配網(wǎng)10KV架空線路綜合防雷方案淺析

三峽電力職業(yè)學(xué)院 袁 帥

配網(wǎng)10KV架空線路綜合防雷方案淺析

三峽電力職業(yè)學(xué)院 袁 帥

雷電對(duì)10kV絕緣架空線路有很大的危害性，配電網(wǎng)防雷的目的是避免雷擊斷線，并使線路因雷擊跳閘的次數(shù)減少到最低限度、達(dá)到配電線路設(shè)備的損害幾率最小。本報(bào)告從技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟(jì)上的合理性，提出防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線、跳閘的措施，將雷擊事故減少到可以接受的程度，以保證供電的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

配網(wǎng)；架空線路；防雷方案

自1752年富蘭克林利用風(fēng)箏引雷，并發(fā)明避雷針后，人們意識(shí)到避雷針實(shí)際上就是引雷針，引導(dǎo)雷電通過(guò)避雷針進(jìn)行放電，并讓雷電流沿避雷針的接地引下線入地泄放。隨著大量的研究試驗(yàn)以及長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，避雷針的保護(hù)范圍有限，不能用于架空線的防雷保護(hù)。

一、綜合防雷方案比較

方案一：在架空線上方架設(shè)避雷線。其原理是引雷，但由于存在繞擊因素，架空避雷線往往不能完全把雷電引到避雷線上，導(dǎo)致受其保護(hù)的架空線仍有可能遭受雷擊。

方案二：架空導(dǎo)線上直接安裝避雷器。這是一種有效的防雷方法，避雷器一端與架空導(dǎo)線連接，另一端接地。當(dāng)架空導(dǎo)線未遭受雷擊時(shí)，避雷器是一個(gè)高電阻；當(dāng)架空導(dǎo)線遭到雷擊時(shí)，避雷器被雷電波尖峰擊穿而呈低電阻，雷電流通過(guò)避雷器及與地連接的橫擔(dān)入地泄放，當(dāng)雷電波尖峰過(guò)后，避雷器阻抗上升，架空導(dǎo)線與地之間恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)。

避雷器遭到雷擊后，有可能損壞出現(xiàn)開(kāi)路或短路狀態(tài)。如果避雷器發(fā)生短路，可能導(dǎo)致架空導(dǎo)線通過(guò)短路的避雷器接地，造成電源跳閘；并且避雷器長(zhǎng)期和帶電架空線連接，產(chǎn)生的泄漏電流易使避雷器芯片老化而損壞。由于以上原因，避雷器的應(yīng)用也受到了限制。

方案三：采用有間隙的避雷器。為了防止避雷器因短路損壞而造成的跳閘事故，采用有間隙的避雷器，但由于間隙小，不能從根本上克服避雷器因短路造成的跳閘。

方案四：采用防弧線夾或防雷支柱絕緣子。這是解決架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線最經(jīng)濟(jì)有效的方法，選擇此類產(chǎn)品應(yīng)注意其穿刺結(jié)構(gòu)、引弧棒設(shè)計(jì)以及間隙設(shè)計(jì)，在安裝時(shí)也應(yīng)特別注意。

采用防弧線夾或防雷支柱絕緣子雖然能解決架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線，但并不能減少跳閘，主要是由于防弧線夾或防雷支柱絕緣子不能迅速斷弧，必須要經(jīng)過(guò)四、五個(gè)工頻周期才能斷弧。

方案五：采用帶阻雷體的多功能防雷器與現(xiàn)有SC-15氧化鋅避雷器結(jié)合的方式進(jìn)行綜合防雷。采用此方案，既可有效防止架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線問(wèn)題，又可降低因雷擊跳閘率，大大減小了雷擊對(duì)線路、設(shè)備的侵害。

二、有效防雷方案分析

（一）帶阻雷體的多功能防雷器

（1）原理

多功能防雷器由絕緣子、刺齒、引弧棒、阻雷體組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

多功能防雷器，其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)帶外間隙的避雷器，阻雷體的接雷端與引弧棒之間有空氣間隙，阻雷體另一端與電桿橫擔(dān)直接連接。由于阻雷體與架空導(dǎo)線間存在空氣間隙，空氣間隙未被雷電擊穿前，阻雷體呈高阻，當(dāng)架空導(dǎo)線受到雷擊，電位升高后，引弧棒的放電端電位也隨之升高，當(dāng)引弧棒放電端與阻雷體的支撐板之間的電位差達(dá)到擊穿空氣間隙電壓值時(shí)，阻雷體導(dǎo)通呈低阻，雷電流通過(guò)阻雷體，并通過(guò)阻雷體的接地端泄放雷電流。此過(guò)程中阻雷體消耗了雷電的能量，因而起到防雷的作用。

表1 普通避雷針垂直布置試驗(yàn)結(jié)果

表2 阻雷體垂直布置試驗(yàn)結(jié)果

引弧棒與阻雷體之間的續(xù)流是由架空線的電位維持的，而架空線是工頻電壓，當(dāng)電壓波形過(guò)零時(shí)，不能維持續(xù)流從而導(dǎo)致斷弧，從阻雷體的接弧到斷弧的時(shí)間越短，電源端的斷路器跳閘可能性就越小，并且引弧棒與阻雷體的間隙越小，接弧的作用也將越好。如果兩者之間的間隙過(guò)大，阻雷體不起接弧作用，架空導(dǎo)線就有可能在薄弱處被雷電擊斷。

引弧棒與阻雷體之間的間隙距離無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依，此間隙設(shè)計(jì)取決于架空導(dǎo)線的接地制式、架空導(dǎo)線的額定電壓、阻雷體的規(guī)格。

（2）橫擔(dān)接地

安裝多功能防雷器的橫擔(dān)是否需要加設(shè)接地裝置？在探討這一問(wèn)題前，我們先來(lái)了解一下10kV架空線的混凝土電桿的接地情況。

由南京師范大學(xué)吳薛紅、南京工學(xué)院濮天偉、廖德利編著的《防雷與接地技術(shù)》中指出：“架空線路采用鐵塔、鋼筋混凝土桿時(shí)，如果發(fā)生相線與桿塔短接，會(huì)有觸電的危險(xiǎn)發(fā)生，此時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的接地系統(tǒng)采取相應(yīng)的接地措施。”

中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部DL/T601－1996《架空絕緣配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的條文：

10.1 中壓絕緣線路，在居民區(qū)的鋼筋混凝土電桿宜接地，鐵桿應(yīng)接地，接地電阻均不應(yīng)超過(guò)30Ω。

12.0.1 無(wú)避雷線的lkV～10kV配電線路，在居民區(qū)的鋼筋混凝土電桿宜接地，金屬管桿應(yīng)接地，接地電阻均不宜超過(guò)30Ω。

上述規(guī)定都是從防觸電考慮的，防止架空線斷線后斷頭與電桿相接觸造成混凝土電桿帶電，人畜觸及而發(fā)生危險(xiǎn)。

10kV配電線路有不接地和小電阻接地兩種系統(tǒng)，采取埋地電纜配電的10kV線路，其電源系統(tǒng)是小電阻接地系統(tǒng)，一旦發(fā)生接地短路，故障電流很大，因此混凝土電桿要求接地；采取架空配電的10kV線路，其電源系統(tǒng)采取不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，由于線路對(duì)地電容很小，因此故障電流很小，即使斷路相碰及混凝土電桿，觸碰該混凝土電桿也不會(huì)發(fā)生觸電事故，因此電源系統(tǒng)采取不接地時(shí)，混凝土電桿也不接地。

雖然10kV不接地系統(tǒng)的架空線的混凝土電桿不要求接地，但并不反對(duì)接地。專家強(qiáng)調(diào)：要利用混凝土桿內(nèi)的鋼筋作為接地引下線。在混凝土電桿根部引出接地體或接地螺栓，接地體或接地螺栓與混凝土桿的鋼筋焊接成一體，電桿的橫擔(dān)與接地體或接地螺栓通過(guò)桿身內(nèi)部鋼筋連接。應(yīng)注意的是，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土電桿不允許利用其鋼筋作接地引下線，若需要接地時(shí)，應(yīng)沿桿身另掛一根接地引下線。

雷云在架空線上空時(shí)，混凝土電桿不論是否接地，都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，當(dāng)架空線遭受雷擊后，架空線與橫擔(dān)之間的靜電電位差達(dá)到擊閃電壓，則空氣被擊穿短路，產(chǎn)生拉弧。雷電是瞬時(shí)的，拉弧續(xù)流能量則是架空線的電壓提供的，當(dāng)交流電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)則可能出現(xiàn)斷弧。

在引弧棒與橫擔(dān)之間串聯(lián)一個(gè)阻雷體，雷擊瞬間雖雷電流很大，但隨著阻雷體阻抗的逐漸恢復(fù)，泄放電流將大大下降，接閃時(shí)產(chǎn)生的危害也大為減少。

討論到這我們可以知道：雷云和混凝土電桿及橫擔(dān)的感應(yīng)電荷之間的放電，與電桿是否接地?zé)o關(guān)；阻雷體能降低放電速度，減小放電電流，進(jìn)而減少斷路器的跳閘次數(shù)。

（3）閃絡(luò)試驗(yàn)

在擊閃回路中串連一個(gè)阻雷體后，是否會(huì)影響防雷效果？下面的閃絡(luò)試驗(yàn)證明：擊閃回路中串連阻雷體后，防雷效果更好了。

1）不串阻雷體的閃絡(luò)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)是在國(guó)網(wǎng)高壓研究院戶外沖擊試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的。首先把一根1.5m高的富林克林避雷針置于雷云板的下面，雷云板離地6m，如圖2所示。

通過(guò)20次的試驗(yàn)，富蘭克林避雷針兩次不發(fā)生閃絡(luò)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)富林克林避雷針的原理，在圖2和表1的布置和試驗(yàn)下，擊穿時(shí)間越短，避雷針的性能越好，由表1可知：最短的擊穿時(shí)間為85μs，但是有兩次不發(fā)生閃絡(luò)，即避雷針不起作用。

2）阻雷體性能試驗(yàn)

為了試驗(yàn)阻雷體的阻雷性能，把富蘭克林避雷針和阻雷體處于同一環(huán)境，如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

上面試驗(yàn)中串有阻雷體的避雷針沒(méi)有發(fā)生閃絡(luò)。圖2中富蘭克林避雷針距離雷云板距離為4.5m（6—1.5=4.5），圖3中富蘭克林避雷針距離雷云板距離只有4m（7.5—3.5=4），距離雷云板近了0.5m，更容易擊穿閃絡(luò)，但由于處在阻雷體的保護(hù)下，富蘭克林避雷針只有兩次發(fā)生了閃絡(luò)，顯然阻雷體的作用十分明顯。

上述試驗(yàn)證明：避雷針中串接阻雷體，可降低接閃電流，不發(fā)生閃絡(luò)，同時(shí)又不影響其保護(hù)作用。

阻雷體是多功能防雷器的關(guān)鍵部件，起到泄放架空線中的雷電流，降低擊閃電流的作用，因此對(duì)架空線防雷擊斷線和跳閘起到極其重要的意義。

（二）氧化性避雷器

氧化性避雷器是一種以氧化鋅為主要成份的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻元件，其電阻對(duì)電壓較敏感，當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電阻迅速導(dǎo)通。由于其良好的導(dǎo)雷電流功能而被廣泛應(yīng)用于10kV配電線路上。目前我國(guó)配網(wǎng)中大部分使用的是氧化鋅避雷器作為線路防雷的主要手段，但由于安裝接地等原因，目前還難以實(shí)現(xiàn)在每基桿塔上設(shè)置氧化性避雷器。

三、防雷產(chǎn)品的選用及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

1.防雷產(chǎn)品選用

目前生產(chǎn)防弧線夾、防雷支柱絕緣子、氧化性避雷器的廠家較多，但質(zhì)量差別較大，因此應(yīng)在質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

（1）產(chǎn)品必須具有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品供應(yīng)商應(yīng)提供經(jīng)上級(jí)單位批準(zhǔn)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）產(chǎn)品必須具有國(guó)家級(jí)測(cè)試機(jī)機(jī)構(gòu)出具的試驗(yàn)報(bào)告；

（3）具有專利證書(shū)的產(chǎn)品優(yōu)先考慮采用；

（4）必須具有用戶報(bào)告。

2.經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

目前我國(guó)配電網(wǎng)線路主要防雷手段為每條線路的首末兩端、配網(wǎng)設(shè)備安裝處、并根據(jù)運(yùn)行情況多雷區(qū)配網(wǎng)線路設(shè)有避雷器，避雷器主要選用SC-15kV的氧化性避雷器，由于氧化性避雷器需要裝設(shè)接地裝置才能起到迅速將雷電流導(dǎo)入大地，減少雷電對(duì)線路、設(shè)備的損傷。從理論上講，最好是每基桿塔都裝有氧化性避雷器，且每組避雷器的接地電阻都應(yīng)小于10Ω才能有效的保護(hù)整條線路，但每組避雷器成本及運(yùn)行維護(hù)量等實(shí)際情況考慮是比較能以實(shí)現(xiàn)的，目前每組氧化性避雷器單價(jià)一般為360元，接地系統(tǒng)一般為12000元（包括工時(shí)費(fèi)），安裝我局10kV架空線路142條，平均每條線路桿塔估算按50基計(jì)算，全部運(yùn)用氧化性避雷器的費(fèi)用為8775.6萬(wàn)元，改造費(fèi)用過(guò)高且維護(hù)量增大，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮是入不付出的。如用帶有阻雷體的多功能防雷器與氧化性避雷器合理組合使用，按整條線路進(jìn)行防雷計(jì)算，帶有阻雷體的多功能防雷器單價(jià)為：490元（其具備線路絕緣子及避雷器的功能，用于非耐張桿），現(xiàn)假設(shè)50基桿塔中直線塔為35基桿塔使用多功能防雷器，其余采用氧化鋅避雷器，則可計(jì)算得：15×142×（360+12000）=2632.68萬(wàn)元，35×142×（490+5000-6×70）=2519.79萬(wàn)元，總費(fèi)用為5152.47萬(wàn)元，可減少3623.13萬(wàn)的投資。

四、結(jié)論

雷擊引起的斷線和跳閘是架空線路特有的問(wèn)題，一直是供電部門(mén)極為關(guān)注的大事，采用多功能防雷器與氧化性避雷器綜合使用的方式進(jìn)行架空線防雷不但可以大大減少斷線的跳閘事故，而且能減少配網(wǎng)線路防雷改造的資金投入。

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袁帥（1986—），湖北武漢人，三峽電力職業(yè)學(xué)院助理講師，主要從事線路方面的研究。