10 kV配網(wǎng)架空絕緣線路防雷措施

劉建偉

（福建華茂防雷減災(zāi)服務(wù)有限公司，福建 福州 350001）

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，10 kV配電網(wǎng)作為城鄉(xiāng)居民供電的主要環(huán)節(jié)，在運(yùn)行過程中會(huì)遭受雷擊等自然因素的影響。電網(wǎng)遭受雷擊主要是由于雷電直接擊中線路，瞬間產(chǎn)生高強(qiáng)度的電流和電壓，使線路受到嚴(yán)重破壞。

2 10 kV配網(wǎng)線路雷電隱患分析

10 kV配電線路受到雷擊的安全事故問題一直存在，其危害程度難以想象，而雷擊事故主要是由以下原因造成。

2.1 10 kV配電線路設(shè)備不符合規(guī)定的情況

現(xiàn)階段，10 kV配電網(wǎng)線路上的鐵棒和開關(guān)依舊存在著安裝不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況。每年都會(huì)出現(xiàn)許多不可修復(fù)的焊接問題，導(dǎo)致配電線路非常容易受到雷擊。安裝在10 kV配網(wǎng)線路上的避雷器質(zhì)量不過硬，使用一段時(shí)間便會(huì)失去作用，很難真正起到避雷效果。

2.2 10 kV配網(wǎng)線路的防雷設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單

與220 kV高壓線路的防雷設(shè)計(jì)相比，10 kV配網(wǎng)線路的防雷設(shè)計(jì)相對(duì)單一，在抵抗相同級(jí)別的雷擊時(shí)，由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，防雷效果較低，導(dǎo)致10 kV配電網(wǎng)線路在受到雷擊時(shí)，很容易發(fā)生安全事故。

2.3 10 kV配電線路絕緣子的耐壓性能較低

10 kV配電線路的針形絕緣子的電阻線跨度要更大，在遇到雷電等情況下具備了更好的防護(hù)效果。但是，此類針形絕緣子也有著一定的不足，當(dāng)此類絕緣子內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，此類絕緣子依舊可以正常運(yùn)行，這就導(dǎo)致工作人員在檢查過程中很難發(fā)現(xiàn)其故障原因，沒有辦法第一時(shí)間找出因雷擊而損壞的地方[1]。

3 雷擊斷線機(jī)理分析

由于現(xiàn)階段我國(guó)10 kV配電線路系統(tǒng)為單相線圈接地系統(tǒng)，在配電線路絕緣單相接地時(shí)，可最大化補(bǔ)償因直流過大電弧單相接地金屬短路的電流損失，單相接地導(dǎo)線短路放電故障一般不會(huì)斷線。同時(shí)當(dāng)二相或三相之間通過電壓閃絡(luò)而形成金屬性質(zhì)的放電通道時(shí)，會(huì)引起數(shù)千安培的工頻電流，電弧單相接地時(shí)的能量將隨之迅速增加[2]。

當(dāng)線路的絕緣子遭受不同的雷擊時(shí)，雷電的移動(dòng)通過擊穿電壓不僅直接引發(fā)絕緣子快速閃絡(luò)，也會(huì)直接擊穿絕緣子的絕緣層。而且在直接擊穿點(diǎn)附近的一些絕緣物，阻礙了整個(gè)工頻線路電弧沿工頻線路閃絡(luò)導(dǎo)線向兩側(cè)移動(dòng)。因而，電弧通常只能在直接擊穿點(diǎn)處繼續(xù)燃燒。高達(dá)數(shù)千安培的工頻電弧（kA/ms的能量等級(jí)）中所產(chǎn)生的熱量主要都集中在未被擊穿的點(diǎn)上，并在供電斷路器設(shè)備開始跳閘之前，很快將絕緣導(dǎo)線全部熔化并切斷。閃絡(luò)線路的熔斷點(diǎn)位置通常是在絕緣閃絡(luò)導(dǎo)線的兩側(cè)，即絕緣子兩端10～30 cm范圍內(nèi)，此處的能量密度分布最薄弱。

當(dāng)雷擊電流作用于線路絕緣子時(shí)，絕緣子的閃絡(luò)頻率取決于線路過電壓平均值和額定線路電弧絕緣值的水平，電弧沖擊產(chǎn)生的損壞幾率通常取決于多個(gè)線路參數(shù)，即額外設(shè)定線路過電壓u2、閃絡(luò)路徑L、雷沖擊電弧發(fā)生的起始時(shí)刻、雷沖擊電流的密度大小和額定線路絕緣參數(shù)等。在這些線路參數(shù)中主要決定于沿各個(gè)閃絡(luò)絕緣路徑的高速運(yùn)行和過電壓平均值的梯度。

式中：L為電弧閃絡(luò)的作用長(zhǎng)度，m。建弧率通常是隨著作用溫度的降低而降低的。通過對(duì)整個(gè)電弧火花放電過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到具有如下結(jié)論，即E≤7～10 kV/m時(shí)，建弧率通常為零。工頻支路電流與電弧火花雷電作用碰撞產(chǎn)生的熱量直接可以造成熔斷切斷，工頻支路電流與雷電之間產(chǎn)生的熱量與直接造成整個(gè)電弧火花熔斷的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，電弧火花作用于導(dǎo)線的電流熔斷產(chǎn)生的熱量就是相應(yīng)熱量：

式中：I為雷擊短路弧形過高壓電流；R為雷擊短路電弧斷線整流器電阻；t為電感應(yīng)器波頭作用時(shí)間。假定雷電波頭作用時(shí)間t為2 s，雷擊電流幅值為1 kA，對(duì)工頻短路電流作用時(shí)間為0.2s，短路電流值為1kA。按上式計(jì)算可知，對(duì)工頻短路電流產(chǎn)生的續(xù)流熱量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻短路電流感應(yīng)器間接產(chǎn)生的雷擊短路續(xù)流熱量。

4 10 k V配電線路防雷具體措施

通過分析配電線路發(fā)生雷擊事故的原因，結(jié)合實(shí)際情況，落實(shí)配電網(wǎng)線路防雷措施，可有效增強(qiáng)配電線路的防雷效果。

4.1 防雷線安裝

防雷線的安裝是最基礎(chǔ)也是最高效的防雷手段。因此，要最大程度地防止雷電直接擊中電線，減少雷擊電流。配電網(wǎng)傳輸線路可以通過原地安裝屏蔽防雷接地線、在配電鐵塔頂部安裝接地線、覆蓋接地電線等方式，將遭受雷擊的電流直接流入地面。搭建防雷線時(shí)，最重要的是準(zhǔn)確把控好防雷線的鋪設(shè)角度以及鋪設(shè)質(zhì)量，特別是在雷擊事故發(fā)生幾率較高的偏遠(yuǎn)山區(qū)，要實(shí)施具體保護(hù)。此外，防治設(shè)計(jì)中還應(yīng)綜合考慮線材的材質(zhì)、形狀等因素。

4.2 降低鐵塔的接地電阻

降低鐵塔的接地電阻可以防止配電網(wǎng)線路遭受雷擊。在建設(shè)配電線路時(shí)，首先要對(duì)該地區(qū)的土壤進(jìn)行電阻測(cè)試，針對(duì)土壤內(nèi)部的正離子、土壤質(zhì)量等多種因素進(jìn)行綜合排查。

4.3 耦合地線設(shè)置

如果不能有效地降低鐵塔的避雷接地導(dǎo)線電阻，又不能有效克服自然地形、地貌等自然因素和其他人為因素，可以考慮采用在接地電線下端處采用鐵塔接地線的方式，通過這種方式的應(yīng)用，能夠更好地發(fā)揮接地導(dǎo)線與鐵塔之間的電磁耦合作用，在降低接地電壓的同時(shí)，對(duì)雷擊所產(chǎn)生的過電流進(jìn)行分流處理，降低鐵塔頂接地電位，提高接地線路的靜電反擊力和跳閘反應(yīng)速度，對(duì)大幅降低雷擊事故跳閘發(fā)生率具有非常明顯的輔助效果。

4.4 采用不平衡絕緣

隨著配電線路的逐步完善，線路占用問題越來越突出。為了最大程度提高鐵塔的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，在部分高壓線上采用了同級(jí)雙回線路施工。配電線路遭受雷擊時(shí)，必須在一般放電防雷保護(hù)措施不能完全滿足雙回同時(shí)放電跳閘的基礎(chǔ)上，考慮是否采用不影響平衡的電絕緣。也就是說，由于兩個(gè)電路中復(fù)合絕緣子的總數(shù)不同，可以同時(shí)降低停電率，保證連續(xù)配電。當(dāng)雷擊配電網(wǎng)線路時(shí)，絕緣子片數(shù)較少的電路先閃，閃后電纜起到地線的作用，提高了耦合的實(shí)際效果。隨著抗雷擊工作能力的提高，將不再出現(xiàn)短路故障情況，配電網(wǎng)線路又可以穩(wěn)定工作。

4.5 中性點(diǎn)不直接接地，可以采用消弧線圈的接地方式

消弧線圈不僅可以有效降低雷擊造成的沖擊閃絡(luò)，加強(qiáng)工頻弧速的穩(wěn)定效果，還可以有效降低發(fā)生雷擊事故時(shí)的雷擊跳閘速度。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生雷擊造成單相短路時(shí)，消弧線圈會(huì)將感應(yīng)電流以及容性電流集中在一起，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果，減小電流，防止發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象，最終達(dá)到降低雷擊點(diǎn)的熱損傷，控制事故等級(jí)的效果。

4.6 避雷器安裝

現(xiàn)階段，10 kV配電網(wǎng)所安裝的避雷器通常為管式和閥式兩種，在安裝時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同型號(hào)。管型避雷器可以有效解決放電間隙中，由于工頻自由旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的供電問題，這也使其成為了目前10 kV配電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛的避雷器。而閥式避雷器在使用過程中，必須要控制好沖擊放電電壓等多項(xiàng)內(nèi)容。FS型避雷器，則應(yīng)用在10 kV以下的接線電纜頭等外配的保護(hù)設(shè)施中，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的成本消耗比較低，但所起到的保護(hù)性能也相對(duì)有限。FI型避雷器具有并聯(lián)電阻，保護(hù)有限性能好，常用于220 kV電氣設(shè)備。FCD型避雷器有并聯(lián)電阻和并聯(lián)電容，具有更好的過流保護(hù)供電性能，這也使其在那些高壓變電站中得到了極其廣泛的應(yīng)用。除此之外，在安裝避雷器的實(shí)際過程中，特別適用于高壓變電站等高壓電器。安裝避雷器時(shí)，要確保電壓等級(jí)與保護(hù)設(shè)備相匹配，并計(jì)算好線距。具體參考距離見表1。

表1 線電壓和設(shè)備電壓最小距離參考表

在選擇10 kV配網(wǎng)線路的避雷器時(shí)，就應(yīng)當(dāng)采用氧化鋅雷擊方便保護(hù)避雷器，這是由于這種類型的避雷器有著相對(duì)較多的優(yōu)點(diǎn)，這也使其在避免雷擊事故方面有著極其顯著的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于氧化鋅自身具備著非線性伏安物理特性，在正常短路電源的高工作電壓下，可以有效降低短路電源電流，當(dāng)過高的短路電壓電流發(fā)生短路時(shí)，電阻就會(huì)出現(xiàn)急劇下降現(xiàn)象，因此可以充分釋放出過電壓電流中的剩余能量，達(dá)到良好的雷擊放電保護(hù)狀態(tài)。這種雷擊放電保護(hù)避雷器與其他幾種傳統(tǒng)雷擊放電保護(hù)避雷器的最大優(yōu)點(diǎn)，其沒有充分預(yù)留雷擊放電后的短路間隙，僅僅是通過利用其中少量氧化鋅的非線性雷擊放電物理特性，起到了同時(shí)完成短路電流放電和防止電源工作中斷保護(hù)的作用。

4.7 加強(qiáng)絕緣，降低絕緣閃絡(luò)

在加強(qiáng)絕緣的過程中，在強(qiáng)化保溫方面所采用的三種方式分別為強(qiáng)化保溫、雙重保溫以及替代保溫?？梢酝ㄟ^改變絕緣子直徑的方式，提升塔頂空氣電流間距來提高線路的絕緣性特征，提高10 kV配電網(wǎng)的雷電防雷防護(hù)水平和線路運(yùn)行安全。但是由于這種方式在使用上存在著較為顯著的局限性，成為對(duì)配網(wǎng)線路提供保護(hù)的一種后備措施[3]。

4.8 安裝自動(dòng)重合裝置

當(dāng)配電網(wǎng)上的線路被雷擊停止正常運(yùn)行時(shí)，就必須采用自動(dòng)線路重合保護(hù)裝置，確保配網(wǎng)線路的容器可以恢復(fù)到正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。同時(shí)，在配網(wǎng)線路中出現(xiàn)的絕緣跳閘問題，往往都具備可恢復(fù)性，而那些由于雷擊事故所引發(fā)的工頻閃絡(luò)，或是其他工頻線路電弧在配網(wǎng)線路當(dāng)中跳閘停止后，也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行清除，保證絕緣性能能夠恢復(fù)到原本的狀態(tài)。

5 10 kV配網(wǎng)增設(shè)線路避雷器的優(yōu)點(diǎn)

線路避雷器能夠?qū)Ω唠娢灰约暗碗娢贿M(jìn)行更加全面的保護(hù)，同時(shí)，在接地電阻的設(shè)計(jì)方面也沒有提出嚴(yán)格要求，特別是在山區(qū)等危險(xiǎn)地區(qū)當(dāng)中，線路避雷器更是起到了十分顯著的作用，其所產(chǎn)生的線路防雷保護(hù)效果也十分優(yōu)異。塔頂處的電位以及保護(hù)桿塔沖擊接地裝置的電阻，通過線路避雷器都可以起到良好的保護(hù)作用，這就需要采用進(jìn)一步強(qiáng)化沖擊接地電阻設(shè)置的方式，提高配電接地線路的使用安全性。

6 結(jié)語

10 kV配網(wǎng)線路在電網(wǎng)設(shè)備中由于自身和其他來自外界各種因素的相互影響，雷擊事故的發(fā)生幾率比較高，在產(chǎn)生事故后，不僅會(huì)對(duì)原本的電網(wǎng)設(shè)備以及供電線路產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞，甚至還會(huì)對(duì)電網(wǎng)路線的正常供電產(chǎn)生不良影響，給居民的日常生活帶來不便，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展同樣會(huì)造成嚴(yán)重影響。因此，需要提升對(duì)10 kV配網(wǎng)線路防雷保護(hù)措施的重視程度，合理安排避雷器，有效減少電網(wǎng)線路因雷擊造成破壞從而引起的電網(wǎng)線路跳閘，有效降低配網(wǎng)線路雷擊事故發(fā)生的次數(shù)。