淺談10kV架空絕緣線路安裝過電壓保護器及其應用效果

盧劍鋒

摘要：10kV架空絕緣線路的過電壓保護器的應用直接關系著電網改造的安全性、技術性與經濟性，電網改造中大量使用過電壓保護器對整個架空絕緣配電網的防雷有著很大的作用，直接對電網系統長期運行的經濟性和安全性產生影響。

關鍵詞：10kV配電網；絕緣線路；電壓保護；防雷技術

由于經濟的高速發展及人們生活的需求，我國電力行業也進入了一個全新的發展階段，10kV配電網供電質量與日益嚴峻的市場需求矛盾逐漸呈現，解決10kV配電網系統存在的問題，提高用電的高效性和安全性成為當下電力行業的一大重點任務。其中，配電網的架空絕緣線路防雷技術是電力行業得到迅猛發展的重要支撐，同時也是促進電力系統日臻完善的重要方面。架空配電線路絕緣化對解決線樹矛盾、降低瞬時性故障概率，優點十分明顯。目前，隨著10kV配電線路改造的深入，采用絕緣導線成為架空配電線路設備的首選方式。這有效地解決了裸導線難以解決的走廊和安全問題，與地下電纜相比具有投資省、建設快的優點，但同時也帶來了一些新的技術問題，其中之一就是絕緣導線在運行中的雷擊斷線問題。因此，降低配網故障率，提高配電供電可靠性，必須妥善解決雷擊斷線和避雷器雷擊擊穿問題，才能保證架空絕緣配電網的安全運行。

一、架空絕緣導線雷擊斷線的機理

據資料統計，配電線路感應雷占80%，感應雷的放電電流通常小于1kA，感應過電壓的幅值約可達200～300kV。如此高的過電壓幅值對10kV線路來說是難以承受的。因此，雷擊感應過電壓是引起線路絕緣閃絡乃至絕緣導線斷線的主要原因。雷擊絕緣導線和雷擊裸導線時的電弧發展過程明顯不同，當直擊雷或感應雷過電壓作用于裸導線引起絕緣子閃絡時，由于電動力關系，連續的工頻短路電流在電磁力的作用下沿導線向著背離電源的方向快速移動，直至保護動作，切斷電弧。電弧的弧根固定在導線上運動，弧腹在隨同弧根向前運動的同時，受熱應力的作用不斷向空中飄浮，根據電弧的溫度分布特征，弧根的溫度最高，對導體的燒損最嚴重，弧腹則溫度較低，一般不會燒損導體。因為電弧的弧根是沿導線運動的，所以不會集中燒傷導線，引起導線斷線的概率更小。當直擊雷或感應雷過電壓作用于絕緣導線時則不同，幅值足夠高的雷電過電壓，將引起導線的絕緣層和絕緣子同時擊穿和閃絡。瞬間電弧的電流很大但時間很短，被擊穿的導線絕緣層呈一針孔狀，不會燒斷導線。但是，當雷電過電壓閃絡，特別是在兩相或三相（不一定是在同一桿、塔上）之間閃絡而形成金屬性短路通道，會引起數千安培工頻續流，電弧能量將驟增。此時，由于架空絕緣導線絕緣層阻礙電弧在其表面滑移，高溫弧根被固定在絕緣層的擊穿點燃燒，即使將繼電器跳閘時間調整到最小，導線也將被幾千安的短路電流，在斷路器動作之前燒斷導線，這就是絕緣導線雷擊斷線的機理。

二、預防架空絕緣導線雷擊斷線的技術措施

2.1安裝架空地線

架空地線的作用，主要是將幅值很大的雷電過電壓轉化為電流，經很低的桿塔接地電阻排泄出去，從而大幅度降低雷電過電壓，使導線得到保護。雷擊時導線上只產生感應過電壓，具有較好的防雷效果。這在絕緣水平很高的110kV及以上電壓等級送電線路是作為防雷的主要措施。但因10kV配電網絕緣水平較低（約15kV），雷擊架空地線后極容易造成反擊閃絡，仍然會發生工頻續流燒斷絕緣導線。而且根據統計，配電線路遭受直接雷擊或繞擊的概率很小，約占雷害事故的20%，配電線路上80%的雷電過電壓故障是感應過電壓。

2.2安裝氧化鋅避雷器

在10kV線路中，全線裝設無間隙氧化鋅避雷器的防雷效果是不言而喻的。隨著氧化鋅閥片技術性能的提高，氧化鋅避雷器的優良保護性能已被人們所接受，近年來已廣泛應用于電氣設備過電壓保護。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，達到保護導線的目的。避雷器可減少雷擊斷線事故，但不能杜絕雷擊斷線事故，且氧化鋅避雷器價格比較高。因此要研究每隔多少距離安裝一組，既要安裝得最少又能夠保護全線是個問題。氧化鋅避雷器的保護范圍與雷電特性、氧化鋅避雷器參數、氧化鋅避雷器接地裝置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還缺乏數據，只能假定。配電線路的感應過電壓幅值為200～300kV峰值，波頭為2μS，線路采用P-15T針式絕緣子，防雷接地電阻為10Ω，建議每隔200～300m安裝一組氧化鋅避雷器已滿足防雷要求。但安裝氧化鋅避雷器亦有其不足之處：

（1）破壞架空絕緣導線的主絕緣，可能會因密封不良而引起架空絕緣導線線芯進水，容易在線路弧垂最低點處產生積聚并發生電-化腐蝕，運行至六、七年后會發生腐蝕斷線事故；

（2）大量地和架空線并聯的無間隙氧化鋅避雷器，長期承受工頻電壓的作用，絕緣降低，接地電阻不滿足要求情況下，線路運行可靠性不可避免地由于附加設備可能出現的故障而降低了。通過對今年發生被雷擊穿避雷器所在的15臺開關接地電阻進行測量，均沒有達到低于10Ω的要求，確認了這也是今年出現14起避雷器擊穿故障的原因。而且一旦氧化鋅避雷器擊穿，將會造成系統死接地的故障，故障點查找難度大，故障停電時間較長，可靠性降低。

2.3安裝穿刺型防弧金具

防弧金具是通過自身構成保護間隙、承受工頻電弧弧根燒蝕，以達到保護絕緣導線免于電弧燒傷斷線的目的。即在距離絕緣子中心150～200mm的范圍內（負荷側），安裝防弧金具，可使雷電過電壓均在防弧金具與絕緣子鋼腳之間定位閃絡，接續的工頻短路電流電弧的弧根固定在防弧金具上燃燒，從而保護絕緣導線免于燒傷。防弧金具由高壓電極、低壓電極和絕緣罩三部分構成，絕緣罩罩住高壓電極，起到絕緣作用，并給工頻電弧弧根的運動留有通路。對于輻射型架空絕緣線路，防弧金具宜安裝在線路絕緣子的負荷側；對于環網架空絕緣線路，防弧金具宜安裝在線路主要供電方式下絕緣子的負荷側。穿刺型防弧金具具有穩定的雷電放電電壓，能夠定位雷電沖擊放電路徑，確保雷電發生在雷電放電間隙之間，通過與導線緊密可靠的接觸，具有良好的熱穩定性，能多次耐受電弧燒灼，直接安裝，無須剝離外絕緣層，有效防止雷擊斷線，加裝絕緣防護罩，運行安全可靠。該方式安裝簡便，投資少，運行可靠，維護方便，能防止雷擊斷線，但在多次雷擊后必須更換燒傷的防弧金具。

2.4過電壓保護器

由非線性電阻限流元件（氧化鋅閥片）串聯放電間隙組成，安裝在線路絕緣子上。當雷電過電壓或其它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工頻續流直接引向氧化鋅電阻非線性限流元件，并借助于氧化鋅電阻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相當長的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。對于10kV系統，建議每間隔一基電桿安裝一組保護器，并要求電桿接地電阻值小于30Ω。

三、10kV架空絕緣線路安裝過電壓保護器應用效果分析

分析不同防雷裝置的防雷效果，結合筆者所在地區供電分局管轄線路情況，對不同雷害地區，建議采取不同防雷措施：

（1）把安裝穿刺型防弧金具納入配網架空絕緣導線的設計，非強雷區新建絕緣線路或原有絕緣線路采取每隔三支桿塔（約200-300m）安裝一組穿刺型防弧金具的防雷措施進行安裝改造。

（2）對強雷區已安裝過電壓保護器的架空絕緣線路，增強防雷防護措施，在每一桿塔均補充安裝過電壓保護器。

（3）新建或改造的絕緣線路，采取每隔三支桿塔（約200-300m）安裝一組穿刺型防弧金具的防雷裝置。

（4）將線路柱上開關普通氧化鋅避雷器更換為脫扣式避雷器。

（5）接地電阻的大小，對線路的防雷作用影響很大。對線路、開關、刀閘、令克等設備的防雷裝置接地電阻進行普測，對接地電阻不滿足小于10Ω要求的接地網進行改造。通過改造，逐步提高架空絕緣線路的防雷水平，減少雷擊絕緣導線斷線故障，降低配網故障率，以保證配電線路可靠供電。

四、結束語

綜上所述，10kV架空絕緣線路安裝過電壓保護器是當下比較有效的預防雷電措施，不僅有利于預防架空絕緣線路引發雷電襲擊，也有利于降低雷電襲擊致使線路開關跳動的可能性，成本低廉、安裝便利、效果顯著，有效的提高了10kV架空絕緣線路預防雷電和運行的穩定性及安全性。

參考文獻

[1]D.斯普林伯恩，M.蘇利澤.過電壓保護器[P].中國專利：CN104541336A

[2]張宇.架空絕緣導線在配電網中的應用[J].電大理工.2010（02）

[3]鐘曉波.10kV線路過電壓保護器應用研究[D].浙江大學2007

[4]許軍.如何防止架空絕緣導線遭受雷擊[A].2013中國金屬學會冶金安全與健康年會論文集[C].2013