重慶某10kV線路綜合防雷措施研究

張 東 曾曉榮 廖志華

（1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410076；2.湖南中方電力有限責任公司，長沙 418000）

10kV配電線路是配電網的重要組成部分，連接著變電站和眾多用戶，具有分布廣、絕緣水平低的特點。電網故障分類統計表明，在配電線路運行的總跳閘次數中，雷擊引起的跳閘次數約占總跳閘次數70%～80%[1]，尤其在多雷、土壤電阻率高、地形復雜、檔距大的地區，雷擊配電線路引起的故障率更高。重慶 10kV井塘線線路所處地區年雷暴日40.1，且線路所處地區每年的雷電活動較為集中，特別是春夏兩季呈現雷多、雨多、雷害事故易發的特點，嚴重影響該地區配電線路運行的穩定性。因而有必要對該地區配電網的防護進行認真的分析和研究，找出雷害事故易發的原因，分析其配電線路在防雷措施和防雷設備上存在的缺陷和不足，針對性地改進和完善該地區配電線路防雷措施。

1 線路運行基本情況

10kV井塘線起于110kV井口變電站，其支線儀小線與10kV井儀線相連。主線全長16.5km，其中電纜長度480m，架空線路裸導線長度6.2km，絕緣導線長度9.8km； 線路共架設桿塔244基，桿塔皆為水泥方塔其中 20#－27#桿塔平均檔距 230m，最大檔距520m；線路中采用的絕緣子有懸式和棒式兩種，耐張塔懸式絕緣子主要采用兩片XP-7型串聯，直線塔絕緣子采用柱式兩片57-3型并聯。2011年6月20日，雷雨天氣，該線路出現接地信號，沿線巡檢查出井塘線主線20#桿塔（20#桿塔與21#桿塔檔距520m）B相瓷瓶落雷擊碎，導線落在橫擔上。2011年8月23日，雷雨天氣，該線路39#桿塔后停電，而變電站沒有出現故障信號，沿線巡檢查出 40#桿塔絕緣導線兩相燒斷。而且 10kV井塘線支線經常出現雷擊跳閘事故，由于 10kV支線與主線連接多采用柱上跌落式熔斷器，而且低壓側沒有采取防雷措施，在雷雨季節低壓側出現故障后熔斷器會斷開，在雷雨過后對熔斷器進行重合即可繼續供電，因此對于支線雷擊跳閘缺少統計數據。

2 現場調研

為了更好的了解配電網的現場運行情況，找出線路的防雷薄弱環節，針對防雷薄弱環節提出針對性的改造措施，并對 10kV井塘線及其支線進行了現場調研。

2.1 線路周邊地理情況及桿塔情況調研

據調研發現10kV井塘線及其支線線路走廊所分布的地形大致可分為兩種，一種是海拔較低的山地，表層為土壤，深層為砂石，含水量很小；另一種是山腳下的平原，大多為耕地、水田等，土質多為黃土，含水量大。現場測量這兩種土壤的土壤電阻率介于 33.4～221.3?·m 之間，現場都是采用鋼筋混凝土單桿且大多沒有拉線和專用接地極，可估算出大多數桿塔自然接地電阻介于 10.02～66.39?之間[2]。

10kV井塘線部分桿塔所處地區為山區，在山腰處由于架設桿塔困難，桿塔主要分布在山頂和山底。位于山頂桿塔多為耐張塔，高度為 15m；山底桿塔高度一般為 12m，在山底靠近民居的地方桿高度為18m。

2.2 配電變壓器防雷措施調研

1）柱上變壓器避雷器配置

柱上變壓器高壓側保護采用我國通用的柱上變壓器保護方式，即在高壓側用一組避雷器和一組熔斷器，熔斷器裝在避雷器前面。這種保護方式是以跳閘來對變壓器進行保護，供電可靠性不高。

2）柱上變壓器接地情況

變壓器一般位于山底，山底土壤電阻率較低，現場測量接地電阻基本符合配電變壓器接地電阻要求。在接地引下線方面，2010年后新裝設的配電變壓器接地引下線用瀝清做了防腐處理，2010年以前的配電變壓器接地引下線未進行防腐處理，現場調研發前運行年限較久的接地引下線腐蝕較為嚴重，有的甚至已經因銹蝕斷開。

3 雷害事故原因分析

3.1 山區地形對雷電活動的影響

由現場調研可知，10kV井塘線的線路大多分布在山地上，相對于平原地區海拔較高，且山地地形情況復雜，土質多變，線路檔距較大，這部分線路及桿塔易遭受雷擊，屬于易擊段和易擊桿塔，而且打壞絕緣子的雷擊斷線點也多位于線路檔距較大、地形較復雜的地方。

3.2 化工污穢對配電線路的影響

10kV井塘線 30#－49#線路走廊為化工園區，空氣污染以化工污穢為主，這種污穢是由開采化工原料和制造化工產品的工礦企業在生產過程中由煙囪排出的廢氣、贓物以及化工原料粉塵沉積在絕緣子或變電設備表面上而形成的，它嚴重影響絕緣子或電氣設備的絕緣強度。

化工污穢的主要成分是各種酸、堿、鹽類，各種化工污穢中都含有能導電的電解質，由于電解質在潮濕環境中溶解后使絕緣子污穢層的導電能力急劇增大，有可能造成絕緣子的污閃，同時污穢形成的酸雨加速了對變電設備及輔助設施的腐蝕破壞，使得變壓器的外殼及基臺銹蝕、導線及金具銹蝕，絕緣支柱的外絕緣性能降低，甚至導致某些焊接的支架由于銹蝕而松動，造成安全隱患。

山區因地形復雜而使地面受熱很不均勻，加上日照時間變化，導致水平氣溫分布很不均勻，山區的風場比平原地區復雜得多，因此，在上風側的污染源，不僅對迎風坡的變電所造成高濃度的污染，而且化工污染可能隨風越過山頭而被氣流帶到地面對配電線路或變電所外絕緣造成嚴重污染。這樣就大大降低了配電線路的絕緣水平，遭受雷擊后更易發生雷害事故。

3.3 發生雷擊時雷電泄流通道不足

由線路調研可知，10kV井塘線幾乎沒有采取任何防雷措施，如果發生雷擊桿塔，雷電流可以通過桿塔自然接地進行泄流。當雷擊絕緣導線時，由于缺少雷電流泄流通道，如果雷電過電壓造成絕緣子兩相以上發生閃絡，并通過橫擔發展為異相之間接地時，雷電過電壓首先擊穿導線絕緣層進而引起絕緣子閃絡，被擊穿的絕緣層呈一針孔狀，接續的工頻短路電流電弧受周圍絕緣的阻隔，弧根只能在針孔處燃燒，在極短的時間內導線就會被整齊的燒斷[3-4]。

從線路配置來分析，造成斷線的主要原因是架空配電線路絕緣水平低[5]。架空線的絕緣水平低，其耐雷水平也必然低，這樣在雷擊時，由于雷電流沒有泄流通道，容易發生絕緣子閃絡或擊碎，進而擴大為斷線事故；當雷擊導線時，發生單相閃絡和兩相閃絡、三相閃絡的機率相差只有百分之幾[6]，雷擊后造成相間閃絡、工頻電弧燃燒、傷害絕緣導線的機率是很大的，因此，在斷線事故中，往往發生一相燒傷、兩相同時燒斷、三相同時燒斷的現象。

3.4 配電變壓器防雷措施不完善

1）配電變壓器低壓側無保護措施

現場調查發現，變壓器的高壓側通常裝一組避雷器進行保護，而變壓器的低壓側則無任何防雷保護措施，就會產生正、逆變換過電壓[7]。現場調研發現變壓器位置都離用戶有一段距離，這段線路低壓側出線和高壓線路同桿架設，如果在雷擊在低壓側感應出較低的電壓，在高壓側就會產生較高的電壓，容易造成高壓繞組損壞。同時，低壓側用戶的用電的開斷采用一組低壓斷路器進行開斷而無熔絲保護，不能及時切斷低壓故障；而且低壓總計量元件位于計量箱外而不是計量箱內，長久運行老化嚴重而影響計量準確和使用壽命。由于低壓側無欠壓、過壓、失壓、缺相、短路、接地等保護，所以極大影響低壓用戶的供電可靠性和安全性。

2）接地引下線未做防腐處理

在現場調查發現，防雷裝置未做任何防腐處理而造成接地引下線的嚴重腐蝕。引下線的嚴重腐蝕，不僅降低了使用年限，而且因腐蝕使導通電阻變大，也直接影響其導通電流的功能單相用戶用電的安全性。

4 建議采取的防雷措施

通過對 10kV井塘線及其支線進行現場調研及對線路存在的防雷問題進行分析，提出了以下幾種線路防雷保護措施，以提高配電線路運行的穩定性。

4.1 提高污穢地區線路絕緣水平

對10kV井塘線30#－49#及其支線段絕緣子進行取樣，并做絕緣電阻測量實驗和50%沖擊閃絡實驗。在絕緣電阻測量實驗中并未發現零值絕緣子，但其50%沖擊閃絡實驗的閃絡電壓較積污較小地區絕緣子有明顯降低，積污較小地區絕緣子50%閃絡電壓平均約為195kV，而污穢地區絕緣子50%閃絡電壓平均只有 132kV。在運行中，也未發現該線路有過污閃事故發生。由此可見，在積污地區積污主要使絕緣子的絕緣水平有所降低，所以對化工園區雷擊跳事故較多的處理方法是對于耐張塔再加裝一片懸式絕緣子，對于直線塔，將原有的兩片57-3型絕緣子并聯換作兩片57-4絕緣子并聯，以提高線路的絕緣水平。

4.2 架設耦合地線

根據資料顯示，由于6～35kV架空配電線路桿塔高度較低，直擊雷對6～35kV架空配電線路的影響較小，感應過電壓導致的故障比例超過90%[1]，因此，對10kV井塘線防雷保護的側重點應放在感應雷過電壓的防護上。由現場調研和相關研究可知，桿塔高度過高和接地電阻過大，將會降低配電線路的耐雷水平。

針對感應雷過電壓，采取在線路易受雷擊段架設耦合地線。對架設有耦合地線的線路，耦合地線的電磁屏蔽作用可使導線上的感應過電壓降低[8]。這是由于避雷線與大地相接，保持地電位，即將大地引入導線近區。對于靜電感應，可以增大導線對地電容，從而使導線對地電位降低；對于電磁感應，其影響相當于在導線與大地回路附近增加了一個地線與大地的短路環，抵消了部分導線上的電磁感應電勢，因而耦合地線的屏蔽效果可以有效降低導線上的感應雷過電壓，減少雷擊造成絕緣子閃絡次數。

由于部分桿塔自然接地電阻不滿足耦合地線的接地要求，同時由于易受雷擊段地勢開闊且土壤電阻率最大才為220?·m左右，所以可采用一根長20m的扁鋼作為水平接地體埋深0.6m進行接地。計算最大接地電阻為22.6?，可以滿足耦合地線的接地要求。

4.3 安裝可調式防雷保護間隙

10kV井塘線架空絕緣導線使用率約為 53%且部分位于易落雷點。10kV架空絕緣導線有其先天不足，在雷電作用下極易斷線。防范架空絕緣導線雷擊斷線的辦法概括來說主要有“堵塞”和“疏導”兩種方式[9]。

在架空絕緣導線易落雷點安裝穿刺型可調式保護間隙，調整保護間隙放電電壓為絕緣子50%沖擊放電電壓的90%，使間隙先于絕緣子放電。安裝可調式保護間隙保護斷線是先“堵塞”后“疏導”，就是限制雷擊過電壓的幅值，阻止雷擊閃絡后工頻續流起弧，從根本上排除了導線燒損的因素。其工作原理是，當架空線路遭受雷擊時，在絕緣子串上會產生較高的雷電沖擊過電壓，并聯間隙的雷電放電電壓低于絕緣子串的放電電壓，間隙先放電，工頻電弧弧根在兩電極上燃燒，以保護絕緣導線，避免其被燒傷而斷線。

由于 20#－27#桿塔檔距較大且跨距是山溝和河流，所以架設耦合地線不能起到很好的保護作用。同時，由于雷擊線路泄流主要集中在構成大跨距的兩基耐張塔，極易造成絕緣子打壞，所以建議在構成較大檔距的兩基桿塔上安裝可調式防雷保護間隙，間隙調整距離和保護架空絕緣導線間隙相同，既保護絕緣子不因雷擊而造成損壞，又提高斷電后重合閘的成功率。

在保護間隙的安裝上，應當注意間隙不應保持在與地面垂直的一條線上，應使上下兩間隙有水平5cm的偏移，以免因下雨或結冰造成線路沿間隙閃絡。在保護間隙的接地上，可以采用與耦合地線相同的接地方式。

4.4 完善配電變壓器保護

在已運行的配電變壓器低壓側裝設低壓氧化鋅避雷器，并與高壓側避雷器、變壓器外殼和低壓側中性點一起接地，形成“四點共地”[10]。在低壓避雷器的安裝位置上，由于整改是為了完善配電變壓器的保護，所以應安裝在低壓總熔斷器的前端而不是在低壓各線路出線前端。

對于計劃新安裝的變壓器，建議采用低壓配電柜，現主流低壓配電柜一般集漏電保護，電能計量、過流、過壓、缺相、接地保護等多功能為一體，不僅可以實現對變壓器的正、逆變換過電壓的保護，而且也提高的用戶的供電可靠性和安全性。

針對運行時間較久腐蝕嚴重的變壓器接地引下線，應該先換新的接地引下線并采取防腐措施。在接地引下線的防腐方面，用瀝青或者PVC管管套對接地引下線地上部分進行保護。

5 結論

本文通過對重慶 10kV井塘線雷擊故障情況和雷害來源進行了分析。針對線路防雷存在化工污染使絕緣子絕緣水平下降、架空絕緣導線沒有防雷措施易斷線、配電變壓器保護不完善等問題，制定了提高污穢地區線路絕緣強度、在易受雷擊段架設耦合地線、有選擇的安裝配電網保護間隙和完善配電變壓器防雷等措施。達到提到線路耐雷水平，確保配電線路的供電可靠性。

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