10kV架空絕緣線路雷擊斷線機(jī)理分析及預(yù)防措施

摘要：配電網(wǎng)運(yùn)行過程中常常遭受雷擊導(dǎo)致10 kV架空絕緣線路斷線故障的發(fā)生。通過對10 kV架空絕緣線路遭受雷擊而斷線的機(jī)理進(jìn)行分析，得出導(dǎo)致事故的關(guān)鍵因素，從而提出架設(shè)地線、使用防雷型絕緣子及過電壓保護(hù)器、降低桿塔電阻等預(yù)防性技術(shù)措施。同時(shí)，從管理角度出發(fā)，提出了把好設(shè)計(jì)入口關(guān)、做好防雷設(shè)施維護(hù)、進(jìn)行防雷措施可行性評估等建議。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);架空絕緣線路;雷擊斷線;預(yù)防

0 引言

在當(dāng)前的10 kV配電線路建設(shè)中，采用架空絕緣線路是較為常見的做法，相比于裸導(dǎo)體線路，絕緣線路有明顯的優(yōu)勢：（1）由于表面比裸導(dǎo)線多一層絕緣層，其絕緣能力更為優(yōu)越，降低了線路導(dǎo)體引雷的概率;（2）強(qiáng)風(fēng)引起的導(dǎo)線瞬間碰撞不會造成短路，提高了線路的抗風(fēng)能力，使線路跳閘率明顯降低，減少了交叉線路互相影響的風(fēng)險(xiǎn);（3）克服了架空線路與走廊內(nèi)樹木間的矛盾，使樹障不再對線路運(yùn)行產(chǎn)生威脅，減少了清苗伐木工作量。

雖然架空絕緣線路的優(yōu)勢明顯，但在運(yùn)行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，其雷擊斷線率明顯高于架空裸導(dǎo)體導(dǎo)線。按照某供電局統(tǒng)計(jì)，雖然絕緣線路遭受雷擊故障數(shù)較少，但幾乎每次雷擊均會導(dǎo)致斷線問題。如果按線路平均修復(fù)時(shí)間為5 h、線路桿距為50 m計(jì)算，每條次線路斷線需搶修故障的人力、材料費(fèi)用約15萬元。因此，開展架空絕緣線路雷擊斷線的機(jī)理分析并提出相應(yīng)的防雷措施是十分必要的。

1 10 kV架空絕緣線路雷擊斷線機(jī)理

架空絕緣導(dǎo)線的雷擊耐受特性與架空裸導(dǎo)線的物理特性明顯不同。對架空裸導(dǎo)線，直擊雷或感應(yīng)雷作用引起的閃絡(luò)會造成工頻短路電流，電流行波沿著導(dǎo)線移動(dòng)，一方面在移動(dòng)的過程中釋放部分能量，另一方面使遠(yuǎn)方的保護(hù)迅速感知到故障存在，因此在短路電流燒斷導(dǎo)線或損壞絕緣子之前，斷路器即可動(dòng)作跳閘切斷短路電流。

而對于架空絕緣導(dǎo)線，雷擊過電壓會在絕緣外層的薄弱點(diǎn)處形成擊穿點(diǎn)，擊穿點(diǎn)在10 kV恒壓作用下形成工頻短路電流。由于絕緣層阻礙了電弧在其表面滑移，短路電弧被固定至擊穿孔位置產(chǎn)生幾千攝氏度的高溫，此溫度遠(yuǎn)高于鋁質(zhì)導(dǎo)線的熔點(diǎn)，因此在導(dǎo)線兩端的拉力作用下，熔化的導(dǎo)線受力形成斷口。典型的雷擊燒蝕后拉斷斷口如圖1所示[1]。

2 防止雷擊斷線的技術(shù)措施

從上述雷擊斷線機(jī)理可知，可從幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)著力防止雷擊造成架空絕緣線路斷線：（1）進(jìn)一步降低線路遭受雷擊的概率;（2）加強(qiáng)絕緣薄弱點(diǎn);（3）減少工頻短路電流存在的時(shí)間。以此為指導(dǎo)，可采取若干具體措施。

2.1? ? 架設(shè)避雷線或耦合地線

避雷線和耦合地線是最常用的避雷設(shè)備，其中避雷線在上相導(dǎo)線1.5 m以上的部位安裝，耦合地線則在下相導(dǎo)線1.5 m以下的部位安裝，兩者均可采用GJ-25型鋼絞線。通過對線路雷擊跳閘率進(jìn)行分析可知：（1）架設(shè)避雷線的防雷效果優(yōu)于耦合地線，耦合地線幾乎不會對直擊雷跳閘產(chǎn)生影響;（2）兩者都能夠有效降低后續(xù)雷擊引發(fā)的跳閘率。

避雷線的安裝需要結(jié)合線路的實(shí)際情況，考慮周邊地質(zhì)情況、避雷線安裝角度等，以降低雷電繞擊線路的概率。相比于不合理的架設(shè)方式，合理架設(shè)的避雷線起到的防雷能力可大幅提升，且能更好地將直擊雷導(dǎo)入大地。

2.2? ? 合理使用防雷型絕緣子

相對于普通絕緣子，防雷型絕緣子增加了左、右兩個(gè)電極，一個(gè)電極位于導(dǎo)線端，是高電位;另一個(gè)電極位于桿塔端，是低電位，兩電極之間形成一個(gè)間隙作為雷擊閃絡(luò)通道和電弧放電通道[2]。懸式防雷絕緣子外形及安裝圖如圖2所示。

當(dāng)線路受到直擊雷擊或者感應(yīng)雷擊時(shí)，由于空氣空隙的伏秒特性曲線在絕緣子伏秒性質(zhì)曲線以下，絕緣子左、右兩端電極提供的空間間隙能夠在絕緣子閃絡(luò)之前先動(dòng)作放電，從而建立雷電閃絡(luò)通道;在此通道上建立起來的工頻電弧短路電流，其弧根只能固定在通道兩端的高、低壓電極上，而不會流竄到導(dǎo)線，從而避免燒斷導(dǎo)線。

2.3? ? 安裝過電壓保護(hù)器

過電壓保護(hù)器如圖3所示，由非線性電阻限流元件（氧化鋅閥片）及放電間隙（不銹鋼引流環(huán)）串聯(lián)而成。當(dāng)雷擊或其他誘因造成線路過電壓，引發(fā)閃絡(luò)形成工頻短路電流通道時(shí)，不銹鋼引流環(huán)可將短路電流引向非線性電阻限流元件。限流元件則利用本身的非線性特性，將正弦波形的短路電流限制成尖頂波，同時(shí)削減放電電壓至設(shè)定的殘壓水平[3]。

相比于正弦波，尖頂波電流的特點(diǎn)是過零前的一段時(shí)間內(nèi)電流幅值較小，再加上放電電壓降低，電弧在過零時(shí)可瞬間熄滅，從而避免短路電流長期存在導(dǎo)致導(dǎo)線熔斷。

2.4? ? 降低桿塔接地電阻

當(dāng)雷擊線路桿頂或地線時(shí)，雷電流將通過桿塔接地裝置導(dǎo)泄入地，此時(shí)如果接地裝置合理可靠，則接地電阻較小，桿塔頂部的電位就較低，能減小雷擊過電壓對線路運(yùn)行的威脅。反之，如果接地裝置運(yùn)行不良，導(dǎo)致桿塔的接地電阻偏高，遭遇雷擊時(shí)，桿塔頂部出現(xiàn)高電位，將產(chǎn)生較高的反擊電壓，從而引起線路的絕緣閃絡(luò)，造成雷擊事故。

3 防止雷擊斷線的管理措施

3.1? ? 把好設(shè)計(jì)入口關(guān)

設(shè)計(jì)是防雷工作的關(guān)鍵。以桿塔接地電阻為例，接地裝置設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，將直接影響接地電阻的實(shí)際水平與運(yùn)維難度。為此，對勘察設(shè)計(jì)人員應(yīng)提出以下要求：（1）開展實(shí)地勘察，對桿塔位置周邊的地理特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)記錄，以此為基礎(chǔ)開展設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)圖實(shí)相符;（2）對土壤電導(dǎo)率等參數(shù)應(yīng)開展實(shí)際測量，不可僅憑地形圖和查閱地質(zhì)資料估計(jì)，測量時(shí)應(yīng)注意使用標(biāo)準(zhǔn)方法，防止測量結(jié)果失真導(dǎo)致設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)錯(cuò)誤;（3）應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場勘察及測量結(jié)果開展設(shè)計(jì)，避免生搬硬套舊工程圖紙或典型設(shè)計(jì)。

3.2? ? 做好防雷設(shè)施維護(hù)

配電線路運(yùn)維人員應(yīng)按照供電企業(yè)的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，對線路范圍內(nèi)的防雷設(shè)施進(jìn)行定時(shí)巡視及維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷和隱患并安排處理。與此同時(shí)，需要加強(qiáng)一線運(yùn)維人員的能力培訓(xùn)及考核，提高技術(shù)水平，防止發(fā)生巡維不到位的情況。

技術(shù)管理部門要合理安排配電線路檢修周期，按時(shí)完成防雷設(shè)施的預(yù)防性試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣、耐壓等性能異常的防雷設(shè)施，并做好備品備件管理，保證損壞的設(shè)施可迅速更換。

3.3? ? 科學(xué)評估防雷措施可行性

判斷防雷措施是否可行需考慮多種因素，除了考慮防雷措施的效果和費(fèi)用，還需要計(jì)及擬采取的防雷措施對系統(tǒng)的影響、維護(hù)是否方便等因素。對此類多目標(biāo)、多層次，難以完全用定量方法進(jìn)行決策的系統(tǒng)工程問題，可考慮用層次法等決策方法予以評估[4]，對各種措施進(jìn)行綜合評估和計(jì)算，得到線路的最佳防雷措施。

4 結(jié)語

做好架空絕緣線路的防雷擊斷線工作需要技術(shù)和管理兩方面形成合力，兩者齊抓共管，就能有效降低線路雷擊的影響，從而保證配網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，更好地為終端用戶提供優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 周剛，林德源，韓紀(jì)層，等.沿海及強(qiáng)臺風(fēng)環(huán)境下10 kV配網(wǎng)架空絕緣導(dǎo)線的失效機(jī)理分析[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2019，31（6）：643-649.

[2] 王沁.懸式絕緣子在10 kV線路防雷擊斷線措施中的應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2017（6）：76-79.

[3] 趙偉，郭燕國.后續(xù)雷擊對10 kV配電線路耐雷性能產(chǎn)生的具體影響及其防雷措施分析[J].工業(yè)A，2016（1）：166.

[4] 劉剛，馬浩禹，張弦.改進(jìn)層次分析法在配網(wǎng)線路防雷評估中的應(yīng)用[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，44（4）：71-76.

收稿日期：2021-08-16

作者簡介：劉紹紀(jì)（1976—），男，廣東英德人，電氣助理工程師，研究方向：配電網(wǎng)運(yùn)維。