新型10kV架空絕緣導線防雷擊斷線用防雷金具探討

胡 茜 林余杰 胡朋杰

（國網浙江樂清市供電公司運維檢修部，浙江 樂清 325600）

我國經濟正處于騰飛階段，社會各方面用電量驟增，需鋪設更長的輸配電線路，以緩解供電緊張。電纜敷設進度慢，投資較大，而架空裸導線存在著走廊和安全問題，故架空絕緣導線在當前應用最為廣泛。其優點固然很多，但也有弊端，最為突出的就是雷擊斷線故障。架空絕緣導線長期暴露于空氣中，難免會遭到雷擊，一旦斷線，將影響到整個輸配電線路。從近幾年相關數據分析來看，國內外每年都有多次雷擊斷線事故發生，不但造成了巨大的經濟損失，還容易導致居民傷亡。國內電網事業發展前景良好，隨著城鄉生活水平提升，10kV架空絕緣導線長度不斷增加。安全問題永遠在第一位，線路密集帶來了一定的風險，為抑制雷擊斷線事故的上升趨勢，需果斷采取有效措施。

1 案例分析

20世紀 80年代初，隨著改革開放之風蔓延，國家制定了一系列政策，某市憑借自身優勢條件，在政府領導和政策鼓勵下，經濟進步，成績斐然。幾年后，用電量超了3倍，為滿足各方面用電，對配電網架空線路做了重新規劃，10kV架空絕緣導線得以廣泛使用。相關運行資料顯示，絕緣導線長度越來越長，雷擊斷線事故發生次數也隨之增加。2000—2005年間，每年每一百公里約有3次雷擊斷線事故。2006年，該市出現8次雷擊斷線事故，因此導致了近600次線路故障。2007年7月，該市某高中附近發生雷擊斷線，造成13名學生重傷，停電也給當地居民帶來諸多不便。經計算，若 10kV配電線路負荷為4500kV，每次修復時間4～5h，所花總費用在12～15萬元之間。可知，雷擊斷線事故會直接造成經濟損失，若能控制事故發生率，可避免很多損失。

2 關于10kV架空絕緣導線雷擊斷線的原理分析及現有預防對策

2.1 原理分析

雷擊是一種帶電云層與地面放電的自然現象，通常分為直擊雷和感應雷，前者是指云層直接對地面某一點放電，破壞力巨大；后者又叫二次雷，多指直接雷發生后，所產生的余波，對周圍事物造成的放電現象。過電壓擊中裸導線后，工頻電弧會沿著導線移動，因為弧腹溫度低于弧根，而弧根沿著導線表面滑動，弧腹則向空中飄浮，導體通常不會被燒損，也就不會發生斷線故障。而絕緣導線被雷電過電壓擊中時，過電壓勢能大但時間短，通常會引起絕緣層被擊穿，從而發生絕緣子閃絡現象。同時，工頻短路電流受限，不像裸導線被擊中時那般，弧根在表面滑動，以至于高溫度的弧根，容易集中在被擊穿后的絕緣層處燃燒，最終因雷擊導致斷線。

2.2 預防手段

目前國際上多通過兩種方式預防雷擊斷線：一是疏導法，該方法通過裸露化絕緣子附近的絕緣導線，達到弧根移動的目的，如此一來，高溫弧根就不再集中于一點燃燒，絕緣導線也就不易燒損。該方法成本較低，操作難度不高，不過絕緣導線一旦裸露化，絕緣性和密封性就會受到影響；二是堵塞，在絕緣導線上安裝避雷針等裝置，提高其絕緣性，從而降低閃絡發生率，阻止雷擊后工頻電流起弧。該方法具有良好的保護效果，但是成本昂貴，安裝具有很大難度。

按具體的方法來分，有以下多種：安裝氧化鋅避雷器、架空避雷線，使用鉗位絕緣子，增強導線絕緣能力，加長閃絡路徑，使用防弧金具、過電壓保護器等。最后兩種方法在我國應用較為普遍，雖能起到很好的保護效果，但在運行維護等方面仍有不足。隨著現代化科技的進步，一些新的防雷擊斷線的技術逐漸興起，某市自2007年開始研制一種新型的穿刺型防雷金具，并于2009年投入使用，經過多年監測觀察，雷擊斷線事故得到較好的控制。

3 新型10kV架空絕緣導線防雷擊斷線用防雷金具的設計分析

3.1 結構組成

此新型防雷金具結構圖如圖1所示，主要由絕緣導線、絕緣子、絕緣子下部金屬電極、穿刺線夾、硅橡膠護套、延伸電極和屏蔽電極幾部分組成。它可以直接安裝在絕緣子上端，除了良好的防雷擊斷線功能，運行安全度大大提高，且安裝工作簡單，維護難度小，非常適用于10kV架空絕緣導線。

圖1 新型防雷金具結構圖

3.2 工作原理

在該裝置中，利用穿刺線夾，放電間隙可移至絕緣子下部金屬電極和屏蔽電極之間加以固定。穿刺刀片和導體直接相連，當雷電過電壓擊中 10kV架空絕緣導線時，在穿刺刀片導引作用下，過電壓會被轉移流向絕緣子下端的金屬電極和屏蔽電極上，并對此直接放電。如此一來，產生的工頻續流電弧就解決了在架空絕緣導線上集中于一點燃燒的問題，而是在裝置的放電間隙燃燒，從而避免了斷線。從其實質上看，即在絕緣子處依照裸導線的結構將絕緣導線進行改變，保證其不被燒損。

3.3 技術性能要求

為體現此新型防雷金具的優勢，對其技術性能有要求，需滿足以下三點：首先，穿刺電極和絕緣導線部分保持緊密的接觸，并保證其熱穩定性。一般會開展熱穩定試驗，電流有效值為 20kA，持續1s；其次，PS-15型絕緣子在10kV架空絕緣導線配電線路中應用較多，以此為例，新型防雷裝置的雷擊閃絡電壓至少要達到 105kV；最后，該裝置需經過工頻短路電流試驗和相應的電弧試驗，并達到試驗要求，即保證絕緣導線不被燒損，但允許高壓電極和低壓電極局部被燒。電弧試驗包括大電流試驗和小電流試驗，前者的短路電流有效值為12.5kA，時間0.3s，試驗次數5次；小電流電弧試驗短路電流有效值為1.5kA，時間1s，試驗次數5次。

4 通過開展試驗分析新型防雷金具的可行性

4.1 熱穩定試驗

為保證新型防雷金具能起到良好的防雷擊斷線效果，需通過幾項試驗對其各項性能進行檢測。熱穩定試驗由沈陽機械工業高壓電器質量檢測中心負責，試驗用的電源頻率為 50Hz，功率因數在 0.15以內。試驗前，把該裝置直接安裝在截面面積為180mm2的10kV架空絕緣導線上，絕緣子采用PS-15型。

本試驗要求的短路電流值為 20kA，實際值為22.5kA；要求的時間為1s，實際值為1.05s。試驗結果見表 1，試驗前后穿刺電極和導線間的接觸電阻變化情況見表2。

表1 22kA短時耐受電流熱穩定試驗

表2 試驗前后的接觸電阻變化情況

從試驗結果來看，試品損傷較小，沒有明顯痕跡，前后的接觸電阻變化率為3%，在試驗前的20%以內，說明該新型裝置熱穩定試驗通過。

4.2 雷電沖擊放電試驗

圖2是雷電沖擊電壓試驗線路原理圖。

圖2 雷電沖擊電壓試驗線路原理圖

從前面分析可知，新裝置的雷擊閃絡電壓最少要達到 105kV，需要分為正極和負極，分別開展試驗，圖3是本次試驗的波形圖，如其中負極性標準雷擊放電電壓波形圖所示，臨界擊穿電壓為241.3kV；正極性圖的臨界擊穿電壓為214.5kV，高于要求的 105kV。在沒有安裝此新型防護裝置時，考慮到現實中雷擊以負極性為主，其負極性波形圖的臨界擊穿電壓為 260kV。相比之下，安裝與否并沒有很顯著的差異，究其原因，主要在于安裝在表面的電場分布得到明顯改變，所以對其擊穿閃絡PS-15型絕緣子上的穿刺型高壓電極沒有使絕緣子特性影響較小。

圖3 試驗波形圖

4.3 工頻電弧試驗

為保證新防雷金具在遭受雷擊后，工頻續流電弧能夠被引導至絕緣子下部金屬電極和屏蔽電極之間的放電間隙，并在此燃燒，避免絕緣導線被燒損，需開展工頻電弧試驗。試驗接線圖如圖4所示。

圖4 試驗接線圖

試驗前，將該裝置直接安裝于絕緣導線，采用PS-15型柱式絕緣子，所有的試驗在同一個樣品上開展。試驗過程分為兩步：①完成連續5次大短路電流工頻電弧試驗，電流為12.5kA，電弧燃燒時間0.3s；②完成連續 5次小短路電路工頻電弧，電流為2.5kA，電弧燃燒時間0.5s。此外，為保證試驗的科學性和精確性，10次試驗總時間必須控制在30min以內。

表3為工頻5次大電流電弧試驗結果，表4為工頻5次小電流電弧試驗結果。對兩個表格進行分析，該新型裝置經過10次電弧灼燒試驗，雖然高壓電極被燒損，低壓電極也有明顯損傷，但絕緣導線基本上保持完好，并未被明顯燒損，整個防雷金具性能不受影響，說明此次試驗通過，試品符合要求。由此可知，新型防雷金具選擇耐燒灼金屬材料具有其合理性，可保證絕緣子被燒損的情況下不會斷線，其抗電弧灼燒性要明顯高于其他普通防雷擊方式，用于 10kV架空絕緣導線，對降低雷擊斷線事故發生率大有幫助。

表3 工頻5次大電流電弧試驗結果

表4 工頻5次小電流電弧試驗結果

5 新型防雷金具與過電壓保護器、防弧金具在各方面的對比分析

前面3個試驗表明：不管是在熱穩定性，還是工頻電弧等方面，該市設計的新型防雷斷線用防雷金具均符合要求，具有良好的使用價值，值得進一步推廣。為進一步求證其經濟使用價值，該市在研究過程中，從其他市區選擇了過電壓保護器、防弧金具兩種防雷擊斷線裝置，與新型裝置的綜合性能加以對比分析。對比結果見表 5，共涉及穩定性、經濟性、實際能力、安裝難度、免維護性等七個方面。

表5 新型防雷金具與過電壓保護器、防弧金具在各方面的對比

對比分析結果顯示，經穩定性、經濟性等方面的綜合比較，新型 10kV架空絕緣導線防雷擊斷線金具的綜合性能要優于過電壓保護器和防弧金具兩種防護方式。該市2009年開始使用這種新型裝置，每年大約可減少 75%的雷擊斷線故障，應用效果明顯。

6 結論

作為當前社會不可缺的資源，電能供求日益緊張，配電網中 10kV架空絕緣導線明顯增多，隨之而來的安全問題也不容忽視。雷擊斷線是發生率較高、威脅最大的一種故障，必須采取有效的措施盡量避免。當前已有的防護措施大都存在有弊端，在此提出了一種新型防雷金具，今后可加以推廣。

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