粵東山區(qū)10 kV線路防雷技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：10 kV線路是農(nóng)村配電網(wǎng)的骨干線路，其輸送的電能通過變壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到低壓配電網(wǎng)后，再把電能分配至每個用電客戶。山區(qū)農(nóng)村10 kV線路的安全、穩(wěn)定運行，對于保證電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行以及提高農(nóng)村用戶的用電質(zhì)量具有極大的意義。為此，首先對粵東山區(qū)配電網(wǎng)的現(xiàn)狀進行了詳細介紹，闡述了山區(qū)供電所在實際工作中遇到的一些困難，通過分析可知，雷電對經(jīng)自動化改造后配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行存在較大的“殺傷力”，就如何最大限度地減少雷電對電網(wǎng)的傷害，提出了應(yīng)對方案。以10 kV丙村線546配電網(wǎng)防雷改造工程為例，統(tǒng)計了10 kV丙村線546配電網(wǎng)經(jīng)防雷改造后一年多的運行情況，結(jié)果表明，對處于特殊地理環(huán)境中運行的10 kV丙村線546配電網(wǎng)防雷改造是成功的。

關(guān)鍵詞：山區(qū)防雷技術(shù);10 kV線路;電鑄銅接地棒

0 引言

梅州地處粵東山區(qū)，自然村零星分布，許多山區(qū)農(nóng)村偏遠，往往交通不便甚至根本無法通行車輛。隨著國家對農(nóng)村配電線路建設(shè)的重視，特別是在2008年“抗冰救災”結(jié)束后，各電網(wǎng)公司加大了對農(nóng)村10 kV及以下配電線路的投資，改變了以往因資金缺乏和整體規(guī)劃的缺失，造成的網(wǎng)架薄弱、線徑小;一條主線不分段，帶十幾條支線運行;供電半徑過大;線損嚴重;電能質(zhì)量差等現(xiàn)狀。以梅州供電局丙村線546配電網(wǎng)為例，其負荷分布示意圖如圖1所示。該線路由于缺少資金、無整體規(guī)劃等原因，配電設(shè)備普遍陳舊，開關(guān)仍以機械式為主，故障處理以人工方式為主，導致故障定位、供電恢復時間長，供電可靠性極低。

因此，從2010年開始，廣東電網(wǎng)公司加大資金投入，用于改造山區(qū)農(nóng)村配電網(wǎng)，并將饋線自動化技術(shù)推廣應(yīng)用于山區(qū)配電線路，以提高線路的自動化程度，減輕山區(qū)供電所人員的工作壓力。但是在智能開關(guān)、智能監(jiān)測終端等智能設(shè)備大量應(yīng)用于山區(qū)配電線路后，又出現(xiàn)了新的問題，就是這些“嬌貴”的智能設(shè)備因設(shè)備內(nèi)部有較多集成線路板，抗雷性能較差，特別是在粵東北山區(qū)，農(nóng)村配電線路多處于高山峻嶺中，有些線路70%處于雷區(qū)。每年7月—10月雷雨季節(jié)來臨時，是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電所人員最繁忙的時候，基本就是雷聲響后，值班室電話跟著響，運行人員需立即開展巡線、查線、排查故障、送電工作。因此，如何提高10 kV線路的防雷、抗雷能力成為了一個新的研究課題。

1 10 kV線路的防雷技術(shù)研究

1.1? ? 雷電對山區(qū)農(nóng)村10 kV線路的危害

雷電作為一種人力難以抑制的強大自然力，不僅威脅人類的生命安全，還會嚴重破壞電力輸電線路和電氣設(shè)備。雷電作用于配電線路的形式主要是直擊雷和感應(yīng)雷，兩者均會在配電線路上產(chǎn)生過電壓，但產(chǎn)生的直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓有所不同。直擊雷過電壓是指雷云擊中桿塔、電力設(shè)備等物體時，強大的雷電流流過該物體瀉入大地，作用在該物體上形成電壓差。感應(yīng)雷過電壓是雷電擊在線路附近的大地時，在導線上由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓。研究表明，10 kV架空配電線路由雷擊引起線路閃絡(luò)或故障的主要因素不是直擊雷過電壓而是感應(yīng)雷過電壓，配電線路遭受直擊雷過電壓的概率較小，約占雷害事故的25%，感應(yīng)雷過電壓導致的故障比例超過75%。

對于經(jīng)過自動化改造后的山區(qū)農(nóng)村10 kV配電線路而言，雷電對配電線路的主要危害是：當雷電作用于線路時，對線路上的一些智能自動化開關(guān)、配電變壓器等電氣設(shè)備造成損壞。特別是智能開關(guān)，因智能開關(guān)本體、控制器內(nèi)有較多集成電子線路板，相比于其他隔離開關(guān)等設(shè)備，抗雷電能力更差。因此，智能開關(guān)能否經(jīng)受住雷電的考驗，將直接關(guān)系到自動化改造的成敗，為此，我們必須給這些智能設(shè)備戴上“防雷罩”，同時提高線路的防雷能力，以保證線路全天候正常運行。

1.2? ? 10 kV線路防雷技術(shù)的改造與應(yīng)用

為更好地研究10 kV線路防雷技術(shù)，本文以梅州供電局10 kV丙村線546自動化改造工程為案例，結(jié)合實踐與理論，詳細研究改造后的防雷技術(shù)在實踐中的應(yīng)用情況。

由于10 kV丙村線546配電網(wǎng)有50%線路處于雷區(qū)，上述已說明，10 kV架空配電線路由雷擊引起線路閃絡(luò)或故障的主要因素不是直擊雷過電壓而是感應(yīng)雷過電壓，配電線路遭受直擊雷過電壓的概率較小，約占雷害事故的25%，感應(yīng)雷過電壓導致的故障比例超過75%。為了有效防范上述直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓，我們采取了如下措施：

1.2.1? ? 加強處于雷區(qū)部分線路的絕緣水平

將線路上的P-10型針式絕緣子更換為FPQW-10型復合絕緣子（轉(zhuǎn)角桿處更換為P-15型針式絕緣子），能提高線路的抗雷電沖擊閃絡(luò)電壓，可由75 kV提高到110 kV。絕緣子串抗雷電沖擊閃絡(luò)電壓如表1所示。增加絕緣子片數(shù)，可提高線路的抗雷電沖擊閃絡(luò)電壓，由表1可知：隨著絕緣子片數(shù)的成倍增加，抗雷電沖擊閃絡(luò)電壓也隨之增加，則線路的抗雷水平也成倍增加。

1.2.2? ? 安裝硅橡膠氧化鋅避雷器

避雷器是專門用于限制雷電過電壓或操作過電壓以保護電氣設(shè)備的一種裝置。其中高壓避雷器分為閥型避雷器、管型避雷器和氧化鋅避雷器，前兩種統(tǒng)稱為碳化硅避雷器。而硅橡膠氧化鋅避雷器屬于氧化鋅避雷器的改進類型，該種避雷器具有絕緣性能良好、耐污性能強的優(yōu)點，與線路絕緣子配合使用，能有效提高線路的防雷和絕緣水平。

為了更好地提高10 kV丙村線546配電網(wǎng)的防雷和絕緣水平，以確保線路經(jīng)饋線自動化改造后，智能化設(shè)備能全天侯正常運行，將線路原有的普通氧化鋅避雷器全部更換為硅橡膠氧化鋅避雷器，同時在絕緣薄弱點，如個別金屬桿塔、特別高的桿塔、終端桿加裝硅橡膠氧化鋅避雷器。

智能開關(guān)設(shè)備是此次饋線自動化改造的重點，其安裝后能否正常運行直接關(guān)系到此次饋線自動化改造的成敗，所以智能開關(guān)的防雷是線路防雷的重中之重。根據(jù)多年的運維經(jīng)驗，不管是直擊雷過電壓還是感應(yīng)雷過電壓，最終過電壓都是由導線傳遞到開關(guān)。因此，我們改變以往只在電源側(cè)安裝避雷器的傳統(tǒng)做法，在開關(guān)兩側(cè)都安裝了避雷器，如圖2所示。這樣做的好處是能在開關(guān)兩邊限制雷電過電壓，能很好地起到防護智能開關(guān)的作用。

1.2.3? ? 降低桿塔的雷電保護接地電阻值

接地電阻是指電流通過接地裝置流向大地受到的阻礙作用。在數(shù)值上，接地電阻是電氣設(shè)備的接地體對接地體無窮遠處的電壓與接地電流之比，即：

式中，Uj為接地體對接地體無窮遠處的電壓;Ij為接地電流。

降低桿塔的接地電阻可以減小雷擊桿塔時的電位升高，并將故障電流快速泄入大地。根據(jù)電力規(guī)程的規(guī)定，當接地電阻小于5 Ω時，線路的耐雷水平能達到18.39 kV。所以，此次對10 kV丙村線546配電網(wǎng)接地電阻改造的目標是≤5 Ω。線路耐雷水平與接地電阻關(guān)系如表2所示。

影響接地電阻的主要因素有土壤電阻率，接地體的尺寸、形狀、材料及埋入深度，接地體與接地體的連接方式等。目前降低桿塔接地電阻的方法主要有：

（1）加大接地體與土壤的接觸面積，因為接觸面積越大，接地體的電流泄漏得越快，能更好地起到防雷作用。為達到以上目的，可通過增加接地極的尺寸和增大接地體的水平延伸距離來實現(xiàn)。如有一些地方土壤電阻率比較低，可將接地體的水平引線敷設(shè)至濕地或河邊，與濕地或河邊的垂直接地體相連，能有效降低接地電阻，提高線路的絕緣水平。

（2）使用降阻劑，實踐證明，在敷設(shè)線路的水平接地體時，在其周圍添加降阻劑，能大大降低此處的土壤電阻率。

（3）深埋接地極，避開地表電阻層，將接地體埋在地下土壤電阻率小的更深處，可用堅井式或深埋式接地體。選擇埋設(shè)地點時，應(yīng)選擇地下水豐富或地下水位較高的地方。若桿塔附近有金屬礦體，可將接地體插入礦體上，利用礦體來延長或增大接地體尺寸。

（4）換土，土壤電阻率的高低直接影響接地電阻，如采用其他方法降阻有因難，可用電阻率低的土壤來代替電阻率高的土壤，即換土，以獲得較低的接地電阻。

根據(jù)多年工作經(jīng)驗，在實施此項目的接地工程時，采用了上述傳統(tǒng)方法的同時并進行了技術(shù)性改造，具體方法如下：

（1）接地極全部采用？準12 mm×1 440 mm電鑄銅接地棒代替角鐵接地極。

由角鐵制成的接地極深埋一段時間后容易腐蝕，特別是焊接處，容易因腐蝕造成接地體彼此之間斷開連接，最終因接地體與土壤接觸面不夠而電阻率變大，在線路或設(shè)備遭受雷擊后，雷電流無法泄入大地，使線路與設(shè)備失去接地保護。

電鑄銅接地棒是采用含量為99.9%的電解銅分子均勻覆蓋到低碳鋼芯上，使銅與鋼芯完全分子結(jié)合。電鑄銅接地棒的銅層厚0.25 mm以上，耐腐蝕性強，可保證使用壽命在50年以上;且抗拉強度大，高達600 N/mm2。電鑄銅接地棒及熔焊工具如圖3所示。

電鑄銅接地棒深埋地下后，無論是自然腐蝕，還是電化學反應(yīng)，都有極強的保護性，用電鑄銅接地棒代替角鐵接地極，可避免因角鐵腐蝕后與大地接觸不夠充分。接地棒與接地網(wǎng)線采用化學焊劑焊接，使接地裝置完全處在銅的保護之下，成為真正的免維護接地裝置。

（2）深埋接地極并覆蓋降阻劑。

降阻劑由多種成分組成，主要包括電解質(zhì)、固化劑、潤滑劑及填充材料等。降阻劑一般為灰黑色，是一種良好的導電體，將它使用于接地體和土壤之間，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸，形成足夠大的電流流通面;另一方面它能向周圍土壤滲透，降低周圍土壤電阻率，在接地體周圍形成一個變化平緩的低電阻區(qū)域。地極安裝示意圖如圖4所示。

采用此種方法安裝后，10 kV丙村線546配電網(wǎng)全線接地電阻都在1 Ω以下，一勞永逸地解決了因接地體腐蝕、虛焊造成電阻率變大等問題，使線路接地電阻能在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定、合格的電阻值。

2 10 kV丙村線546配電網(wǎng)經(jīng)防雷技術(shù)改造后的運行情況

10 kV丙村線546配電網(wǎng)經(jīng)防雷技術(shù)改造后，于2014年5月投入運行，截至2016年5月，共運行24個月。統(tǒng)計2014年6月—2015年2月的數(shù)據(jù)，10 kV丙村線546配電網(wǎng)全線共發(fā)生有記錄的雷擊26次，造成線路故障13起，饋線自動化設(shè)備共實現(xiàn)故障定位和隔離13次（平均正確率100%），其間未發(fā)生自動化開關(guān)設(shè)備故障。自動化改造后的故障統(tǒng)計表如表3所示。

實踐證明，經(jīng)過防雷技術(shù)改造后，自動化開關(guān)和線路運行穩(wěn)定，故障率低;維護工作量小;能準確、及時、可靠定位及隔離發(fā)生在10 kV線路上的故障，提高了供電可靠性和配網(wǎng)運行管理水平。

3 結(jié)語

本文主要是對粵東山城梅州的配電網(wǎng)進行整體調(diào)研與分析后發(fā)現(xiàn)，梅州山區(qū)配電網(wǎng)的防雷措施存在一些問題，筆者利用既有的雷電理論知識，詳細闡述了雷電對配電網(wǎng)和智能電力設(shè)備的危害，分析論證后得出感應(yīng)雷過電壓是造成配電線路及智能電力設(shè)備故障的主要因素，進而認為研究10 kV線路防雷技術(shù)對山區(qū)配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行具有重大意義。同時，還提出了解決目前問題的一些新防雷措施，以提高10 kV配電線路的抗雷能力。

本文以梅州供電局10 kV丙村線546自動化改造工程為例，實踐與理論應(yīng)用相結(jié)合，詳細研究改造后的防雷技術(shù)在實踐中的應(yīng)用情況。同時，在此次配電網(wǎng)防雷技術(shù)改造建設(shè)過程中，筆者在技術(shù)路線、設(shè)備選型、設(shè)計施工、運行管理等方面也積累了一些寶貴經(jīng)驗，為進一步研究山區(qū)10 kV線路的防雷技術(shù)提供了可資借鑒的經(jīng)驗。

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收稿日期：2020-06-04

作者簡介：張祖華（1981—），男，廣東梅州人，碩士，工程師，從事電力工程施工管理工作。