配電線路防雷措施及保護(hù)效果分析

福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 吳龍偉

配電網(wǎng)具有數(shù)量多、分布廣等特征，且大部分配電線路都是暴露于室外環(huán)境下，導(dǎo)致配電線路遭受雷擊現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。在配電線路方面存在線路電壓等級(jí)低、線路總長(zhǎng)度長(zhǎng)、線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，此外配電線路的絕緣性較差，一旦遭受雷擊線路損壞的幾率較高，在雷防護(hù)方面需要引起高度重視。一旦線路直接造成雷擊，在雷電流的作用下線路對(duì)地阻抗會(huì)產(chǎn)生巨大電位差、出現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)。當(dāng)線路周邊出現(xiàn)落雷，配電線出現(xiàn)電磁感應(yīng)導(dǎo)致過電壓會(huì)瞬間升高，致使絕緣結(jié)構(gòu)被破損，引發(fā)火災(zāi)及設(shè)備損壞等一系列安全事故。

相比于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)配電網(wǎng)起步較晚、建設(shè)不足，由于雷電等惡劣氣候影響引發(fā)的配電網(wǎng)安全事故接連發(fā)生，由雷擊導(dǎo)致跳閘率顯著提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有事故中由雷電引發(fā)的事故率占比50%以上，因此，加強(qiáng)配電線路雷電防護(hù)、保證供電系統(tǒng)可靠性、降低雷電帶來的經(jīng)濟(jì)損失，是我國(guó)電力企業(yè)面臨的首要問題。

1 配電線路防雷措施及保護(hù)效果分析

1.1 雷擊對(duì)配電線路的影響

按雷擊性質(zhì)有直擊雷和感應(yīng)雷兩種類型。直擊雷即當(dāng)空間電荷集中在一起形成雷電云，雷電流隨空氣流動(dòng)遇到配電線路時(shí)在配電線路上產(chǎn)生過電壓，通過線路經(jīng)桿塔或直接經(jīng)變電站設(shè)備擊穿絕緣形成放電通道放電；當(dāng)感應(yīng)雷雷擊中配電線路周邊的物體時(shí)產(chǎn)生靜電感應(yīng)，導(dǎo)致配電線路上積累大量電荷，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。雷電流擊中配電線路時(shí)會(huì)產(chǎn)生高壓效應(yīng)、電流熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，當(dāng)雷電擊中線路時(shí)電壓瞬間升高，高壓沖擊電力設(shè)備直接擊穿絕緣體，致使設(shè)備發(fā)生短路、起火、爆炸等安全事故；同時(shí)電流的瞬間變大還會(huì)引發(fā)配電線路過熱，致使線路熔化、引發(fā)火災(zāi)；線路被擊中時(shí)，在大電流下使得配電線路間產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)力，超過了配電線路承受范圍，導(dǎo)致線路發(fā)生損壞。

1.2 提高線路絕緣水平

提高線路絕緣水平是提升配電線路防雷性能的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)絕緣材料由于本身耐候性差，導(dǎo)致隨著時(shí)間的推移性能也逐步降低，耐雷擊性能也會(huì)下降。在新材料、新技術(shù)的高速發(fā)展下，配電線路的絕緣水平得到顯著提升。芳綸復(fù)合材料就就是一種代表性的新型材料，芳綸是一種高性能的合成纖維，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、熱持久穩(wěn)定、耐酸、耐強(qiáng)特性，還有優(yōu)異的阻燃性和電氣絕緣性能，極限氧指數(shù)大于29%，制備的絕緣紙擊穿電壓可高達(dá)100000V/mm。

現(xiàn)階段，配電線路的橫擔(dān)型式及性能特點(diǎn)如下：鐵橫擔(dān)+絕緣子。主要由鐵橫擔(dān)和各種絕緣子組合而成，具有通用性強(qiáng)特征，適用于大多地形以及不同類型的桿塔，不足之處是絕緣水平較低，抗雷水平低。

玻璃纖維復(fù)合材料橫擔(dān)。主要由玻璃纖維與樹脂復(fù)合而成，具有高強(qiáng)、電絕緣、防腐蝕等特性，但存在的問題是重量大、難安裝、通用性不強(qiáng)，目前只能用于直線桿塔上，局限性大；芳綸復(fù)合材料橫擔(dān)。具有高強(qiáng)、耐高溫、輕質(zhì)等特點(diǎn)，有效彌補(bǔ)玻璃纖維復(fù)合材料橫擔(dān)的不足，還方便帶電作業(yè)。

通過將芳綸復(fù)合材料橫擔(dān)應(yīng)用于實(shí)際工程中，可提高在配電線路上的絕緣水平，有效解決高污染區(qū)域絕緣子閃絡(luò)問題。沿海城市屬絕緣子閃絡(luò)高發(fā)區(qū)，通過利用芳綸復(fù)合材料橫擔(dān)可顯著提高絕緣水平，完善防雷措施。同時(shí)，配電線路采用復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)，使得絕緣距離、線間距均增大，為開展帶電作業(yè)提供了有利條件，極大地保證了施工人員的安全性。

1.3 線路避雷器保護(hù)分析

對(duì)雷害較重地區(qū)已基本采用安裝線路避雷器方式來進(jìn)行配電線路的雷電防護(hù)，利用避雷器電阻的非線性特性來對(duì)絕緣子串進(jìn)行保護(hù)，降低雷擊跳闡率。線路避雷器的安裝方式對(duì)防雷效果有重要影響，其與桿塔絕緣子串的并聯(lián)安裝方式主要有三種：雷電過電壓先作用于線路避雷器，再作用于桿塔絕緣子串；雷電過電壓同時(shí)作用于線路避雷器和桿塔絕緣子串；雷電過電壓先作用于桿塔絕緣子串后作用于線路避雷器。由于桿塔自身?xiàng)l件會(huì)限制避雷器的安裝方式，在實(shí)際工程中大多會(huì)選擇第三種安裝方式。其中，線路避雷器與桿塔絕緣子串并聯(lián)距離通常在1~3m左右。該種方式存在的問題是，當(dāng)雷電直擊桿塔或繞擊導(dǎo)線時(shí)，對(duì)于波頭陡度較高的雷電過電壓極易導(dǎo)致直接造成桿塔絕緣子串閃絡(luò)，降低避雷器保護(hù)效果甚至喪失保護(hù)功能。

一直以來避雷器絕緣配合問題是關(guān)鍵問題，現(xiàn)階段大多配電網(wǎng)中避雷器與絕緣子通常是獨(dú)立設(shè)計(jì)、安裝，因此在應(yīng)用過程中暴露出許多問題。研究人員展開了新型防雷復(fù)合絕緣子的研究設(shè)計(jì)工作，主要是通過在內(nèi)部放置氧化鋅材料改變其電場(chǎng)分布，其抗彎性能可達(dá)3kN，滿足實(shí)際運(yùn)行要求（2.38kN），還通過模擬仿真對(duì)防雷性能進(jìn)行了分析，通過幅值65kA波形4/10μs電流沖擊復(fù)合絕緣子，當(dāng)雷擊于距離桿塔65m處時(shí)，其最大耐受直擊雷為-35kA、感應(yīng)雷為-147kA。

1.4 避雷線保護(hù)分析

架設(shè)避雷線是目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一項(xiàng)防雷技術(shù)，避雷線材料多采用鋁包鋼絞線和鋼絞線，避雷線的主要作用是通過線→桿塔→大地釋放電荷，安裝避雷線是降低配電線路面遭受雷電沖擊的重要防護(hù)措施。

在架設(shè)避雷線工程中保護(hù)角的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，通常保護(hù)角的確定范圍是要根據(jù)保護(hù)角與雷電繞擊率間的關(guān)系確定，首先，保證導(dǎo)線的最低處距離地面不小于6.5m，避雷線架設(shè)高度要保證導(dǎo)線與避雷線滿足足夠的電氣安全距離。以10kV的配電線路為例，當(dāng)增大避雷線的保護(hù)角耦合系數(shù)隨之提高，線路的耐雷水平也得到了一定的提升，但增大保護(hù)角又會(huì)增加雷電繞擊的概率，增大了絕緣導(dǎo)線遭受雷擊的概率，因此要科學(xué)設(shè)置保護(hù)角，過大或過小都不利于提高整體防雷效果。

避雷線安裝完成后要還要做好定期安全檢查工作，檢查避雷線是否存在繡蝕、斷絲現(xiàn)象，若避雷線弛度過大還需重新拉緊，同時(shí)要做好接地電阻的檢測(cè)工作，要保證接地電阻值小于10Ω，保證避雷線起到良好的防雷作用。

2 防雷措施保護(hù)效果因素分析

2.1 外部環(huán)境因素的影響

在分析防雷措施保護(hù)效果時(shí)還要考慮到外部環(huán)境因素影響，通常環(huán)境條件不同時(shí)防雷效果方面也存在一定的差異。配電線路在遇到雷電襲擊時(shí)，環(huán)境因素是雷電過電壓類別的主要決定者。通常架空線路的高度都在十米左右，當(dāng)線路所處周邊環(huán)境有大量植物或較高的建筑物時(shí)，雷電不易直接擊中線路或桿塔，大多數(shù)故障都是由于感應(yīng)雷過電壓造成，鑒于此，可通過從考慮阻擋感應(yīng)雷過電壓的方面開著手開展防雷保護(hù)工作，如可在適宜位置安裝避雷器減小跳閘率。但當(dāng)線路位于山區(qū)地帶時(shí)周邊不存在高層建筑物，這就會(huì)加大線路落雷的幾率，針對(duì)該問題可通過強(qiáng)化線路絕緣、設(shè)置避雷線等辦法來提升線路防雷保護(hù)能力。

2.2 土壤電阻率和桿塔接地電阻的影響

土壤電阻率大小是影響接地電阻的關(guān)鍵因素，通常土壤電阻率偏大接地電阻也會(huì)較大，當(dāng)線路周邊土壤電阻率偏大時(shí)感應(yīng)雷過電壓就會(huì)增高，耐雷水平也會(huì)降低，加大了跳閘率。通過安裝避雷器來限制感應(yīng)雷過電壓，僅能解決對(duì)應(yīng)位置的絕緣子閃絡(luò)問題，其余未安裝避雷器位置處的絕緣子依然易發(fā)生閃絡(luò)，對(duì)于未裝避雷器的桿塔上，當(dāng)接地電阻大于10Ω時(shí)也會(huì)發(fā)生絕緣子閃絡(luò)，如接地電阻較大時(shí)可通過適當(dāng)增大避雷器的安裝密度來進(jìn)行彌補(bǔ)、或是采取有效措施來降低接地電阻，如向土壤環(huán)境中添加降阻劑、利用自然接地體、人工換土或利用石墨烯等新型材料來降低接地電阻?？梢姡谶M(jìn)行線路壁避雷器設(shè)置及架設(shè)避雷線的過程中，合理控制桿塔接地電阻尤為重要。

2.3 配電線路防雷措施改進(jìn)意見及建議

對(duì)配電線路進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于位于特殊區(qū)域易遭受雷電強(qiáng)度大、直擊雷害較為嚴(yán)重的線路桿塔，可考慮在其雷電繞擊側(cè)邊相導(dǎo)線或兩邊相導(dǎo)線安裝線路避雷器，防止直擊雷危害線路。線路避雷器要采用科學(xué)的安裝方式，可借助計(jì)算機(jī)技術(shù)做好前期設(shè)計(jì)工作，確定合適的安裝數(shù)量和適宜的安裝位置，在選擇線路避雷器時(shí)還要考慮落雷密度、能量吸收能力、路避雷器自身的重量、覆冰重量等，不單是向以往憑借工程經(jīng)驗(yàn)大量選取單一類型的防雷裝置，應(yīng)從防雷性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)兩方面著手考慮，科學(xué)安裝防雷裝置。

積極將新材料、新技術(shù)、新裝置應(yīng)用于配電線路防雷工程中，考慮將新型防雷復(fù)合絕緣子應(yīng)用于防雷設(shè)計(jì)中；同時(shí)采用高效降阻新技術(shù)，科學(xué)運(yùn)用石墨烯等高性能材料來降低接地電阻，以期發(fā)揮高效、持久的降阻作用。

3 結(jié)語(yǔ)

做好配電線路的防雷保護(hù)工作是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，是保證社會(huì)安定有序運(yùn)行的關(guān)鍵，電力企業(yè)應(yīng)高度重視配電線路的安全性，做好線路的雷電防護(hù)工作，結(jié)合工程實(shí)際情況，有針對(duì)性的采用適宜的防雷措施。

與此同時(shí)，電力企業(yè)及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)還應(yīng)在防雷設(shè)計(jì)研究方面加大研發(fā)經(jīng)費(fèi)的投入。一方面，在防雷評(píng)估技術(shù)方面，要對(duì)雷電參數(shù)、線路本體特征及環(huán)境因素對(duì)防雷性能影響展開系統(tǒng)研究；另一方面，在雷電防護(hù)措施方面，充分結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、仿真模擬評(píng)估防雷措施的有效性；與此同時(shí)，加強(qiáng)新型防雷技術(shù)和材料的研發(fā)和應(yīng)用，關(guān)注小型化、智能化、高壓化及直流線路避雷器的開發(fā)，提升配電線路的防雷性能，助力電力系統(tǒng)的高質(zhì)量發(fā)展。