10kV輸電線路雷電防護的初步研究

曹志建，王曉峰，謝炎林

(1. 貴州省防雷減災(zāi)中心，貴州 貴陽 550002;2. 貴州省六盤水市防雷中心，貴州 水城 550004;3. 貴州南源電力科技開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 引言

雷電是導致電力系統(tǒng)故障的主要成因。據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)中60%以上的故障均與雷電災(zāi)害有關(guān)。架空輸電線路地處曠野，縱橫交錯，很容易遭受雷擊。雷擊輸電線路產(chǎn)生很高的過電壓，不僅直接造成絕緣子的閃絡(luò)和線路的停電跳閘，同時，沿線路侵入的過電壓會影響變電站的設(shè)備安全運行。以某大型國有煤礦為例，2006—2010年期間，10 kV、35 kV 架空輸電線路每年都不同程度遭受過雷擊，造成不同線路上的瓷瓶、開關(guān)斷路器、避雷器等的損壞，引發(fā)供電設(shè)施跳閘事故。礦區(qū)的雷擊跳閘率約為6 次/a，因停電造成井下瓦斯積聚，排放時間最長達6 h，嚴重威脅著礦區(qū)的安全生產(chǎn)。分析研究10 kV、35 kV 輸電線路的特點及防雷要求，并結(jié)合該礦區(qū)實際進行綜合防雷整改，對企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 某煤礦區(qū)域的雷電活動特征

統(tǒng)計2006—2010年貴州省雷電監(jiān)測網(wǎng)資料，以該煤礦為中心半徑8 km 范圍內(nèi)的閃電次數(shù)為8 591次，雷電流幅值主要集中在20～50 kA 之間，雷電流波頭時間主要集中在5～10 μs 之間，其中80%的雷電流幅值小于43.6 kA，波頭時間≥5.79 μs。由此，該文涉及的計算模型中，雷電流幅值取為45 kA，波頭時間取為5.5 μs，半波長時間取為80 μs。

圖1 雷電流幅值概率分布

圖2 雷電流波頭時間概率分布

3 某煤礦10 kV 輸電線路情況

某煤礦10 kV 輸電線路有3 條，兩條線路為輔助場地主通風機、瓦斯抽放泵等供電，一條線路為2號采區(qū)供電，2006年煤礦投產(chǎn)以來，3 條10 kV 輸電線路都未采取雷電防護措施。該文側(cè)重介紹后2 號采區(qū)用輸電線路架設(shè)情況。這條輸電線路長9.3 km，架設(shè)桿塔48 基，桿塔高10 m，平均檔距約200 m，線路沿山體架設(shè)，海拔高差約260 m。

4 10 kV 輸電線路雷電防護分析

4.1 線路的主要特點

10 kV 輸電線路與其他高壓、超高壓輸電線路的不同點在于:

①輸電線路的絕緣水平較低、耐壓水平有限，在遭受雷電直擊或雷擊輸電線路附近產(chǎn)生感應(yīng)過電壓時，都會造成線路的閃絡(luò)跳閘和損壞設(shè)備。一般情況下，10 kV 線路絕緣子的沖擊耐受電壓在132.74～192.36 kV 之間，而通常輸電線路上的雷擊反擊電壓或感應(yīng)過電壓都在200 kV 以上。

②輸電線路的雷電故障多由雷電感應(yīng)過電壓造成，其雷電防護的重點是對雷擊線路附近產(chǎn)生感應(yīng)過電壓的防護。這是因為10 kV 輸電線路桿塔較低，加之上方或附近通常會有高壓、超高壓線路通過，減少了雷電直擊該線路的可能性。

4.2 線路的雷電防護

通常，10 kV 輸電線路主要采用全線架設(shè)避雷線、裝設(shè)氧化鋅避雷器、裝設(shè)保護放電間隙等措施進行雷電防護。

4.2.1 架設(shè)避雷線 為分析輸電線路的絕緣水平和耐壓水平，分別建立了感應(yīng)過電壓模型和反擊過電壓模型。感應(yīng)過電壓模型采用雙指數(shù)模型來模擬感應(yīng)過電壓值，其峰值設(shè)為200 kV，反擊過電壓模型的雷電流幅值設(shè)為45 kA，桿塔接地電阻為10Ω。兩種模型的波頭時間取為5.5 μs，半波長時間取為80 μs。

圖3 絕緣子兩端的感應(yīng)過電壓

圖4 絕緣子的反擊擊穿

圖3 顯示，線路架設(shè)避雷線前后，絕緣子兩端的電壓波形陡度差異較大。未架設(shè)前，絕緣子兩端的感應(yīng)過電壓高于其所能承受的平均沖擊耐壓水平(150 kV)，導致絕緣子的擊穿閃絡(luò);架設(shè)后，因耦合作用，絕緣子兩端的感應(yīng)過電壓大幅下降，不會導致絕緣子的閃絡(luò)擊穿。圖4 顯示，架設(shè)避雷線后，當雷電流通過桿塔入地時，其塔頂避雷線將產(chǎn)生高達400 kV 的過電壓，導致絕緣子反擊擊穿。

顯然，架設(shè)避雷線能夠有效的降低雷擊線路附近絕緣子兩端產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓，卻難以避免線路的反擊閃絡(luò)。考慮工程投資大、桿塔接地施工困難等因素，目前，10 kV 輸電線路基本不架設(shè)避雷線。

4.2.2 裝設(shè)氧化鋅避雷器 避雷器的保護原理與避雷線或者避雷針不同，它實質(zhì)上是一種放電器。當作用電壓超過避雷器的放電電壓時，避雷器先于被保護設(shè)備放電，限制了過電壓的發(fā)展，避免電氣設(shè)備遭擊穿損壞。避雷器主要有保護間隙、排氣式避雷器、閥型避雷器和氧化鋅避雷器等4 種類型。其中，氧化鋅避雷器因保護性能優(yōu)越、無工頻續(xù)流、保護性能穩(wěn)定、耐污性能好等優(yōu)點，使用最廣泛。

由于10 kV 線路避雷器通流容量小，雷擊放電時極易過熱損壞以及日常維護困難等原因，10 kV輸電線路未大量裝設(shè)氧化鋅避雷器。

4.2.3 裝設(shè)保護放電間隙 保護放電間隙也是避雷器的一種，將保護放電間隙并聯(lián)在絕緣子兩端，能夠保護絕緣子不被雷電過電壓擊穿。保護放電間隙的缺點是其保護性能和不穩(wěn)定性劣于氧化鋅避雷器。當雷電過電壓波侵入時，間隙被擊穿，形成工頻電流，而間隙的熄弧能力不高，易出現(xiàn)線路短路，引起跳閘停電;同時，保護間隙易受外界污穢影響，導致保護性能不穩(wěn)定。

保護放電間隙的優(yōu)點在于能夠簡單的判斷保護間隙工作是否正常，便于故障時排查，降低運行維護難度;同時，輸電線路通常采用中性點不接地方式，發(fā)生單相短路時一般工頻短路電流不大，保護放電間隙的絕緣能力可以恢復;保護放電間隙安裝成本小，施工方便，利于大量安裝。

5 10 kV 輸電線路綜合防雷改造方案

針對采區(qū)用10 kV 輸電線路架設(shè)線路長、沿線地形復雜的特點，結(jié)合常用防護措施的優(yōu)劣，提出“引雷、緩峰、均壓、截波”的綜合防雷改造方案。“引雷”是指在線路易遭受雷擊路段安裝獨立避雷針主動引雷，避免導線被雷電直擊;“緩峰”是指在獨立避雷針上安裝削波電感，通過一定程度的抑制，減小雷擊避雷針時在線路上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓;“均壓”是指在輸電線路下方安裝耦合均壓線(也稱耦合地線)，限制線路絕緣子兩端的雷電感應(yīng)過電壓;“截波”是指在安裝耦合均壓線的端部的絕緣子處安裝間隙避雷器，截斷過電壓波繼續(xù)向前傳播，避免未安裝耦合均壓線位置處的絕緣子受影響。

5.1 獨立避雷針

獨立避雷針的設(shè)計高度為12～16 m，并采用場變放電避雷針。通過對不同類避雷針進行接閃試驗，說明場變放電避雷針比普通避雷針的接閃更可靠。在20 次有效模擬雷擊試驗中，場變放電避雷針共接閃16 次，普通避雷針接閃4 次，場變放電避雷針的接閃概率為80%，遠高于普通避雷針的接閃概率。

圖5 場變放電避雷針電位三維分布

圖6 普通避雷針電位三維分布

同時，從普通避雷針和場變放電避雷針的計算模型中，可以清楚不同類避雷針遭受雷擊時的電場強度變化(圖5、6)。普通避雷針周圍的電位分布更加集中，場變放電避雷針周圍的電位分布較為均勻。普通避雷針周圍的電場強度大于場變放電避雷針，有利于產(chǎn)生上行先導，但也易于產(chǎn)生電暈放電。

5.2 削波電感

在獨立避雷針下方安裝削波電感，讓通過避雷針的雷電流幅值下降，波頭時間變長，雷電通過避雷針的放電過程相應(yīng)變緩。同時，該電位不會對線路和絕緣子產(chǎn)生影響。在建立的數(shù)值模型中，設(shè)置接地電阻為100 Ω，削波電感值為0 mH、1 mH、5 mH、10 mH，則通過避雷針的雷電流和電壓的變化如圖7、圖8 。

圖7 削波電感增大時通過避雷針的雷電流變化

圖8 削波電感增大時避雷針頂端的電壓變化

5.3 耦合均壓線

耦合均壓線安裝在輸電線路下方2 m 處，通過引上線與桿塔橫擔連接。當雷擊線路附近時，絕緣子兩端的電位差大幅降低，從而保護線路絕緣子不被感應(yīng)過電壓擊穿閃絡(luò)。圖9、圖10 顯示了雷電流擊中避雷針或線路附近時，導線沿線的感應(yīng)過電流和過電壓變化。

5.4 間隙避雷器

圖9 雷擊避雷針時導線沿線的感應(yīng)過電壓

圖10 雷擊線路附近時導線沿線的感應(yīng)過電壓

在線路中間段、耦合均壓線安裝末端的下一級桿塔位置處，安裝間隙避雷器。終端桿塔處采用雙避雷器并聯(lián)的方式，增大通流容量，降低避雷器被擊穿損壞的概率。在計算模型中，假設(shè)幅值為45 kA的雷電流擊中獨立避雷針，避雷針距離導線10 m，桿塔10 m，檔距為30 m，第1、第2級桿塔之間安裝耦合均壓線，第3級桿塔安裝或不安裝間隙避雷器時，絕緣子兩端的電壓變化如圖11、圖12、圖13，通過間隙避雷器的電流變化如圖13。顯然，不安裝間隙避雷器時，第3級桿塔的絕緣子被擊穿閃絡(luò)。

圖11 不安裝間隙避雷器時絕緣子兩端的電壓

圖12 安裝間隙避雷器時絕緣子兩端的電壓

圖13 通過間隙避雷器的電流

根據(jù)綜合防雷改造方案，我們對該煤礦3 條10 kV 輸電線路都進行了系統(tǒng)的防雷改造，其中，2 號采區(qū)用輸電線路的改造結(jié)果是:在線路的易擊段安裝了5 處獨立避雷針，并結(jié)合獨立避雷針的位置，安裝了多個檔距的耦合均壓線以及間隙避雷器(圖14)。經(jīng)過1 a 多的實踐，配電系統(tǒng)基本運行正常，說明綜合防雷改造方案有成效。

圖14 2 號采區(qū)用輸電線路防雷改造示意圖

6 結(jié)束語

輸電線路受區(qū)域雷電活動、地理環(huán)境以及輸電線路自身電壓等級等因素影響，如何選擇更科學、更經(jīng)濟實用的雷電防護技術(shù)，減少輸電線路雷擊事故，確保電力正常供應(yīng)，是值得思考和研究的。

［1］GB50150－2006. 電力設(shè)備交接試驗規(guī)程［S］.

［2］許名雄. 針對10 kV 輸電線路防雷措施的分析［J］. 電源技術(shù)應(yīng)用，2013.