探析線路避雷器在提高10KV配電線路防雷性能應(yīng)用

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽(yáng)江供電局 529500

摘要：以某供電所配電線路10KV配電線路跳閘故障數(shù)據(jù)為樣本，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)對(duì)比得到10KV配電線路跳閘的主要原因。結(jié)合配線路感應(yīng)雷跳閘的特征，建立了避雷器感應(yīng)雷跳閘模型。根據(jù)感應(yīng)雷頻率的變化規(guī)律，提出了有效的防雷措施。

關(guān)鍵詞：10KV配電線路；避雷器；雷擊故障點(diǎn)

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)電能的質(zhì)量越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)供電的可靠性要求越來(lái)越高[1]。配電線路的建設(shè)任務(wù)也越來(lái)越重大。所有學(xué)過(guò)中國(guó)地理的人都知道，中國(guó)南方各省，大部分都是丘陵或者山地中，而且夏季受大陸季風(fēng)氣候的影響，夏季多雷電。南方各省的配電線路常處于雷電頻繁的地區(qū)，增加量雷擊事故的發(fā)生。中國(guó)中壓配電網(wǎng)主要采用10KV和35KV電壓等級(jí)，其中10KV配電網(wǎng)絡(luò)所占比例超過(guò)80%。10KV架空配電線路因其自身絕緣水平低、分布廣，造成跳閘故障居高不下。在跳閘事故中，雷擊所占比例很大[2].配電線路的主要防雷措施為：架設(shè)避雷線、加裝耦合底線、改善保戶角、降低桿塔接地電阻、增加絕緣子數(shù)量、裝設(shè)自動(dòng)重合閘裝置等等。以上方法能有效降低線路跳閘次數(shù)。但在繞擊雷、反擊雷對(duì)輸電線路造成影響以及高土壤電阻率的線路桿塔防雷問(wèn)題上，仍得不到特別有效的解決方法。

隨著現(xiàn)代合成材料的應(yīng)用和發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始安裝避雷器在配電線路易受雷擊的地段和桿塔，以提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率，提高線路的穩(wěn)定性，降低雷擊跳閘的次數(shù)，確保輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文將探析線路避雷器在10KV配電線路防雷性能。

1 避雷器的工作原理

避雷器是一種連接在導(dǎo)線和大地之間的防止雷擊的設(shè)備，安裝的時(shí)候通常與被保護(hù)設(shè)備并列。線路在正常工作電壓下運(yùn)行時(shí)，避雷器不會(huì)工作，處于短路狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)高電壓，避雷器立即動(dòng)作，將高壓電流導(dǎo)向大地，從而穩(wěn)定了電壓幅值，保護(hù)電氣設(shè)備絕緣。當(dāng)過(guò)電壓消失后，避雷器恢復(fù)原狀，保證供電系統(tǒng)的正常供電。避雷器主要通過(guò)并聯(lián)放電間隙的作用，對(duì)流動(dòng)波進(jìn)行削幅，降低被保護(hù)設(shè)備所受過(guò)電電壓幅值，從而保護(hù)電力設(shè)備，避免了因電力設(shè)備受損，帶來(lái)的線路跳閘問(wèn)題。

圖表 1 避雷器和被保護(hù)電力設(shè)備

圖1 說(shuō)明，線路避雷器的伏一秒特性比被保護(hù)的伏一秒特性的配合關(guān)系，雷繞擊時(shí)，避雷器伏一秒特性要比被保護(hù)設(shè)備的伏一秒特性低15%以上；雷反擊時(shí)，可以低20%以上。

避雷器的作用主要用于降低輸電網(wǎng)絡(luò)的雷擊跳閘次數(shù)，并非限制操作過(guò)電壓。避雷器在電路出現(xiàn)高電壓時(shí)，就會(huì)工作，保護(hù)電力設(shè)備免受損害。

2 10KV 配電線路的感應(yīng)雷跳閘的原因

在我國(guó)，輸電網(wǎng)絡(luò)中≤60KV電壓等級(jí)的，一般采用中性點(diǎn)非直接接地的方式。當(dāng)一相絕緣閃絡(luò)后，接地電流非常小，電弧也會(huì)很快自熄，不會(huì)發(fā)生跳閘現(xiàn)場(chǎng)，線路可以繼續(xù)供電；但當(dāng)放生兩相絕緣閃絡(luò)時(shí)，則會(huì)形成相位間短路，引起線路跳閘，導(dǎo)致供電的中斷。圖2 設(shè)定10KV 線路附近招雷擊時(shí)，線路附近大地感應(yīng)雷過(guò)電壓示意圖。由圖2 可知，雷擊點(diǎn)與線路的水平距離為S。當(dāng)放生雷擊時(shí)，A、B、C三相電同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)A、B、C，任意兩相產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓大于絕緣子串最大電壓值U50%時(shí)，將同時(shí)對(duì)地閃絡(luò)，造成相間短路，導(dǎo)致線路跳閘；當(dāng)A、B、C三相同時(shí)大于絕緣子串最大電壓值U50%時(shí)，三相幾乎同時(shí)對(duì)地閃絡(luò)，造成三相短路，使線路跳閘。雷擊大地使配電線路的導(dǎo)線產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓公式為：

（1）

式中：I 表示雷的電流，一般不大于100KA；hc表示線路平均高度；S表示雷擊點(diǎn)距線路的水平距離；

研究表明，當(dāng)雷擊點(diǎn)距離線路65m以內(nèi)時(shí)，會(huì)直接擊在桿塔或者配電線路[3]。因此可以認(rèn)為65m是10KV配電線路發(fā)生感應(yīng)雷過(guò)電壓的最短距離。

圖表 2 10kv配電線路感應(yīng)雷放電特性示意圖

當(dāng)雷的電流幅值為定值I時(shí)，由以上公式可推出造成線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的最大距離Sm為：

式中：U50%表示線路絕緣子串沖擊閃絡(luò)電壓。

由此可推算得：10KV配電線路感應(yīng)雷擊跳閘頻率為：

式中：ρ（I）表示雷電流幅值概率密度函數(shù)，我國(guó)規(guī)定的雷概率密度函數(shù)為：

發(fā)生雙回路的情況時(shí)，感應(yīng)雷過(guò)電壓跳閘頻率：

。

3 避雷器分類

為了有效避免雷電導(dǎo)致的跳閘現(xiàn)象，提高避雷效果的主要途徑是改善和提高避雷設(shè)施。研究發(fā)現(xiàn)，絕緣水平低是10KV輸電線路導(dǎo)致跳閘事故的根本原因。因此，可以通過(guò)增加絕緣線路來(lái)提高線路的耐雷水平?，F(xiàn)在，國(guó)家電網(wǎng)主要通過(guò)對(duì)輸電線路進(jìn)行了以下方面的改造：

1）替換耐受沖擊電壓更高的絕緣子；

2）采用不平衡絕緣配置方法；

3）采用絕緣塔頭和橫擔(dān)

通過(guò)一系列措施，可以降低10KV線路雷擊跳閘問(wèn)題，保證了配電線路正常供電。但隨著10KV配電線路絕緣水平的提高，會(huì)讓雷電波在線路中傳播至線路終端，增加終端設(shè)備避雷動(dòng)作的頻率，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p壞事故的頻發(fā)。甚至造成變壓器被燒壞，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前為止，安裝避雷器是降低10KV配電線路跳閘故障次數(shù)的最有效方式之一。避雷器主要分為以下類型：

1）保護(hù)間隙避雷器。根據(jù)避雷器的結(jié)構(gòu)形狀，分為棒形、角形、環(huán)形、球形等。這類避雷器包括：主間隙和輔助間隙串聯(lián)而成，具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單既降低了線路改造的成本和改造的難度。但是，由于放電間隙暴露在空氣中，導(dǎo)致放電分散性大，并且保護(hù)間隙的電場(chǎng)的不均勻性，造成伏特曲線比較陡，不能和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合不夠理想，放電的時(shí)候會(huì)發(fā)生截波，對(duì)有線圈的設(shè)備造成危害。間隙存在滅弧能力差，不能對(duì)間隙動(dòng)作后流過(guò)的工頻續(xù)流不能自行熄滅，引起斷路器跳閘。保護(hù)間隙避雷器，經(jīng)常與自動(dòng)重合裝置配合使用。

2）管型避雷器。管型避雷器是保護(hù)間隙避雷器的一種，一般用在供電線路上，能發(fā)揮好的功能，有效的保護(hù)各種設(shè)備。

3）閥型避雷器。閥型避雷器一般由火花間隙和閥片電阻組成。閥片電阻是一種特種碳化硅材料制作。這種特種碳化硅制作的發(fā)片電阻可以有效的防止雷電和高電壓，有效的保護(hù)設(shè)備。閥型避雷器的工作原理：當(dāng)遇到高電壓時(shí)，火花間隙被擊穿，閥片電阻的阻值降低，將雷電電流引入大地，保護(hù)電氣設(shè)備被雷電流擊穿。

4）氧化鋅避雷器。這是一種保護(hù)性能優(yōu)越、質(zhì)量輕、閥片性能穩(wěn)定的避雷設(shè)備。氧化鋅避雷器不僅僅可作為雷電過(guò)電保護(hù)，還可以內(nèi)部操作過(guò)電壓保護(hù)。穩(wěn)定的氧化鋅避雷器，可以有效的防止雷電高壓或者操作過(guò)電壓進(jìn)行保護(hù)，在危機(jī)情況下，能夠有效地保護(hù)電力設(shè)備不受損是一種應(yīng)用范圍較為廣泛的避雷器。

每種避雷器各自有各自的有點(diǎn)和不足，需要根據(jù)配電線路的運(yùn)行環(huán)境合理使用，才能達(dá)到良好的效果。避雷器在額定電壓下相當(dāng)于絕緣體，不會(huì)有任何的動(dòng)作。當(dāng)出現(xiàn)危機(jī)或者高電壓的情況下，避雷器就會(huì)啟動(dòng)，將電流導(dǎo)向大地。保護(hù)電力設(shè)備免受高電壓的沖擊。

4避雷器安裝基礎(chǔ)原則

線路避雷器的安裝方案，需要根據(jù)線路雷擊事件發(fā)生的頻繁、長(zhǎng)度不大且采用相關(guān)防雷措施難以取得理想的線路。有些線路還有考慮其承擔(dān)負(fù)荷、電能質(zhì)量的要求。線路避雷器安裝設(shè)計(jì)時(shí)，采用ATP仿真軟件，對(duì)線路仿真設(shè)定線路避雷器，研究其前后狀態(tài)的具體防雷水平與相關(guān)參數(shù)，為避雷器安裝提供設(shè)計(jì)方案，然而雷電現(xiàn)象存在著一定的無(wú)規(guī)律性和復(fù)雜性，線路遭遇雷擊還跟線路所在地形存在的一定的聯(lián)系。僅僅根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)方案，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。避雷器的安裝需要遵循以下原則：一存在明確記錄的桿塔，要提出專門的安裝方案；二針對(duì)個(gè)別特殊重要的保護(hù)桿塔，需要綜合考慮線路耐雷水平，對(duì)其防雷效果進(jìn)行驗(yàn)證，合理安排，提高避雷器的性能。三避雷器安裝方案，優(yōu)先考慮存在雷擊跳閘記錄桿塔，綜合考慮地形，合理取舍。下面介紹10KV線路氧化鋅避雷器的安裝方式

前面已經(jīng)將到，在10KV線路避雷保護(hù)中，應(yīng)用非常普遍的是氧化鋅避雷器。但在實(shí)際應(yīng)用中，也存在一些缺陷，為了提高線路的可靠性，有效減少運(yùn)維工作量，一下有以下方式可供選擇。

4.1 10KV 線路普通安裝方式

如圖3所示，安裝時(shí)，避雷器底座固定在橫擔(dān)上，橫擔(dān)與地連接，上端直接與線路相接。這種安裝方式具有施工簡(jiǎn)單、接線清晰、比較經(jīng)濟(jì)有效。但在運(yùn)維過(guò)程中，存在一些缺點(diǎn)：如發(fā)生雷擊過(guò)電后，避雷器內(nèi)部在不完全擊穿，外部完好的情況下，巡視無(wú)法發(fā)現(xiàn)，而變電站則顯示不完全接地信號(hào)；雷擊嚴(yán)重過(guò)電后，避雷器整體暴露，上端懸空后，接觸其他線路或者接地，造成單相接地，或者相間短路，擴(kuò)大了故障等級(jí)，影響線路正常供電；在更換避雷器時(shí)，需要分支電路停電，影響供電服務(wù)質(zhì)量。

圖表 3 10KV 線路氧化鋅普通安裝方式

4.2 10KV 線路水平安裝方式

由圖4可知，這種安裝工藝與普通方式相同，這種安裝方式的好處可以彌補(bǔ)雷擊過(guò)電后，避雷器完全擊穿，整體爆裂，上端懸空后與其他線路或者接地體分離，降低了故障范圍擴(kuò)大的概率。由于避雷器水平安裝，需要避雷器承受自重和引線造成的應(yīng)力，降低了絕緣套管抗張強(qiáng)度，威脅到避雷器的密封，甚至造成避雷器斷裂的可能。

圖表 4 10KV 線路氧化鋅避雷器水平安裝

4.3 10KV 線路氧化鋅避雷器與高壓隔離開(kāi)關(guān)配合安裝

由圖5可知，在避雷器上端一側(cè)加裝一組高壓隔離開(kāi)關(guān)，令配合安裝故障顯示器來(lái)提高故障查找的準(zhǔn)確性。這種安裝方法可以定期輪換或更換擊穿的避雷器，不需要線路停電，只需要將隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)即可，提高了供電可靠性。

圖表 5 10KV線路氧化鋅避雷器與高壓隔離開(kāi)關(guān)配合安裝

結(jié)束語(yǔ)

10kV配電線路設(shè)置多存在于自然環(huán)境中，容易受到雷擊的影響，產(chǎn)生雷電流，對(duì)線路供電質(zhì)量造成影響，嚴(yán)重的會(huì)破壞配電線路裝置的性能。在線路中安裝避雷器解決了雷電對(duì)配電線路的影響。認(rèn)知線路避雷器安裝方案原則和避雷器安裝方法，結(jié)合線路實(shí)際情況，對(duì)10KV 線路實(shí)際的避雷安裝方案進(jìn)行探究，實(shí)踐證明，根據(jù)線路實(shí)際情況以及周邊所處的不同地形，通過(guò)計(jì)算和方案設(shè)計(jì)，在線路上合理地安裝不同方式的避雷器，能有效地提高線路的避雷效果，減少因雷擊影響導(dǎo)致的配電線路跳閘故障，提高現(xiàn)階段的10kV配電線路供電可靠性。

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