江西10 kV配電線路雷害技術分析及措施研究

王華云，蔡木良，張 宇，安 義，章叔昌，鄭蜀江

（國網江西省科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

江西省是我國雷電多發(fā)的省份之一。頻繁的雷電活動是影響江西電網設備安全運行的主要因素之一，強大的雷電流可破壞電網設備的絕緣和機械結構，導致電力設備停運和供電中斷，對國民生產生活帶來影響。江西配網10 kV線路絕緣水平較低，且一般無線路防雷措施，不僅受到直擊雷的影響，同時也會因雷擊地面產生的感應過電壓影響而發(fā)生絕緣子閃絡。據統(tǒng)計，雷擊是引起江西配網10 kV線路跳閘的首要原因。因此，開展10 kV線路防雷技術分析及措施研究對保障電網安全穩(wěn)定運行具有重要作用，將對配網規(guī)劃、設計、建設、技術改造等工作具有指導意義。

1 江西配網10 kV線路雷害現(xiàn)狀分析

據統(tǒng)計分析及現(xiàn)場調研，江西省10 kV線路雷害有如下特點：

1）雷擊跳閘率高。

2014年1-6月，江西電網10 kV線路跳閘9 698次，其中雷擊跳閘3 694次，占總跳閘的38.02%，雷擊跳閘率高達5.005[次/（百公里·年）]，是引起線路跳閘的首要原因，詳見表1和圖1所示。

表1 2014年1-6月10 kV線路跳閘原因分類統(tǒng)計

圖1 2014年1-6月10 k V線路跳閘原因分類統(tǒng)計

2）瞬時故障多，故障原因存在誤判，故障點查找困難。

2014年3月，宜豐、新干、石城等縣公司配電線路雷擊瞬時故障與雷擊跳閘總次數(shù)之比超過了80%。生產實時管控系統(tǒng)中填報為雷擊故障的部分線路，在雷電定位系統(tǒng)進行雷電數(shù)據查詢，發(fā)現(xiàn)故障前后20 min內線路附近無雷電活動，詳見表2。

表2 2014年1-6月10 k V線路跳閘原因分類統(tǒng)計

線路在雷雨天氣下發(fā)生的瞬時故障，除雷擊的原因外，還可能存在樹障或風偏等其他原因。雷擊瞬時故障大部分表現(xiàn)為絕緣子表面閃絡，沒有明顯故障痕跡，且線路無故障測距裝置，運檢人員進行故障查找時，僅憑肉眼觀察，很難找出故障點，并正確區(qū)分線路跳閘原因。特別是農網部分線路路徑長，分支多，故障查找范圍大，線路走廊交通不便，故障查找困難。雷雨天氣線路發(fā)生跳閘，運檢人員憑經驗和感覺判斷為雷擊跳閘，使得部分線路跳閘原因存在誤判，制定的改造措施也就缺乏針對性。

3）雷電活動區(qū)域廣，線路雷擊跳閘條數(shù)多，重復跳閘嚴重。

2014年1-6月，全省1779條10 kV線路發(fā)生過雷擊跳閘，共計3687次，其中跳閘4次及以上的線路有251條（占比14.1%），該251條線路雷擊跳閘共1299次，占雷擊跳閘總次數(shù)的35.2%，如圖2所示。

圖2 2014年1-6月雷擊跳閘線路條數(shù)統(tǒng)計

2 江西配網10 kV線路雷害原因分析

2.1 10 kV線路基本無防雷措施

目前，江西電網絕大部分10 kV線路建設時未考慮線路的防雷措施。當線路遭受雷擊時，在線路上產生的雷電過電壓會引起線路絕緣子閃絡。此時，線路可能會發(fā)生跳閘、斷線、設備損壞等故障。

1）10 kV線路上方有高電壓等級線路跨越或有高電壓等級線路與其同桿架設時，更易因雷擊而引起線路跳閘。相比10 kV線路而言，高電壓等級線路空間高度更高，更易引雷。10 kV線路絕緣水平遠低于高電壓等級線路，雷擊高電壓等級線路時，在10 kV線路上會產生較高的雷電過電壓，容易引起線路跳閘。圖3為與110 kV線路同桿架設的10 kV洪達II線，4號桿曾發(fā)生A、B相導線雷擊斷線。

圖3 10 kV洪達II線與110 kV線路同桿架設

2）雷電易擊區(qū)的絕緣導線未采取防雷擊斷線措施，雷擊容易引起斷線。架空裸導線雷擊閃絡時，接續(xù)工頻電弧在電動力的作用下沿著導線向背離電源方向移動，在工頻續(xù)流燒斷導線之前引起斷路器動作；而架空絕緣導線雷擊閃絡時，絕緣層阻礙了接續(xù)工頻電弧在其表面滑移，高溫弧根被固定在絕緣層擊穿點，在斷路器動作之前燒斷導線。圖4為10 kV南變Ⅰ線、南變Ⅱ線絕緣導線遭雷擊斷線、設備受損情況照片。

圖4 10 k V南變Ⅰ線、南變Ⅱ線絕緣導線遭雷擊

3）線路雷擊閃絡后，產生的工頻續(xù)流容易燒壞設備。當兩相接地位于不同橫擔時，短路電流會在導線、橫擔、抱箍、桿塔、大地之間形成回路，容易在抱箍與水泥桿接觸位置產生電弧，使得絕緣子炸裂，抱箍斷裂，電桿燒穿。圖5為10 kV歐爾瑪Ⅱ回36號桿遭雷擊情況。

圖5 10 kV歐爾瑪Ⅱ回遭雷擊

2.2 10kV線路絕緣水平低

江西配網，尤其是農網10 kV線路直線桿的絕緣配置以P-15型針式絕緣子為主，其U50%沖擊放電電壓較低，耐雷水平差，雷擊閃絡率高。當針式絕緣子老化較為嚴重或者內部存在缺陷時，容易內部擊穿，導致炸碎。如10 kV中畈線饒園支線、10 kV歐爾瑪Ⅱ回等線路絕緣子曾遭雷電擊穿。

2.3 配電設備缺少有效的防雷保護設施

江西農網部分未改造臺區(qū)的配電變壓器低壓側沒有安裝避雷器，且配電變壓器低壓側所帶低壓線路長，雷電波容易從低壓線路入侵配電變壓器，引起絕緣擊穿，導致變壓器損壞；部分柱上開關未安裝避雷器保護或僅在開關一側安裝，線路遭雷擊時，容易引起開關損壞。如圖6所示，10 kV朱坑線鄒陳分干線分界開關兩側均未安裝避雷器保護，雷電引起柱上開關內部擊穿。

圖6 10 k V朱坑線分界開關缺乏避雷器保護遭雷擊損壞

2.4 避雷器接地不規(guī)范

部分設備防雷保護避雷器與外殼分開接地，雷電流流過時，設備主絕緣承受的電壓，為避雷器殘壓與雷電流在接地引下線和接地裝置上的壓降之和，可能導致設備主絕緣擊穿。如10 kV朱坑線潭石林家村公變，雖安裝了避雷器保護，但避雷器接地不規(guī)范，避雷器接地線未與變壓器中性點及外殼直接聯(lián)接，沒有起到保護變壓器的作用，雷擊導致潭石林家村公變內部擊穿。

2.5 部分避雷器老化嚴重

部分避雷器投運年限較長，特別是一些復合外套無間隙避雷器，老化嚴重，性能下降，外表很難看出異常，一旦通過雷電流，極有可能擊穿，造成單相接地或相間短路。如10 kV集鎮(zhèn)線黃家臺區(qū)，由于B相避雷器老化，曾發(fā)生避雷器擊穿故障。

3 10 kV線路雷擊跳閘理論與措施分析

3.1 10 kV線路雷擊跳閘機理

配電線路上的雷電過電壓分直擊雷過電壓和雷電感應過電壓兩種。直擊雷過電壓由雷云放電擊中架空線路產生，因配電線路絕緣水平低、相間距離小，直擊雷容易造成多相閃絡。雷電感應過電壓由雷電擊中架空線路附近大地或者地面上物體，通過電磁感應在線路上產生。三相導線上的雷電感應過電壓極性相同、幅值相近，不會直接引起相間短路，但容易引起多相對地閃絡。

雷電沖擊閃絡過后，弧道內仍有一定程度的游離離子，在工頻電壓的作用下，將有短路電流流過閃絡通道，形成工頻電弧。當雷擊引起線路兩相或三相對地短路，一種情況是相對地電弧通過橫擔形成相間電弧，另一種情況是相對地電弧在電磁力和熱應力的作用下，弧腹向絕緣子負荷側的上空漂移，在空中交匯也可能發(fā)展成相間電弧，形成相間短路，使開關保護動作，線路跳閘。

3.2 絕緣導線雷擊斷線機理分析

當架空絕緣導線遭到雷擊后，直擊雷或感應雷作用于絕緣導線時，雷電過電壓將擊穿導線的絕緣層，同時導致絕緣子閃絡。在工頻電壓的作用下可能會形成工頻電弧，此時電弧的弧根因為絕緣層的阻力而不能移動，弧根始終固定在擊穿孔位置。相間短路電流幅值達幾kA至十幾kA，弧根溫度升至幾千度，加之導線自重產生的拉力，芯線瞬間熔化斷開；當雷擊引起絕緣線路單相對地短路，由于江西10 kV配電網采用中性點非有效接地方式，允許線路帶單相接地故障運行一段時間，小電流電弧長時間燒灼導線同一位置，也會燒損導線導致斷線。

3.3 不同型號絕緣子耐雷水平分析

依據標準DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》，在沒有任何防雷措施的前提下，運用規(guī)程法，對不同型號絕緣子的10 kV線路計算雷擊跳閘率，并進行對比分析。10 kV線路直線桿常用的絕緣子的型號參數(shù)如表3所示。

表3 不同型號絕緣子的標準雷電沖擊耐受電壓

以江西省典型農網10 kV線路為例，取兩根邊相導線間的距離0.001 km、線路弧垂高度0.008 km，每平方公里·年的落雷個數(shù)為1，運用規(guī)程法計算結果如表4所示。可知，對于10 kV線路，感應雷過電壓導致線路跳閘次數(shù)約占雷擊跳閘總數(shù)的80%。

表4 不同型號絕緣子雷擊跳閘率計算結果

對同條線路在相同的落雷情況下，將P-15型針式絕緣子更換為PS-20（R8ET125）型柱式絕緣子，線路雷擊跳閘率可降低38.6%，其中直擊雷跳閘率可降低30.8%，感應雷跳閘率可降低40.8%。因此，通過使用PS-20（R8ET125）型柱式絕緣子提高線路的絕緣水平可有效降低線路雷擊跳閘率。同時，考慮柱式絕緣子額定彎曲破壞負荷相對較小，建議在直線桿采用PS-20型柱式絕緣子。

除絕緣水平較高之外，柱式絕緣子屬A型絕緣子，為不可擊穿型，其經由固體絕緣材料內的最短擊穿距離至少等于經由絕緣子外部空氣最短干弧距離的1/3（環(huán)氧樹脂澆鑄絕緣子）或1/2（其他有機材料、瓷及玻璃），雷擊不會導致瓷瓶炸碎。而針式絕緣子屬B型絕緣子，其經由固體絕緣材料內的最短擊穿距離小于經由絕緣子外部空氣最短干弧距離的1/3（環(huán)氧樹脂澆鑄絕緣子）或1/2（其他有機材料、瓷及玻璃），運行中容易產生擊穿、損壞現(xiàn)象。因此，用柱式絕緣子替代針式絕緣子可減少雷擊瓷瓶擊穿、炸碎事件。

3.4 配網防雷措施效果分析

3.4.1 防雷措施對比分析

1）優(yōu)先選用帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。在電網正常運行下，避雷器承受工頻電壓，不動作，而在直擊雷或感應雷產生的雷電過電壓作用下，避雷器導通，將電流泄放入地。雷電沖擊過后，避雷器本體電阻瞬間變大，絕緣迅速恢復，工頻續(xù)流被遮斷，因雷電流沖擊閃絡時間很短（幾十微秒），變電站開關來不及動作，有效的避免了絕緣導線被燒斷或線路跳閘。建議在配電線路中選用帶外串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。

2）架設避雷線。避雷線降低直擊雷危害效果明顯，也能有效減小感應雷過電壓幅值與來波陡度，但由于10 kV線路耐雷水平較低，極易造成反擊，從而導致線路跳閘。架設避雷線對于老線路而言，面臨改造較多、投資較大、施工較為困難；對于新線路經濟效益也不明顯。

3）安裝穿刺型防弧金具或剝線型放電箝位絕緣子。當雷電過電壓超過一定數(shù)值時，在防弧金具的穿刺電極和接地電極之間會引起閃絡，形成短路通道，接續(xù)的工頻電弧便在防弧金具上燃燒，以保護導線免于燒傷和燒斷。此種方法會降低線路絕緣水平，提高線路雷擊跳閘率，不推薦使用。

3.4.2 安裝避雷器的防雷效果案例分析

1）南昌經開區(qū)運維10 kV線路18條，防雷改造后架空絕緣導線、設備遭受雷擊故障明顯減少，詳見表5。

表5 南昌經開區(qū)10 k V線路防雷改造效果對比

2）吉安城禾Ⅰ線、Ⅱ線，通過防雷改造后，雷擊跳閘率大幅下降，詳見表6。

表6 吉安10k V城禾Ⅰ線、Ⅱ線防雷改造效果對比

4 結論

通過前述分析，可以得出以下結論：

1）江西省雷電活動強烈，地閃密度高，配網10 kV線路耐雷水平低，且未裝設有效防雷設施，這是線路雷擊跳閘率偏高的主要原因。

2）配電設備缺少有效的防雷保護設施，如未安裝避雷器保護、避雷器老化、接地不規(guī)范等，是導致配電設備雷擊損壞的主要原因。

3）提高線路絕緣水平可較大程度降低雷擊跳閘率。

4）通過已采取防雷措施的10 kV線路運行效果來看，安裝避雷器，并改良接地電阻，可以降低線路雷擊跳閘率和減少絕緣導線雷擊斷線。

5 措施與建議

1）提高10 kV線路絕緣水平。柱式絕緣子為不可擊穿型，可避免雷擊瓷瓶炸碎，采用絕緣水平更高的柱式絕緣子（如PS-15/500、PS-20型）替代老舊針式絕緣子（如P-10型或運行10年以上的P-15型），提高線路絕緣水平，降低絕緣子雷擊閃絡率，減少瓷瓶炸碎等事件。

2）開展10 kV線路防雷改造?？紤]線路的重要性、負荷性質，根據線路走廊地閃密度分布及歷史雷擊故障情況，結合不同導線類型、多雷擊的微地形區(qū)、大跨越及是否與高電壓等級線路同桿、臨近、交叉跨越等實際情況，對線路雷電易擊區(qū)段桿塔安裝帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，進行防雷改造。

3）優(yōu)化線路路徑。規(guī)劃設計新線路時，線路路徑盡量避開多雷、強雷區(qū)，如無法避開，可安裝線路避雷器進行保護，條件允許時也可采用電纜下地方式。已建線路進行防雷改造時，除安裝避雷器外，可通過改變線路路徑或電纜下地的方式避開局部多雷擊的微地形區(qū)。

4）10 kV線路雷雨天氣跳閘時，利用雷電定位系統(tǒng)，查詢故障時刻前后10 min內，線路走廊1 km范圍內落雷情況，判斷線路是否因雷擊跳閘。若查詢范圍內存在落雷，則判斷線路可能因雷擊而引起跳閘，運檢人員可對落雷位置附近的線路區(qū)段優(yōu)先進行巡視，查找故障點。

5）在變電站出線第一基桿塔安裝帶接地指示功能的故障指示器，可輔助確認發(fā)生單相接地故障線路。在雷擊跳閘頻繁的10 kV線路的分段點、用戶T接處、重要分支線接入點、電纜與架空線路連接處優(yōu)先裝設故障指示器，輔助查找故障點，減少故障查找時間。

6）加強對設備保護避雷器的安裝及其接地的維護工作。無有效防雷設施保護的配電設備（包括配電變壓器、柱上開關、電纜等），應安裝避雷器并進行接地改造，確保防雷設施處于良好狀態(tài)。

7）開展避雷器周期性巡檢及診斷試驗工作。在雷雨季節(jié)之前開展避雷器外觀檢查、紅外測溫等巡檢項目，檢查無間隙避雷器本體及電氣連接部位有無異常溫升。避雷器閥片受潮或老化時，會引起整體發(fā)熱或局部發(fā)熱，當溫差超過0.5 k時，溫升異常。對溫升異常的避雷器應進行直流1 mA下的參考電壓測試和0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流試驗。