基于實際雷電參數(shù)的10kV 架空絕緣線路防雷分析

何建林，張 電，劉渝根，田金虎

（1.重慶市電力公司江北供電局，重慶 401147;2.重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044;3.重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

0 引言

架空絕緣導線以其安全、可靠、經(jīng)濟、建設維護方便等優(yōu)勢在城市配電網(wǎng)中得到廣泛應用。但研究及實際運行經(jīng)驗均顯示:架空絕緣導線雷擊易斷［1－2］。1969 ～1971 年日本全國中壓配電線路，絕緣導線雷擊斷線率為96.8%［1］;1974～1975年兩年間美國PP＆L公司所屬線路50%的事故是由于雷電過電壓引起的，絕緣線路共發(fā)生雷擊斷線事故397次［3］;重慶江北供電局2005～2007年三年間10kV架空絕緣配電線路共發(fā)生雷擊事故46起，其中斷線12起，雷擊斷線率達26.09%。

不同地區(qū)因地形、氣候等條件差異，雷電活動情況、線路遭受雷擊事故也有很大的差異，因此采用絕緣導線的輸電線路的防雷工作，應根據(jù)線路所經(jīng)地區(qū)的實際雷電活動情況結(jié)合運行經(jīng)驗采取有針對性的措施［4］。

筆者參考國內(nèi)外現(xiàn)有防雷措施的成功經(jīng)驗，結(jié)合重慶電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)(LLS)收集雷電參數(shù)，分析感應過電壓作用下10kV架空絕緣導線雷擊閃絡情況，結(jié)合線路實際運行情況，提出適合于10kV架空絕緣線路的綜合防雷措施。

1 雷電參數(shù)

根據(jù) DL/T620 －1997［5］，在過電壓計算時，多雷區(qū)雷暴日為40;地面平均落雷密度為0.07次/(km2·d);年平均雷暴日大于20的地區(qū)，雷電流幅值概率分布公式為:

式中:I為雷電流幅值，kA。

架空配電線路分布廣，所經(jīng)地區(qū)氣候條件差異很大，如不考慮線路實際經(jīng)過地區(qū)的雷電活動情況，完全依照規(guī)程顯然不能夠全面、有效地指導線路防雷工作。

利用雷電定位系統(tǒng)對重慶江北供電局轄區(qū)范圍內(nèi)的雷電活動收集顯示:2001～2007年7年間，重慶市江北區(qū)共發(fā)生落雷13938次，其中負極性落雷占93.4%。年平均雷電日數(shù)為81.9，平均每個雷電日有3.138個雷電小時，地面平均落雷密度達到了0.1104次/(km2·d)。其雷電流幅值分布直方圖如圖1所示。

圖1 雷電流幅值分布直方圖

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)收集參數(shù)可以看出，重慶市江北區(qū)雷電活動強烈，超過了多雷區(qū)的一般水平，地面落雷以負極性為主。根據(jù)統(tǒng)計地面落雷主要集中在50kA以下，占總落雷的 83.99%;幅值超過100kA的落雷僅占3.74%。根據(jù)規(guī)程建議雷電流幅值概率分布規(guī)律，確定雷電流幅值概率分布公式為:

根據(jù)收集雷電參數(shù)通過擬合確定系數(shù)a=0.0261，b= －64.8185。由式(1)、(2)繪制雷電流幅值概率曲線如圖2所示，從圖中可以看出，擬合公式(2)滿足雷電流概率分布規(guī)律。

圖2 雷電流幅值概率曲線

2 感應過電壓計算

低壓配電線路由于絕緣水平低、分布廣，感應過電壓引起的雷害故障次數(shù)明顯增加，有研究表明，10kV架空配電線路由雷擊引起閃絡或故障的主要因素不是直擊雷過電壓，而是感應雷過電壓，感應雷過電壓引起的雷擊故障超過90%［6-7］。當雷擊線路附近大地時，在輸電線路三相同時產(chǎn)生感應過電壓，往往發(fā)生兩相或三相絕緣子同時閃絡，而10kV配電網(wǎng)在單相絕緣發(fā)生閃絡而短路接地時，斷路器不會跳閘，只有在兩相或三相同時閃絡接地時，才會引起斷路器跳閘。而實際斷線事故中，線路一般不是一相斷線，而是兩相或三相同時斷線，因此，引起線路斷線的主要原因應是雷擊線路附近大地時，在導線上產(chǎn)生的感應過電壓使得線路絕緣發(fā)生兩相或三相同時閃絡而引起的［8］，10kV配電線路防雷的重點應是感應雷。

雷擊導線附近大地時，當雷擊點與導線水平距離S大于65m，且遠大于導線高度h時，導線上的感應電壓為［9］:

式中:I為雷電流幅值，kA;h為導線懸掛的平均高度，m;k為感應過電壓系數(shù)，Ω。當S不滿足“S＞65m，S?h”時，導線上的感應過電壓為:

感應過電壓系數(shù)k的值可根據(jù)線路實測結(jié)果和模擬試驗來確定，我國規(guī)程建議，當S＞65m時，取k=25Ω，前蘇聯(lián)則取30Ω;國內(nèi)也有學者通過對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析得出取為32.1Ω［9］，本文計算時采用規(guī)程建議值。

將Ui取為絕緣子的50%雷電沖擊放電電壓值U50%，由式(3)可以得到引起絕緣閃絡的最小雷電流幅值為:

由式(1)(2)可以得到幅值超過Imin的雷電流，擊于距離導線S的位置時，引起導線絕緣閃絡的概率P(Imin)。因此，每100km線路每年因感應雷作用引起絕緣閃絡的次數(shù)為［10］:

式中:Smax=25hImax/U50%，m;Imax為最大雷電流幅值，kA;Td為年平均雷暴日;γ為地面平均落雷密度，次/km2·d;a、b 為系數(shù)。

3 線路雷擊閃絡率計算分析

根據(jù)實際統(tǒng)計，重慶江北供電局2001～2007年10kV架空配電線路雷擊跳閘情況如表1所示，線路絕緣子主要采用P20型針式絕緣子。

表1 10kV線路雷擊跳閘統(tǒng)計

計算條件，導線對地高度取為12m，線路絕緣子采用P20、P15針式絕緣子和PS15柱式絕緣子，其50%正、負極性雷電沖擊放電電壓分別為310kV和220kV、200kV 和175kV、及206kV 和145kV［10］。Imax分別取為60kA、80kA、100kA、120kA。雷電參數(shù)分別取規(guī)程規(guī)定值和實際值由式(6)有正、負極性雷擊引起線路閃絡概率如表2、表3所示。

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)統(tǒng)計正極性落雷占6.6%，負極性落雷占93.4%由表2、表3可以求出每100km線路每年因雷擊引起的絕緣閃絡次數(shù)如表4所示。

分析比較表1～4可以看出:江北局10kV架空絕緣導線雷擊跳閘率較高，年平均雷擊跳閘率為5.7647次/(100km·a)，最高時達到了12.3549次/(100km·a);由于絕緣子負極性50%雷電沖擊放電電壓高于正極性雷電沖擊放電電壓，因此地面落雷為正極性時的雷擊閃絡率低于負極性落雷時的雷擊閃絡率;根據(jù)統(tǒng)計，地面落雷以負極性為主，因此總的線路雷擊閃絡率與負極性落雷時的計算結(jié)果相近。在最大雷電流均值(Imax)取為100kA，采用P20型針式絕緣子時，按規(guī)程規(guī)定的雷電參數(shù)計算得到，10kV架空絕緣導線絕緣子閃絡概率與實際雷擊跳閘率在同一量級上，用實測值計算得到的絕緣子閃絡率約為實際跳閘率的2倍。而對于10kV配電線路引起線路雷擊跳閘的條件是:雷擊引起線路絕緣閃絡，并建立穩(wěn)定的工頻電弧且形成相間短路。由于單相接地短路時線路不跳閘，因此線路雷擊跳閘率n=N·η，η(小于1)為引起相間閃絡建弧率，η=(4.5E0.75－14)×10－2。其中，E為跳閘在相間閃絡后產(chǎn)生的平均電場強度，kV［1］。依照上式對P20、P15、PS15三種絕緣子的建弧率進行估算，其建弧率分別為0.4412、0.2781、0.5980，因此雷擊跳閘率n應為(0.3～0.6)·N，可見本文采用實際雷電活動情況來分析計算10kV架空絕緣導線雷擊閃絡率比采用規(guī)程規(guī)定值計算更貼近實際情況。

表2 正極性雷擊時絕緣子閃絡概率計算值

表3 負極性雷擊時絕緣子閃絡概率計算值

表4 雷擊閃絡概率計算值

4 綜合防雷措施

為防止10kV架空絕緣導線雷擊斷線，降低雷擊跳閘率，目前采用的防雷措施主要有安裝串聯(lián)外間隙氧化鋅避雷器、穿刺型防弧金具、防雷支柱絕緣子、絕緣橫擔等。

4.1 支柱絕緣子配合穿刺型防弧金具

近年來國內(nèi)各大城市應用較多的穿刺型防弧金具，防止雷擊斷線效果好，而且防弧金具成本低，安裝維護方便［11］。

通過雷電沖擊伏秒特性試驗得到FHJ型穿刺防弧金具與柱式絕緣子伏秒特性如圖3所示。從圖中可以看出FHJ型防弧金具能夠在絕緣子閃絡之前放電，從而使電弧在金具上釋放能量燃燒，減少絕緣導線斷線事故的發(fā)生。

圖3 PS－15支柱絕緣子與FHJ型防弧金具伏秒特性

重慶江北供電局于2007年在轄區(qū)10kV易發(fā)生雷擊斷線線路安裝支柱絕緣子配合穿刺型防弧金具120只做試驗，如圖4所示，經(jīng)過近三年的跟蹤觀察，線路經(jīng)歷了雷雨季節(jié)的考驗，沒有發(fā)生一起跳閘事故，說明穿刺型防弧金具發(fā)揮了預期的作用。下一步可以根據(jù)運行經(jīng)驗對易發(fā)故障段線路大面積地安裝防弧金具。

圖4 支柱絕緣子配合穿刺型防弧金具實際應用

4.2 串聯(lián)外間隙氧化鋅避雷器

研究及運行經(jīng)驗均表明，線路普通避雷器不但能夠提高直擊雷作用下的線路耐雷水平，而且能夠有效抑制感應過電壓［12］。但是裝設線路避雷器僅僅只能提高線路耐雷水平，降低雷擊閃絡率，不能杜絕雷擊斷線事故的發(fā)生，而且避雷器長期承受工作電壓，容易老化。

針對線路型避雷器的這一缺陷，近年來出現(xiàn)了一種新型防雷保護裝置，即帶串聯(lián)外間隙的氧化鋅避雷器［13～14］，這種避雷器在正常情況下避雷器不承受工作電壓的作用，避雷器壽命增長，而且檢修容易，當有雷電過電壓作用時，避雷器能夠提高線路耐雷水平，降低絕緣閃絡概率，而且外間隙起到引弧的作用，即使絕緣閃絡，接續(xù)的工頻電弧也不會集中在一點燃燒，防止絕緣導線斷線事故的發(fā)生。即使避雷器完全老化失效，串聯(lián)間隙還能起到防弧金具的作用。

保證電力系統(tǒng)安全、可靠運行的同時要考慮到經(jīng)濟成本。普通避雷器能夠有效提高線路耐雷水平，但是避雷器的保護范圍小，基本需要每基安裝，采用帶外間隙的線路避雷器彌補普通避雷器的不足，同時節(jié)約安裝成本，還能防止導線雷擊斷線，經(jīng)濟效果明顯。

因此，配電線路的防雷工作，根據(jù)實際運行經(jīng)驗在線路易擊段，重要供電線路(如變電站進線段)，以及耐張桿等不適宜采用防弧金具等防雷措施的桿塔，可以通過每基桿塔安裝串聯(lián)外間隙氧化鋅避雷器，提高線路耐雷水平并防止絕緣導線雷擊斷線，在其它線路段每基安裝穿刺型防弧金具綜合利用，能有效防止絕緣導線雷擊斷線。

5 結(jié)論

(1)利用雷電定位系統(tǒng)能夠有效收集線路所經(jīng)地區(qū)雷電參數(shù)，確定實際雷電活動情況，為輸電線路的防雷工作提供幫助。

(2)對于10kV配電線路進行防雷計算分析時，采用線路所經(jīng)地區(qū)雷電參數(shù)實測值，比規(guī)程規(guī)定值計算結(jié)果更貼近實際，能夠更好的反映實際雷擊跳閘情況。

(3)采用支柱絕緣子配合穿刺型防弧金具，防弧金具能夠有效放電、引弧，避免絕緣子閃絡及斷線事故的發(fā)生。

(4)10kV架空絕緣線路防雷，可以根據(jù)線路實際情況，結(jié)合運行經(jīng)驗充分利用各種防雷措施，對易擊段、重要線路段及不易改造的耐張桿可以每基安裝串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器、增加絕緣子片數(shù);對其它線路段可以采用穿刺型防弧金具，不但能夠提高供電可靠性，而且成本較低。

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