10kV架空絕緣線路的雷擊分析及防雷對策

路 軍 丁堅勇

（1.廣東電網公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526060；2.武漢大學電氣工程學院，武漢 430072）

1 引言

配電網的供電可靠性是生產、應用和生活中的一個基本概念和重要指標。它不但影響工業企業生產用電和居民生活，而且影響用電的質量和社會效益。隨著配電網的飛速發展，供電區域被樹木覆蓋，線行下的建筑物、臺風等諸多因素的影響，使配電網的可靠性面臨新的考驗。受到自然界對配電網構成的威脅，從而產生了架空絕緣線路。肇慶供電局在2002年配電網改造中開始在城郊、縣城及城鎮使用架空絕緣導線，但每年的雷雨季節頻發雷擊斷線的故障。因此，架空絕緣線路防雷是一項非常重要的工作。

2 架空絕緣線路的特點

絕緣性能好。架空絕緣導線由于增加了一層絕緣層，所以絕緣性能比裸導線優越，可減少線路相間距離，降低對線路支持件的絕緣要求，提高同桿架設線路的回路數。

防潮抗腐蝕性能好。架空絕緣導線由于外層有絕緣層，所以比裸導線受氧化腐蝕的程度小，防潮抗腐蝕能力較強，可延長線路的使用壽命。

防外力破壞，減少受樹木、漂浮物、金屬氧化膜和灰塵等外在因素的影響，減少相間短路及接地故障。

強度達到要求。絕緣導線堅韌，整個導線的機械強度達到應力設計的要求。

但是，絕緣導線在應用過程中，也出現了一些新的問題。其中，最為突出的問題是，遭受雷擊時，容易發生斷線故障。

3 雷擊故障狀況

廣東省屬于雷暴多發地區，根據氣象部門提供的參考資料顯示我市近3年的平均雷電日為75～80天，屬于高雷電日地區。2009年全市配電網線路故障跳閘合計1514次，其中雷擊故障751次，占故障率的49.6%，可見，線路故障的主要原因是雷擊故障。全市共有10kV架空絕緣線路145kM，占全市配電線路的9%。據不完全統計，2007～2009年全市架空絕緣線路雷擊斷線25次，其中2007年10次，2008年9次，2009年7次。

4 雷擊斷線機理分析

配電網雷電過電壓閃絡，亦即大氣壓或高于大氣壓中大電流放電，為電弧放電形式。因雷電引起的絕緣導線斷線的起因與裸導線相同，是由雷電過電壓破壞了線路絕緣，造成線路的短路接地。由于我局10kV配網為經消弧線圈接地系統，故在單相接地時流過接地的電流得到補償，單相接地故障一般不至于斷線。當二相或三相之間閃絡而形成金屬性短路通道，引起數千安培工頻續流，電弧能量將驟增。

配電線路采用裸導線時，在受到雷擊后（包括直接雷和感應雷），會引起線路閃絡。此時，持續的工頻短路電流引起的電弧在電磁力的作用下，使電弧向導線落雷點的兩側迅速散發，雷電流經過線路、開關和變壓器等設備的避雷器迅速流入大地，或在工頻電流燒斷導線之前，引起跳閘，因而很少發生斷線事故。

但是，當絕緣導線遭受雷擊時，情況就不相同了，雷電過電壓引發絕緣子閃絡，并擊穿絕緣導線的絕緣層。而擊穿點附近的絕緣物，阻礙了電弧沿著導線表面向兩側快速移動。因而，電弧只能在擊穿點燃燒。高達數千安培的工頻電弧電流（kA/ms級）產生的熱量集中在絕緣擊穿點上，并在斷路器跳閘之前很快就將導線熔斷。閃絡熔斷點通常是在導線的絕緣子兩端10～30cm范圍內，因為此范圍的電場分布最薄弱。

當雷擊作用于絕緣子時，絕緣子的閃絡取決于過電壓值和線路絕緣水平，電弧產生的幾率通常取決于多個參數，即額定線電壓U2、閃絡路徑L、雷沖擊發生的時刻、雷電流的大小和線路參數等。在這些參數中主要決定于沿閃絡路徑的運行電壓平均梯度。

式中，L為閃絡長度，單位為m。

建弧率是隨著E的降低而降低的。通過對電弧火花放電過程的數據分析得到結論，E≤7～10kV/m時，建弧率為零。工頻短路電流與雷電產生的熱量造成電弧熔斷絕緣導線的熱量與電弧作用時間有關，電弧電流產生的熱量：

式中，I為弧電流，R為電弧電阻，t為作用時間。

假定雷電波波頭時間t為2μs，雷電流幅值為1kA；工頻短路電流作用時間為0.2s，短路電流亦為1kA。則按上式公式計算可知工頻續流產生的熱量將比雷電流產生的熱量大10000倍。可見感應過電壓是雷擊斷線的誘因，而工頻續流則是造成絕線導線斷線的決定因素。

在相同截面的裸導線和絕緣導線的電弧電流值和熔斷時間關系上看，絕緣導線的熔斷時間極短，同樣粗細的絕緣導線和裸導線，絕緣導線的熔斷時間僅為裸導線熔斷時間的1/5～1/10。這意味著，在變電站保護動作、遮斷故障電流前，導線斷線的可能性變大。由于絕緣導線斷線一般是在二相短路或三相短路故障時發生，所以，導致二相斷線、三相斷線的情況也多。

5 雷擊斷線的防護對策

防范架空絕緣導線雷擊斷線的辦法概括來說主要歸納為 “堵塞”和“疏導”兩種方式。“堵塞”就是提高線路的絕緣水平，降低絕緣雷擊閃絡的概率，阻止雷擊閃烙后工頻續流建弧。“疏導”就是允許線路有一定的雷擊閃絡概率，但要將雷擊閃絡后的工頻續流的弧根進行“疏導”，也就是將局部剝離絕緣導線，在絕緣子附近的絕緣導線局部裸線化，加裝防弧線夾，使工頻電弧弧根轉移，在剝離部分滑動，而不是固定在某一點燒蝕，從而保護導線免于燒傷。具體方法和措施如下：

（1）安裝架空地線，主要是將幅值很大的雷電過電壓轉化為電流，經桿塔的接地電阻排泄出去，從而大幅度降低雷電過電壓，使導線得到保護。10kV配電網絕緣水平較低，雷擊架空地線后很容易造成反擊閃絡，仍然還會發生工頻續流燒斷絕緣導線的故障。而且根據統計，配電線路遭受直擊雷或繞擊雷的概率較小，約只占雷害事故的20%，配電線路上80%的雷電過電壓故障是感應過電壓。沒有安裝架空地線的10kV架空線路最高感應電壓可達550kV，而安裝架空地線后，最高感應過電壓降幅多達40%。因此，在雷擊頻繁的區域的配電線路安裝架空地線是可以限制感應過電壓的重要舉措。

（2）安裝無間隙線路復合外套氧化鋅避雷器，氧化鋅避雷器可以限制感應過電壓幅值，在雷擊閃絡后吸收放電能量，阻止工頻續流起弧，從而達到保護絕緣導線的目的。氧化鋅避雷器的保護范圍、雷電特性和避雷器參數，與避雷器接地網的接地電阻數值和線路絕緣水平有關，而其中的雷電特性目前難以收集現場數據，只能是根據研究機構提供的模擬現場試驗數據，采用線路避雷器防雷抑制雷害，關鍵是接地線的接地阻抗，當線路受到感應雷擊時，若線路沒有避雷器產生的對地電壓為UP，則有避雷器時線路上產生的對地電壓為如下：

肇慶市城郊北嶺山下2002年建設，2003年投入運行的10kV瑞花線等四條同桿雙回線路，設計是按照感應過電壓幅值為200-300kV峰值，波頭為2μS；線路采用FP-1-0/2.5或FZS－0/5T針式、支柱復合絕緣子，防雷接地電阻為10～25Ω，每隔2～3檔桿結合規劃的引下刀閘安裝一組避雷器，運行8年只發生2次雷擊斷線，檢查發現斷線點都發生在兩組避雷器之間的桿塔上，復合外套氧化鋅避雷器作為線路過電壓保護，可減少雷擊斷線故障，但由于保護范圍的限定，不能完全杜絕雷擊斷線事故，而且長期承受運行電壓，加速了電阻閥片的劣化而損壞或接地引下線被盜，都將失去線路的保護作用。

（3）安裝架空線路過電壓保護器，它是由非線性電阻限流元件（氧化鋅閥片）及串聯放電間隙（不銹鋼引流環）組成，當雷電過電壓或其他故障原因引發對地閃絡形成金屬性電弧放電短路時，線路保護器中特殊設計的不銹鋼引流環可以將千安級工頻續流直接引向非線性限流元件，并借助于電阻限流元件的非線性特性將正弦波形的工頻續流轉變成為尖頂波。尖頂波電流在過零前有一段時間內電流幅值較小，同時，限流元件的殘壓削減放電電壓，使電弧瞬間熄滅而達到迅速截斷工頻續流，達到有效防止架空絕緣導線因工頻續流高溫而熔斷（雷擊斷線）的目的。這種方式與絕緣子并聯安裝，不破壞絕緣導線的絕緣層，提高了線路的沖擊耐壓水平，確保只在特別高的雷電感應過電壓作用下才閃絡，工頻續流會因合成絕緣子的放電爬距大而無法建弧而熄滅。

架空線路過電壓保護器優點：①維護管理簡便；②保護器動作時工頻續流立即中斷，斷路器不會動作跳閘，供電不會中斷；③對于絕緣導線不需剝去導線的絕緣層，不會裸露有電部分，可以采用帶電安裝。缺點：①投資較大；②桿上設備數量增加；③需要安裝接地裝置。

我局在2008年開始在架空絕緣線路上安裝過電壓保護器，運行一年多，安裝過電壓保護器的線路沒有發生斷線故障。

（4）在架空絕緣線路安裝防弧金具，金具在距離絕緣子中心150～200mm的范圍內（負荷側）剝離一小段絕緣導線的絕緣層，安裝上防弧金具，可使雷電過電壓均在防弧金具與絕緣子鋼腳之間定點閃絡，持續的工頻短路電流電弧的弧根固定在防弧金具上燃燒，從而保護導線免于燒傷。該方式操作簡便、投資少，無需接地裝置，能防止雷擊斷線，但需剝離絕緣層，存在局部導體裸露，存在著密封和絕緣的缺陷，并且在雷擊后必須要更換燒傷的防弧金具。

2009年城區10kV架空絕緣線發生雷擊斷線故障，變電站側測得短路電流高達18kA， 絕緣線路上的柱上真空斷路器燒毀，安裝在線路的防弧金具有明顯的放電痕跡，分析架空絕緣線路是遭受直擊雷的侵襲，雷擊點的雷電流超過30kA，線路上的防弧金具和避雷器都沒能有效的“堵塞”和“疏導”，造成絕緣導線的斷線。

6 結論

雷電是一個復雜的自然現象。綜上所述，單純依靠某項保護措施難以解決絕緣線路的防雷問題，必須采取綜合防雷對策才能有效的防止雷擊事故發生。采用“疏導”和“堵塞”相結合的方式，即架空絕緣線路每3～4檔安裝過電壓保護器，其余的桿塔上安裝防弧金具相結合的防雷措施，能有效地減少雷擊閃絡概率，避免雷擊斷線故障發生，保證配電網的安全運行。

[1]許穎,徐士珩.交流電力系統過電壓防護及絕緣配合[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2][日]橫山茂著.吳國良譯.配電線路雷害對策[M].北京:中國電力出版社,2008.

[3]中國電力百科全書:輸電與配電卷.北京:中國電力出版社,1995.