配電網(wǎng)架防雷措施研究

周 玲，徐一峰

（1.國網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；2.國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000）

20 世紀70 年代，我國將各類2.3、3.3、5.2、6 和13.2 kV 等繁雜的中壓配電電壓統(tǒng)一成10 kV，極大推動了配電網(wǎng)的發(fā)展。隨著改革開放和經(jīng)濟提升，城市配電網(wǎng)的建設(shè)提出了更高要求，我國部分地區(qū)結(jié)合各個地域?qū)嶋H情況，引入了20 kV 的配電電壓等級。雖然20 kV電壓等級的線路有著諸多優(yōu)點，有效解決了當時日益增加的城市電力負荷，促進了社會供電系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。但在已建成20 kV 網(wǎng)架的運行來看，還存在著很多難點和問題，例如，在影響20 kV 配網(wǎng)網(wǎng)架安全運行的諸多原因之中，鳥害和雷暴災(zāi)害就是其中最主要的2 個原因，20 kV 建設(shè)的推廣應(yīng)用和改進完善都需要進一步論證和完善。本文主要論述目前20 kV 設(shè)備在雷季的運行情況，分析目前主要的防雷措施，得出防雷設(shè)施在實際運行中的優(yōu)缺點，探討20 kV 配網(wǎng)已建成區(qū)域以及在建區(qū)域雷電過電壓的防治與初步解決方案，供以后的20 kV 配電網(wǎng)建設(shè)作參考。

1 20 kV 網(wǎng)架配電優(yōu)點及特性

①20 kV 的配電線路供電能力成倍提高，供電半徑和供電范圍大大增加，將有效緩解城市用電負荷快速發(fā)展與配電網(wǎng)供電能力不足之間的矛盾。②能夠有效減小變電站布點密度、減少線路廊道，大大節(jié)約現(xiàn)有的土地資源。

1.1 節(jié)能降耗效益可觀

20 kV 的配電線路節(jié)能降耗效益可觀，以采用相同導(dǎo)線輸送相同功率電能為例，20 kV 線路可降低電能損耗75%，明顯改善客戶端的電壓質(zhì)量。

1.2 節(jié)省建設(shè)投資

能夠節(jié)省建設(shè)投資，輸送同等功率，20 kV 供電線路的有色金屬耗量可減少50%，節(jié)約建設(shè)投資約40%。

1.3 用電大戶效益突出

20 kV 的配電線路用電大客戶效益十分突出，可為用電容量數(shù)百千伏安到幾萬千伏安的客戶提供靈活、經(jīng)濟的接入方案，使供電能力和供電可靠性明顯提高等。

1.4 增加變電站供電能力

通過對變電站改造，可較大幅度提高變電站供電能力。通過對線路改造，20 kV 的配電線路可提高線路輸送能力，并使線路輸送能力與變電站供電能力相匹配。

2 20 kV 網(wǎng)架運行情況分析

國網(wǎng)嘉興供電公司作為國網(wǎng)公司20 kV 改造試點單位，自2009 年底即按國網(wǎng)公司批復(fù)區(qū)域?qū)Σ糠?0 kV 線路開展了升壓改造工作。截至2011 年底，已有包括桐鄉(xiāng)、秀洲、海寧和嘉善等地區(qū)都有20 kV 配網(wǎng)設(shè)備投入正常運行。從2009 年始建的部分20 kV 設(shè)備運行至2022 年，總體情況良好，基本實現(xiàn)了20 kV 網(wǎng)架的優(yōu)點和特性。但是，20 kV 電壓畢竟是配網(wǎng)新介入的電壓等級，在實際運行中還是產(chǎn)生了許多季節(jié)性的運行缺陷，尤以春季的鳥害和夏季的雷害為最。以秀洲分公司為例分析，具體見表1。

2010年底正式投運的20 kV架空線路長度為36.8 km，配變投運128 臺，容量53 710 kVA。截至2011年底共發(fā)生跳閘9 條次，雷擊引起跳閘8 條次，其中7 條次重合成功，雷擊引起合閘成功率為87.5%。綜觀20 kV 線路的運行情況，雷害是影響其正常運行的主要因素之一。但是通過采取有效的防雷措施，提高線路的重合成功率，能使雷害引起的故障損失降低到最小。

3 現(xiàn)有防雷設(shè)施應(yīng)用及優(yōu)缺點分析

目前配電網(wǎng)架空線路上常用的防雷措施有如下幾種：采用氧化鋅避雷器、安裝防弧金具、安裝帶間隙氧化鋅避雷器、采用絕緣橫擔、架設(shè)耦合地線或架空地線等，與接地裝置相配合達到架空線路防雷的效果。

3.1 各類氧化鋅避雷器

在配電線路上安裝避雷器來防護過電壓是最常見的防雷措施，通常與接地裝置相配合。

優(yōu)點：氧化鋅避雷器是一種性能良好的防雷保護裝置，具有良好的通流容量和抑制過電壓的能力。目前多采用帶脫落裝置避雷器，易于故障脫落和查找。

缺點：只對線路的點（桿）起到防雷保護作用，而不是線段，防雷保護保護范圍小。目前20 kV 避雷器均無帶脫落裝置，不能起到故障隔離作業(yè)的作用，同時給故障查找?guī)硪欢ǖ碾y度。容易老化，需周期性對其做工頻電壓試驗，故障調(diào)換和維護成本較高。

3.2 防弧金具

主要是防止架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線用穿刺型防弧金具能定位雷電沖擊放電路徑，疏導(dǎo)工頻電弧弧根，起到了保護絕緣導(dǎo)線免于雷擊斷線的作用。目前主要安裝在變電所出口段和絕緣線支線上。

優(yōu)點：防弧金具結(jié)構(gòu)簡單，金具無需接地。

缺點：安裝時有損絕緣導(dǎo)線表面絕緣層，因20 kV絕緣導(dǎo)線絕緣層較厚，穿刺線路安裝工藝要求較高。安裝精度相對較高（一般間隙控制在12～15 cm 之間），同時間隙會隨著導(dǎo)線初伸長、弧垂的變化而變化，不能完全起到防雷引弧的作用。發(fā)生導(dǎo)線斷線等故障后，需對穿刺線夾等進行重新拆除和安裝，造成搶修時間延長。經(jīng)濟性不夠，多回路安裝成本較大。由于防弧金具本身防雷功能較為單一，且安裝要求高，目前已逐步減少使用量。

3.3 帶間隙氧化鋅避雷器

此防雷金具是防弧金具的升級版，也是防弧金具和氧化鋅避雷器的組合體，理論上可以有效防止絕緣導(dǎo)線斷線和雷擊線路后的跳閘故障。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，能有效防止絕緣導(dǎo)線斷線，對防跳閘故障有一定作用。且避雷器在平時運行時為不帶電，使用壽命大大延長。

缺點：安裝時有損絕緣導(dǎo)線表面絕緣層，因20 kV絕緣導(dǎo)線絕緣層較厚，穿刺線路安裝工藝要求較高。安裝精度相對較高，同時間隙會隨著導(dǎo)線初伸長、弧垂的變化而變化，不能完全起到防雷引弧的作用。經(jīng)濟性不夠，多回路安裝成本較大。

3.4 架空地線（架設(shè)耦合地線）

在保證安全距離的情況下，在絕緣導(dǎo)線的上方或下方架設(shè)架空（耦合）地線，使其對三相導(dǎo)線均起到屏蔽的作用，并通過感應(yīng)避雷線的分段接地，且離絕緣導(dǎo)線很近，使絕緣導(dǎo)線附近的電磁場發(fā)生改變。當雷擊線路時，絕緣導(dǎo)線上感應(yīng)雷電壓顯著降低，從而降低了線路的雷擊閃絡(luò)概率和絕緣導(dǎo)線的雷擊斷線率。

優(yōu)點：能有效降低雷電的沖擊波及感應(yīng)雷過電壓，降低線路雷擊故障概率。經(jīng)濟性較好，成本輕，尤其是在雙回路及以上安裝避雷線成本比安裝防雷金具輕得多，且不破壞導(dǎo)線表面結(jié)構(gòu)。每基電桿都進行有效接地，通過避雷線形成一張接地網(wǎng)，降低接地電阻，有效引雷入地。

缺點：對直擊雷、繞擊雷無效。對老舊線路采用此種方式安裝會降低導(dǎo)線高度。在新建線路上使用需采用更高一級的電桿。

3.5 絕緣橫擔

結(jié)合20 kV 線路建設(shè)，采用具有機械強度高、絕緣性能好的玻璃鋼絕緣橫擔，加大現(xiàn)有線路絕緣導(dǎo)線的線間距離和絕緣保護，以降低雷擊建弧率。

優(yōu)點：若將其用作支柱絕緣子橫擔，則可顯著增加閃絡(luò)路徑，從而大幅度提高線路的耐雷水平，降低線路的建弧率而基本避免了雷擊斷線事故的發(fā)生。

缺點：新建或改造中投入成本較高，且由于絕緣橫擔長期暴露在陽光下，會降低絕緣性能，材料易老化，所以對絕緣橫擔需進行周期性調(diào)換。

4 20 kV 架空線路的防雷技術(shù)應(yīng)用策略及效果分析

4.1 20 kV 架空線路的防雷措施選擇

在配網(wǎng)系統(tǒng)中，20 kV 架空線路防雷主要是防止在雷擊過電壓以后導(dǎo)致線路設(shè)備故障（如：架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線、用戶設(shè)備損壞及次生災(zāi)害等）以及影響到上一級的電網(wǎng)。防止雷擊過電壓影響到上一級的電網(wǎng)通常有變電所內(nèi)自動重合閘以及所外避雷器相配合，一般都能得到很好的解決。而要解決雷擊引起的本線設(shè)備故障通常比較困難，所以從20 kV 與10 kV 線路形式區(qū)別出發(fā)進行分析，可以得出20 kV 線路抗感應(yīng)雷過電壓有所增強，同時外絕緣水平更接近于或等于35 kV線路，這給20 kV 架設(shè)架空（耦合）地線帶來有利條件，在忽略不計直擊雷的情況下，從理論上20 kV 架空地線防雷效果將要好于10 kV 架空地線，如圖1、圖2 所示。

圖1 35 kV 避雷線典型設(shè)置方式

圖2 20 kV 架空地線設(shè)置方式

同時20 kV 架空線路線間距離小于35 kV，所以經(jīng)過計算單回20 kV 架空線路可以只設(shè)置一根架空地線，線路的保護角一般取20～30°。架空地線主要是起到耦合作用，在20 kV 線路遭受感應(yīng)雷擊過電壓時，絕緣子所承受的過電壓為導(dǎo)線和架空地線之間的過電壓，小于感應(yīng)雷擊過電壓，也就是說，架空地線的存在起到了一定的屏蔽作用，降低了絕緣子的過電壓水平，耦合系數(shù)越大，則導(dǎo)線和架空地線間絕緣子上所承受的電壓越小，可以有效防止感應(yīng)雷對配電線路的危害。

耦合系數(shù)的計算：設(shè)k為導(dǎo)線，j為耦合地線，k′、j′為地下對稱點。進過計算耦合系數(shù)K可以達到0.387 9（數(shù)值越高越好），且架空地線安裝在頂相導(dǎo)線上方要稍好于安裝于頂相導(dǎo)線下方?？砂聪旅婀剿愠?/p>

綜上所述，20 kV 防雷方面避雷器作為基本防雷措施，考慮改造成本施工難度，干線部分將以加裝架空地線為主。

4.2 20 kV 架空線路的防雷策略

4.2.1 干線部分

目前，20 kV 主干線路基本采用185、240 mm2絕緣導(dǎo)線，因?qū)Ь€的絕緣層較厚，達到6～7 mm，且按照國內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)水平，導(dǎo)線絕緣層與導(dǎo)線存在一定的偏心率，一般的穿刺型避雷間隙和金具無法有效對其穿透，或者穿透過度傷及導(dǎo)線，因此在20 kV 主干線的架設(shè)上建議基本不使用穿刺型防雷金具。通過實踐，結(jié)合分析存在的優(yōu)缺點，在20 kV 主干線上主要以架設(shè)架空避雷線（架設(shè)耦合地線）方式為主，干線上使用的設(shè)備（如柱上負荷開頭、電纜穿越）主要以在其兩側(cè)加裝20 kV 避雷器為主，加裝避雷器。

架設(shè)架空（耦合）地線時，每基電桿均需裝設(shè)接地設(shè)備，按通常的線路排列方式，同桿雙回線路利用項相橫擔或加裝頂鐵的方式，在架設(shè)導(dǎo)線的同時加裝架空（耦合）地線，以GJ-35 鋼絞線為佳。為起到最佳的雷擊保護效果，在對架空避雷線的安裝設(shè)計時要考慮保護角，即根據(jù)導(dǎo)線的排列方式，確定導(dǎo)線與架空避雷線的安全距離。

因每基電桿都裝設(shè)接地裝置，考慮到地形和土壤的電阻率，需要逐基對電桿的接地體進行接地電阻測量，接地電阻以不大于10 Ω 為宜。

4.2.2 支線部分

20 kV 的支線導(dǎo)線基本采用70～120 mm2的絕緣導(dǎo)線，因部分支線的檔距較短，耐張段檔數(shù)少，多為1—3檔，所以不宜采用架設(shè)架空（耦合）地線的方式（耐張段檔數(shù)多可考慮采用架空地線方式）。宜采用安裝穿刺型避雷間隙、氧化鋅避雷金具等。同時，為有效隔離雷擊引起的過電流，可在大支線開頭側(cè)安裝重合裝置，使故障隔離在支線范圍內(nèi)，避免因雷擊引起整條20 kV 線路故障。因此，在20 kV 的支線上宜采用裝設(shè)帶間隙氧化鋅避雷器+帶重合斷路器為佳。

4.2.3 配電變壓器臺區(qū)部分

20 kV配變臺區(qū)防雷形式基本與10 kV相同；20 kV配變樁頭側(cè)及低壓出現(xiàn)側(cè)相應(yīng)安裝高低壓避雷器；20 kV側(cè)安裝跌落式熔斷器，選擇合理的熔絲相配置；同時為提升接地效果建議安裝方形接地體將配變臺區(qū)圍繞。

4.2.4 絕緣橫擔部分

絕緣橫擔多以環(huán)氧樹脂為基體，無堿玻璃纖維為增強材料，經(jīng)過玻璃鋼拉擠工藝成型，并經(jīng)二次加工而制成，如圖3 所示。主要有良好的介電性能和很高的機械強度、便于帶電作業(yè)、具有輔助防雷功能的特點。采用絕緣橫擔可有效提高導(dǎo)線和電桿間的絕緣水平，減小導(dǎo)線遭受雷擊后的建弧率，從而整體減小絕緣導(dǎo)線的斷線率。

圖3 絕緣橫擔

4.3 20 kV 架空線路的防雷技術(shù)應(yīng)用效果分析

嘉興市秀洲區(qū)地處雷害多發(fā)區(qū)域，每年雷暴天氣以及雷擊故障在嘉興市范圍內(nèi)處在相對較高的水平。20 kV 架空線路2010 年底正式投運以來，未發(fā)生線路斷線事故，線路故障重合成功率要略高于10 kV 線路，總體故障情況在可接受范圍內(nèi)。但隨著20 kV 線路的投運年限逐步增加，還有需要進一步分析上述防雷策略的效果。

4.4 遠景架空線路下地改造

20 kV 線路雖然有著較多的優(yōu)點，但同時也存在一定的局限性，比如改造難度大，接地方式還不完善等，這對20 kV 線路防雷有一定的影響，所以在今后的改造中還是需要優(yōu)先考慮電纜網(wǎng)的建設(shè)，將現(xiàn)有的城市20 kV 架空線路逐步下地，這樣才能使20 kV 防雷得到很好的解決。

5 結(jié)束語

隨著20 kV 配電網(wǎng)的推廣應(yīng)用，其設(shè)備的生產(chǎn)制造技術(shù)將獲得長足發(fā)展。網(wǎng)架的安全、健康運行將受到越來越多的關(guān)注。本文對于20 kV 架空配電線路防雷技術(shù)進行初淺的分析和探討，給20 kV 架空線路的設(shè)計和建設(shè)提供部分依據(jù)。同時，也希望在不斷的總結(jié)、提升中發(fā)現(xiàn)更多簡便、有效的防雷措施，為20 kV 網(wǎng)架的優(yōu)質(zhì)、安全、可靠運行提供更強的保障。