淺談10kV架空配電線路的防雷保護(hù)

洪雪燕 洪澤均 / .福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 .廈門(mén)供電公司

淺談10kV架空配電線路的防雷保護(hù)

洪雪燕1洪澤均2/ 1.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.廈門(mén)供電公司

10kV架空配電線路電壓等級(jí)低，防雷方面和輸電線路有很大的不同。本文介紹了10kV架空配電線路的防雷措施

10kV架空線路；雷害；防雷；氧化鋅避雷器

引言

10kV的配電線路，由于電壓等級(jí)低，絕緣裕度高、線路短、地處市區(qū)或城郊，受高大建筑的屏蔽，遭受直擊雷的概率比較低，一般不采取特殊的防雷措施。但是，若在山區(qū)或曠野等雷電活動(dòng)特別強(qiáng)烈的地帶，線路遭受雷擊的幾率高，可能造成絕緣子擊穿和導(dǎo)線燒斷事故，這時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的防雷措施來(lái)減少雷害。

1.10kV架空配電線路

10kV架空配電線路有架空裸導(dǎo)線和架空絕緣導(dǎo)線。架空配電線路采用絕緣導(dǎo)線，與裸導(dǎo)線相比，可以減小相間距離，防止相間短路，減少線路走廊，安全性比較好。與電纜相比，投資省、建設(shè)快，優(yōu)點(diǎn)特別明顯。但是，絕緣導(dǎo)線也有缺點(diǎn)，就是雷擊斷線問(wèn)題。有關(guān)資料表明，絕緣導(dǎo)線在運(yùn)行中，其總故障數(shù)為裸導(dǎo)線故障總數(shù)的15.3%，故障數(shù)大幅下降；其中絕緣導(dǎo)線雷擊事故占總事故數(shù)的36.8%，而雷擊斷線率為96.8%。因此，架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線問(wèn)題是影響配電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素。

架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線機(jī)理：架空絕緣線遭雷擊時(shí)，雷電過(guò)電壓導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣層擊穿，擊穿通道通常只有針孔大，但是，當(dāng)雷電擊穿通道轉(zhuǎn)為工頻續(xù)弧，由于工頻續(xù)流的能量大，且由于絕緣層的阻礙作用，工頻續(xù)弧不會(huì)在導(dǎo)線表面滑動(dòng)，而是固定在擊穿點(diǎn)燃燒，高溫弧根導(dǎo)致導(dǎo)線在斷路器跳閘前熔斷，熔斷點(diǎn)通常在距離線路絕緣子兩端30cm的距離內(nèi)，因?yàn)檫@里的電場(chǎng)最強(qiáng)。

2.架空配電線路的雷害

架空配電線路的雷害有兩方面。

一方面是雷直擊導(dǎo)線的直擊雷。雷直擊導(dǎo)線時(shí)，產(chǎn)生的直擊雷過(guò)電壓由公式U=100I計(jì)算，I為雷電流幅值。10kV線路絕緣的沖擊耐壓按U50%=100kV來(lái)計(jì)算，則其耐雷水平的計(jì)算I=U50%/100=100/100=1kA，按我國(guó)大部分地區(qū)雷電流概率分布為lgP=-I/88的公式計(jì)算，出現(xiàn)雷電流I≥1kA的概率P=97.4%，也就是說(shuō)，如果雷直擊10kV線路，100次的雷擊，10kV架空配電線路絕緣閃絡(luò)的概率高達(dá)97.4%。

另一方面為感應(yīng)雷過(guò)電壓。雷擊線路附近的物體或雷擊線路桿塔，由于電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)，在線路上感應(yīng)出的過(guò)電壓稱感應(yīng)雷過(guò)電壓。當(dāng)雷電流I=20kA時(shí)，感應(yīng)雷過(guò)電壓的計(jì)算公式U=Ih/2.6，假設(shè)雷電流為I=20kA，桿塔高度h=15m，則感應(yīng)雷過(guò)電壓為U=115kV，超過(guò)10kV線路的沖擊耐壓水平100kV，線路絕緣會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。按照l(shuí)gP=-I/88的公式計(jì)算，當(dāng)I≥20kA時(shí)，P=53%,也就是說(shuō)，10kV線路遭到感應(yīng)雷時(shí)，線路絕緣閃絡(luò)的概率大約為53%。

線路附近閃電在配電線路上感應(yīng)的過(guò)電壓多數(shù)小于300kV。屏蔽物體（如樹(shù)和建筑物）的高度和離配電線路的距離將影響線路感應(yīng)雷過(guò)電壓的大小。

3.架空配電線路防雷害的措施

架空配電線路在防直擊雷方面，不架設(shè)避雷線，因?yàn)榕潆娋€路絕緣水平低，如果架設(shè)避雷線后，避雷線遭雷擊后容易反擊，防雷效果不好，況且架設(shè)避雷線成本太高。配電線路在防雷方面，主要采取以下措施：

（1）提高線路的絕緣水平

從感應(yīng)過(guò)電壓的數(shù)值分析結(jié)果知道，提高絕緣子的50%放電電壓，能大大提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率，因此建議更換針式支柱絕緣子為柱式支柱絕緣子或采用ZC-185、SC-185瓷橫擔(dān)；嘗試使用硅橡膠合成絕緣子。加強(qiáng)局部絕緣（如增加絕緣導(dǎo)線的厚度）。

（2）降低桿塔接地電阻

當(dāng)雷擊桿塔時(shí)，雷電流經(jīng)桿塔接地電阻流入大地，如果桿塔接地電阻高，雷電流在電阻上的壓降大，使桿塔絕緣子壓降增大，造成反擊。

如果是線路避雷器動(dòng)作，雷電流經(jīng)桿塔接地電阻入地，如果桿塔接地電阻過(guò)大，雷電流在接地電阻上的壓降太大，使得導(dǎo)線電位升高，線路絕緣子壓降增大，造成閃絡(luò)。所以降低桿塔接地電阻可以提高線路絕緣的耐雷水平，減小線路雷擊跳閘率。

在土壤電阻率低的地區(qū)，應(yīng)充分利用鐵塔、鋼筋混凝土桿的自然接地電阻。在土壤電阻率高的地區(qū)，當(dāng)采用一般措施難以降低接地電阻時(shí)，可用多根放射形接地體，將接地電阻降低到30Ω以下。

（3）中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地

在雷電活動(dòng)強(qiáng)烈、接地電阻又難以降低的地區(qū)，中性點(diǎn)采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地，消弧線圈可以抵消大部分單相接地電流，當(dāng)接地電流小于發(fā)弧電流時(shí)，接地電弧會(huì)自動(dòng)熄滅，故障消除。在兩相或三相受雷時(shí)，雷擊引起第一相閃絡(luò)并不會(huì)引起跳閘，先閃絡(luò)的導(dǎo)線相當(dāng)于地線，增加了分流和對(duì)未閃絡(luò)相的耦合作用，使未閃絡(luò)相絕緣上的電壓下降，從而提高了線路的耐雷水平。

因此，10kV架空線常采用三角形排列，頂相做保護(hù)線。

（4）線路絕緣子上安裝氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器的工作原理：氧化鋅避雷器和線路絕緣子并聯(lián)，當(dāng)線路正常工作時(shí)，氧化鋅避雷器閥片電阻阻值很大，相當(dāng)于絕緣體，避雷器的存在對(duì)線路運(yùn)行沒(méi)影響；氧化鋅避雷器閥片對(duì)電壓敏感，當(dāng)線路電壓大于閥片起始動(dòng)作電壓（即U1mA，10kV系統(tǒng)氧化鋅避雷器U1mA大約為25kV）時(shí)，閥片電阻驟降，閥片導(dǎo)通，把雷電流引入其接地裝置，并通過(guò)其接地裝置向大地泄流，使線路絕緣子壓降降低，保護(hù)線路絕緣。當(dāng)雷電過(guò)電壓降到起始動(dòng)作電壓以下，閥片又截止，恢復(fù)絕緣狀態(tài)，沒(méi)有工頻續(xù)流。

氧化鋅避雷器的閥片比傳統(tǒng)的SiC閥片有更好的非線性，如圖所示，閥片在中電場(chǎng)區(qū)域非線性系數(shù)只有0.015～0.05，比SiC避雷器的0.2小得多，這使得氧化鋅避雷器在通過(guò)的雷電流變化比較大的區(qū)域內(nèi)保持較穩(wěn)定、較低的殘壓，保護(hù)效果較好。

4.帶外間隙氧化鋅避雷器在架空配電線路上的使用

配電線路防雷方面，比起架設(shè)避雷線或降低桿塔接地電阻，裝設(shè)氧化鋅避雷器成本要低得多，因此裝設(shè)氧化鋅避雷器是配電線路的主要防雷措施之一。

氧化鋅避雷器有帶間隙和不帶間隙兩種，不帶間隙的氧化鋅避雷器，長(zhǎng)期在系統(tǒng)工作電壓的作用下，容易老化，閥片如果密封不嚴(yán)會(huì)受潮，工作電壓下的泄漏電流有功分量產(chǎn)生有功損耗，都會(huì)導(dǎo)致閥片劣化。無(wú)間隙氧化鋅避雷器由于避雷器質(zhì)量問(wèn)題或老化，雷擊或過(guò)電壓后擊穿，導(dǎo)致線路失地，該類(lèi)型故障難以查找發(fā)現(xiàn)。所以線路上使用的氧化鋅避雷器大都是帶間隙的。

帶外串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器，在線路正常工作的情況下，外間隙可以起到隔離工作電壓和閥片的作用。當(dāng)線路過(guò)電壓超過(guò)外間隙的擊穿電壓加上避雷器的起始動(dòng)作電壓（即U1mA）時(shí)，外串聯(lián)間隙擊穿，同時(shí)避雷器導(dǎo)通，把雷電流引入其接地裝置，此時(shí)線路的電壓等于避雷器的殘壓，當(dāng)避雷器的殘壓小于線路絕緣的閃絡(luò)電壓，線路絕緣得到保護(hù)。

串聯(lián)外間隙的氧化鋅避雷器其U50%是外間隙的U50%和閥片的U1mA的和，其數(shù)值不應(yīng)低于系統(tǒng)的操作過(guò)電壓和暫時(shí)過(guò)電壓。

10kV架空導(dǎo)線加裝避雷器的基本原則：

（1）對(duì)于雷擊跳閘率較高的架空裸導(dǎo)線的直線桿，安裝以高壓導(dǎo)線為電極的外串聯(lián)間隙避雷器，或安裝帶高壓金具電極的外串聯(lián)間隙避雷器。

（2）對(duì)于雷擊跳閘率較高的絕緣導(dǎo)線的直線桿，安裝穿刺電極帶外串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器。當(dāng)雷電引起絕緣閃絡(luò)時(shí)，接續(xù)的工頻短路電流電弧的弧根固定在穿刺電極上燃燒，直至線路斷路器跳閘以熄滅工頻續(xù)流，從而避免燒傷絕緣子和熔斷絕緣導(dǎo)線。

（3）對(duì)于裸導(dǎo)線或絕緣導(dǎo)線的耐張桿，宜裝設(shè)帶支撐件的外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器。

（4）對(duì)于安裝帶串聯(lián)間隙有困難的個(gè)別桿塔，可安裝無(wú)間隙的氧化鋅避雷器，但應(yīng)配脫離器，以便在避雷器損壞時(shí)自動(dòng)脫落，防止對(duì)線路運(yùn)行造成影響。

（5）氧化鋅避雷器應(yīng)安裝在線路絕緣子的負(fù)荷側(cè)，為達(dá)到較好的防雷效果，應(yīng)該整條線路的每基桿塔的每一相都要安裝。

（6）對(duì)于既有線路，除配電變壓器、電纜頭，線路開(kāi)關(guān)兩側(cè)的桿塔要裝設(shè)人工接地裝置（接地電阻不大于30Ω）外，其他電桿可以不裝人工接地裝置。新建的線路桿塔要裝設(shè)人工接地裝置，且接地裝置要引出接地端子。

5.泉州供電公司直供區(qū)配電線路的防雷

2014年～2015年泉州供電公司直供區(qū)配網(wǎng)雷擊故障情況如表1：

表1 2014年～2015年直供區(qū)配網(wǎng)雷擊故障情況

直供區(qū)2014年雷擊故障102次，涉及60回饋線，架空線路雷擊故障率5.01次/百公里，雷擊故障率最高為洛江8.3次/百公里，最低為泉港2.48次/百公里。

直供區(qū)2015年1-6月雷擊故障41次，涉及31回饋線，架空線路雷擊故障率2.01次/百公里，雷擊故障率最高為洛江3.79次/百公里，最低為泉港0.99次/百公里。

直供區(qū)雷擊故障主要發(fā)生在洛江片區(qū)，約占直供區(qū)雷擊故障一半。

存在問(wèn)題：泉港土嶺片區(qū)地形與洛江相似，但架空線路雷擊故障率相比洛江及其他區(qū)域低。

主要原因：泉港架空線路瓷瓶已全部改造為瓷橫擔(dān)或柱式瓶，線路按照3～5根桿加裝一組避雷器。其他洛江、清濛、城區(qū)架空線路仍然存在PQ-15T、P-10T老舊瓷瓶，這些瓷瓶外部帶電部位與中心鐵腳絕緣層間距小，雷擊后瓷瓶易擊穿。除此，線路防雷設(shè)施不足，雷擊后線路易跳閘。部分線路避雷器接地電阻不符合要求，避雷器無(wú)法起到保護(hù)作用。

從以上的分析可知，配電線路采用加強(qiáng)絕緣，安裝帶外間隙的氧化鋅避雷器，降低桿塔接地電阻，都有明顯的防雷效果。

6.結(jié)束語(yǔ)

福建省地處東南沿海，是雷電活動(dòng)的高發(fā)區(qū)，10kV配電網(wǎng)主要承擔(dān)面向用戶輸送電能的任務(wù)，該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)的地區(qū)復(fù)雜多樣，防雷設(shè)置應(yīng)該根據(jù)不同地區(qū)的雷電活動(dòng)情況，綜合采取防雷措施，不斷積累防雷經(jīng)驗(yàn)，把架空線路的雷害降低到可接受的水平。

[1]洪雪燕、林建軍、王富勇編.安全用電.中國(guó)電力出版社，2008

[2]張力主編.高電壓技術(shù).中國(guó)電力出版社，2008

[3]張紅等主編.高電壓技術(shù).中國(guó)電力出版社，2006