃絡后的工頻短路電弧建弧率；三是除在特殊重點部位進行避雷器安裝外，在絕緣導線其余桿塔上應逐基加裝防雷金具，并且在安裝過程中嚴格執(zhí)行工藝要求，確保防雷金具發(fā)揮應有作用。

[1] 章偉.10 kV 架空配電線路防雷措施研究與應用[D].上海：上海交通大學,2012.

[2] 邵學儉,周浩.10 kV架空絕緣導線防雷擊技術研究[J].浙江電力,2006(4):22-25.

[3] 陳俊,施中郎.10 kV 架空絕緣導線防雷措施[J].電力設備,2007,8(8):51-55.

[4] 中華人民共和國電力工業(yè)部.交流電氣裝置絕緣的過電壓保護和絕緣配合[S].北京:中國電力出版社,1997.

[5] 10 kV架空配電線路防雷水平分析及提高方法的研究[D].成都：西南交通大學,2009.

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

[7] 李景祿.配電網(wǎng)自動跟蹤補償消弧裝置[J].高壓電器,1999,35(5):42-44.