配網(wǎng)線路防雷分析及新型防雷裝置的應(yīng)用

文/ 孫換春 李繼鵬

0 引言

在我國廣大農(nóng)村地區(qū)，配網(wǎng)線路防雷性能薄弱，配電線路接線形式多樣，線路地處環(huán)境復(fù)雜，針對不同外界環(huán)境、桿塔結(jié)構(gòu)等條件下的配電線路防雷措施技術(shù)水平參差不齊。隨著防雷設(shè)備廠家的技術(shù)進(jìn)步，防雷裝置的種類和安裝方式也多種多樣，各種防雷措施缺乏針對性及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的 合理評價，其雷電防護(hù)效果并未得到充分發(fā)揮，雷擊引起的線路跳閘事故日漸增多。

為此，本文基于對配網(wǎng)架空線路防雷的現(xiàn)狀及線路防雷的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，提出新型的無工頻續(xù)流放電間隙裝置的防雷保護(hù)措施，對裝置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并通過10kV陽新線進(jìn)行防雷效果驗(yàn)證。

1 配網(wǎng)線路防雷的特點(diǎn)

據(jù)資料表明，作為10kV的配網(wǎng)架空線路的常見故障，雷擊跳閘事故約占配網(wǎng)線路故障的 80% 以上。針對配網(wǎng)架空線路，由于線路的絕緣水平較高電壓等級輸電線路的絕緣水平低，因此影響配網(wǎng)架空線路跳閘的主要原因是感應(yīng)雷。配網(wǎng)線路感應(yīng)雷電過電壓計算公式如下：

式（1）中：Ui——雷擊大地時感應(yīng)過電壓最大值/kV；

k1——感應(yīng)過電壓系數(shù)，與主放電速度有關(guān)/Ω；

I——雷電流幅值/kA；

hc——導(dǎo)線平均對地高度/m；

S——雷擊點(diǎn)與線路最近距離/m。

根據(jù)上述公式可以看出,雷擊配網(wǎng)架空線路產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓有如下特點(diǎn)：

（1）感應(yīng)過電壓幅值隨雷擊點(diǎn)和配網(wǎng)架空線路的距離減少而迅速增大；

（2）雷電流幅值增大，則感應(yīng)過電壓幅值呈線性增大；

（3）配網(wǎng)架空線路本身設(shè)計參數(shù)如桿塔高度、大地電阻率會影響感應(yīng)過電壓的幅值、波形和極性。

當(dāng)配網(wǎng)架空線路因雷擊產(chǎn)生過電壓時，容易導(dǎo)致絕緣子頂部附近導(dǎo)線和絕緣子下法蘭金屬形成放電通道，導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)，線路單相接地，在工頻電流作用下，接地電弧不能自行熄滅，產(chǎn)生工頻續(xù)流，形成持續(xù)放電，最終引起線路跳閘。

當(dāng)雷擊作用于裸導(dǎo)線時，工頻續(xù)流電弧弧根會沿線路潮流方向移動，不容易形成局部高溫。當(dāng)雷擊于絕緣導(dǎo)線時，電弧弧根會在絕緣層的薄弱點(diǎn)發(fā)生，產(chǎn)生針孔狀的擊穿，持續(xù)的工頻電弧會在極短的時間內(nèi)在擊穿點(diǎn)形成2000℃～6000℃的高溫，引起絕緣導(dǎo)線的斷線。因此配網(wǎng)線路的防雷重點(diǎn)主要表現(xiàn)為防止雷擊跳閘和絕緣導(dǎo)線的雷擊斷線事故的發(fā)生。

不同于輸電線路，10kV配電線路有其自身特點(diǎn)：（1）絕緣導(dǎo)線大量使用；（2）電纜、架空線路混合使用；（3）大量線路是同塔多回線路；（4）中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地。這些特點(diǎn)導(dǎo)致配電線路防雷措施同輸電線路相比是有所不同的。

2 配網(wǎng)線路防雷現(xiàn)狀及措施

目前常用的防雷措施主要有“堵塞式”和“疏導(dǎo)式”兩種防雷手段。“堵塞式”防雷主要通過限制配電線路雷電過電壓，降低雷擊閃絡(luò)概率，或者阻止雷擊閃絡(luò)后工頻續(xù)流建弧?！笆鑼?dǎo)式”防雷措施主要思路是改變線路雷擊閃絡(luò)路徑，對后續(xù)工頻電弧進(jìn)行疏導(dǎo)，防止工頻電弧燒損絕緣子及燒斷導(dǎo)線的防雷措施。

目前，10kV線路常用的防雷措施主要有：（1）架設(shè)架空避雷線；（2）降低線路接地電阻；（3）加強(qiáng)線路絕緣；（4）安裝使用線路防雷設(shè)備。其中，架設(shè)架空避雷線、降低接地電阻及加強(qiáng)線路絕緣由于經(jīng)濟(jì)成本較高、需要較大的人力和材料成本，因此，目前僅在典型區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用。目前常用的防雷措施是安裝線路防雷設(shè)備，其中最常用的線路防雷設(shè)備是采用無間隙氧化鋅避雷器。

無間隙氧化鋅避雷器能有效截斷工頻電流、限制雷電過電壓。但該產(chǎn)品在應(yīng)用過程中存在以下不足： （1）產(chǎn)品必須可靠接地，如果線路桿塔接地電阻不合格，在出現(xiàn)過電壓時，線路上的避雷器不能徹底有效地釋放雷電能量，會引起雷電能量沿線路絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿；（2）產(chǎn)品長期承受工頻電壓，使避雷器壽命縮短；（3）產(chǎn)品若發(fā)生故障擊穿，會形成永久性故障點(diǎn)，影響供電可靠性。

有部分10kV線路采用并聯(lián)放電間隙方式,如防雷金具、過電壓保護(hù)器等對線路進(jìn)行保護(hù)，但這種方式需要人為根據(jù)線路安裝點(diǎn)的實(shí)際情況調(diào)整放電間隙的大小，使其滿足空氣擊穿的條件，因此現(xiàn)場的安裝工藝在一定程度上影響到設(shè)備的線路保護(hù)性能。

3 新型防雷裝置保護(hù)機(jī)理及驗(yàn)證

無工頻續(xù)流放電間隙裝置（以下簡稱裝置）通過“疏導(dǎo)”方式將雷擊著弧點(diǎn)引到產(chǎn)品的放電間隙，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由引流裝置、放電間隙板、放電間隙下電極、工頻限流器、接地極板、支撐絕緣子等部分組成。

由線路絕緣子的國家標(biāo)準(zhǔn)可知，線路絕緣子的雷擊放電電壓為U50%，100～150kV，為此，設(shè)定無工頻續(xù)流放電間隙裝置的固定間隙放電電壓U50%為100kV，工頻限流器參數(shù)為12.7/26）。裝置在《DLT 815－2012 交流輸電線路用復(fù)合外套金屬氧化物避雷器》標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上有所突破，工頻限流器的性能指標(biāo)有了較大的提升，雷電沖擊殘壓為≤26kV，長持續(xù)時間電流耐受為≥250A,增加了雷擊放電電壓的穩(wěn)定性和對雷擊能量的有效釋放，大大提高了對線上設(shè)備的保護(hù)能力。為驗(yàn)證無工頻續(xù)流放電間隙裝置的放電過程，我們在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了雷電放電模擬測試，采用1.2/50μS雷電全波對試品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，電壓波形（工作過程）如圖2所示。

圖1 無工頻續(xù)流放電間隙裝置產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

圖2 無工頻續(xù)流放電間隙裝置工作過程

根據(jù)圖2可以分析無工頻續(xù)流放電間隙裝置工作過程。雷擊發(fā)生時，線路兩端電壓迅速上升到空氣放電間隙的放電電壓，此時線路對地沒有形成通路，絕緣子承受的最高電壓為放電間隙放電電壓，此時，間隙開始擊穿，雷擊能量通過間隙放電產(chǎn)生的電弧燃燒，通過熱能形式釋放雷擊能量，工頻限流器導(dǎo)通，放電電流為1～2A，接地電阻（無論大?。┮鸬碾娢豢珊雎圆挥?。此時絕緣子兩端的電壓U最高為26kV。遠(yuǎn)低于絕緣子的U50%（100～150kV）。能量完成釋放之后，放電間隙熄弧，并在工頻限流器作用下，工頻續(xù)流在半個工頻周期內(nèi)截止。完成保護(hù)過程。

4 新型防雷裝置在10kV線路防雷應(yīng)用效果分析

10kV陽新線線路總長度為125.09km，桿塔基數(shù)為1394基，采用導(dǎo)線類型為LGJ-70mm2鋼芯鋁絞線，其中分支線路為LGJ-25mm2鋼芯鋁絞線。該線路負(fù)荷均屬于農(nóng)網(wǎng)，線路較長，線路結(jié)構(gòu)為直線桿、轉(zhuǎn)角及耐張桿，所經(jīng)區(qū)域地形復(fù)雜，部分線路架設(shè)地勢較高，易受雷擊。線路絕緣子為針式絕緣子。該線路為雷擊嚴(yán)重線路之一，為驗(yàn)證裝置的防雷效果，在10kV115陽新線的主干線路和新馮分支及新桐分支選擇易雷擊桿塔進(jìn)行共40組防雷產(chǎn)品的安裝，產(chǎn)品安裝前后陽新線雷擊跳閘情況如表1所示。

表1 10kV陽新線防雷改造前后同期雷擊跳閘情況對比

由表1可以看出，通過安裝無工頻續(xù)流放電間隙裝置進(jìn)行防雷改造后，經(jīng)過雷雨季節(jié)，主干線路的跳閘次數(shù)從3次降到0次，跳閘率下降了100%；新馮分支跳閘率沒有變化；新桐分支跳閘從2次下降到1次。總體的跳閘次數(shù)從8次下降到4次，跳閘率降低了50%，防雷效果較為明顯。

5 結(jié)語

無工頻續(xù)流放電間隙裝置通過特殊設(shè)計的固定放電間隙和工頻限流器，共同完成對過電壓能量的泄放，雷電發(fā)生后，過電壓引起固定放電間隙擊穿建弧，通過光和熱的形式平穩(wěn)釋放雷擊過電壓能量，通過間隙的電容效應(yīng)降低了泄放電流對接地電阻的沖擊，從而避免了桿塔接地電阻不合格造成的雷擊能量無法泄放的問題。通過對新型的無工頻續(xù)流放電間隙裝置的應(yīng)用，供電線路的安全可靠性得到了極大的提升。