基于絕緣導線雷擊斷線機理的防雷裝置研究與應用

張孟濤 葉明友 許萌 蔡文宇 陳曉忠

摘 要：10kV架空裸導線路絕緣水平低，很容易遭受雷擊引起絕緣子閃絡斷線事故。本文通過收集10kV架空線路的跳閘數據，現場勘察地形地貌特征，選擇典型的地點進行直擊雷防護措施研究。通過軟件仿真計算，將各種防護裝置模型嵌入到選擇的線路中，提出最優的直擊雷防護措施。采用一種不接地、而且老化后不影響線路安全運行、能合理的配合計數器的一種防雷裝置來實施。

關鍵詞：防雷 雷擊 避雷器 防雷決策 落雷指標

中圖分類號：TM863 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 概述

10kV架空裸導線路絕緣水平低，很容易遭受雷擊引起絕緣子閃絡斷線事故，10kV絕緣導線容易遭受雷擊斷線。據有關資料的統計，浙江地區到2004年為止，雷擊斷線事故與雷擊跳閘事故約為395次：上海地區使用絕緣導線以來，已造成近百起雷擊閃絡事故。國外也有資料介紹雷擊斷線事故約占總雷擊的96.8%，雷擊斷線事故約占配電網絕緣事故的36.8%。以上資料表明：雷擊斷線事故是應用絕緣導線中最突出的一個嚴重問題，這引起我們的廣泛注意，并積極開展對等試驗研究工作，為提高供電可靠性、降低停電時間，減少雷擊對電氣設備的損壞，本文結合當地電網實際情況做好絕緣導線雷電防護措施是顯得非常重要。

當前階段，大多數的配電線路不具備較高的絕緣水平，不僅僅在直擊雷的作用下存在安全隱患，而且在感應雷的作用下也會出現雷害事件。但是，避雷器僅僅能夠保護配電設備及配電線路進出線，無法通過增加安裝數量來實現其作用。如果在配電線路上增加避雷器的安裝數量，不僅成本高，而且在運行維護方面存在較大困難，且一旦避雷器出現損壞，就會對配電網的正常運行產生威脅，因此，在配電網的安全運行過程中，防雷問題尤為重要。因輸配電線路所經過的地形較為復雜，不管是在山區內，還是在江河、丘陵等地區，均存在較大的雷擊危險。因長期運行，輸配電線路上的瓷絕緣子經常變成“劣值”絕緣子，導致其絕緣效果明顯減弱，加之許多山區桿塔接地的電阻均較高，導致“反擊”的現象頻繁發生。“反擊”現象一旦發生，在雷電流與工頻電流的作用下，絕緣子非常容易被炸掉，進而導致斷線事件的發生。當前階段，為達到防污閃的目的，大量應用合成絕緣子，但是此類絕緣子耐雷水平相對較差，在雷電天氣，極易出現閃絡。而對于硅橡膠合成絕緣子而言，因其不均勻的電位分布極易導致雷擊閃絡的發生。閃絡發生過程中，在工頻電流與雷電流的作用下，容易導致鋁制金具噴鋁、燒熔，對絕緣子產生嚴重損壞。為避免絕緣子被損壞，必須采取保護措施。在發生雷擊事件時，一旦雷電流與工頻電流經過絕緣子，必然會對絕緣子產生嚴重損壞，再加上其絕緣結構為氣體與固體的交界面，容易被電場畸變與絕緣子表面污穢所影響，進而導致雷電建弧率發生一定程度的增高，甚至損壞絕緣子，進而導致線路發生跳閘現象，或發生斷線等事故。

結合國內外常用的10kV絕緣導線防雷經驗及措施，通過收集10kV架空線路的跳閘數據，現場勘察地形地貌特征，選擇典型的地點進行直擊雷防護措施研究。通過軟件仿真計算，將各種防護裝置模型嵌入到選擇的線路中，提出最優的直擊雷防護措施。采用一種不接地、而且老化后不影響線路安全運行、能合理的配合計數器的一種防雷裝置來實施。根據上述綜合比較，線路雷擊閃絡保護裝置有比較好的應用價值。

雷擊閃絡保護裝置是通過電阻片及電容層間介質、放電球隙、等電位連接金具、安裝金具等元件組成。線路閃絡保護裝置是新一代的高科技配網線路防雷產品，里面采用非線性伏安特性良好的電阻片及脈沖電容層間介質組合而成，它是替代過去避雷器的新一代產品。

雷擊閃絡保護裝置是該課題從事電力系統高電壓專業技術人員經過大量的高電壓試驗及現場線路遭受雷擊的機理、線路雷擊斷線、跳閘過程進行分析而設計的。當線路有雷擊過電壓達到球隙閾值電壓時，球隙開始放電，引起閃絡保護裝置本體迅速動作，保護裝置動作后將線路過電壓鉗到絕緣子不閃絡的電壓范圍內，此時閃絡保護裝置放電線圈將雷電波頭電荷短路放電，線路過電壓消失后，閃絡保護裝置外球隙恢復到原來狀態，系統正常運行。此保護裝置主要用在線路防雷擊斷線、跳閘及其他電氣設備遭受雷擊的防護，此閃絡保護裝置不用接地裝置及接地引下線高阻運行即可。

鑒于傳統過電壓保護裝置的運行現狀，線路運行人員旨在通過最新設計研發技術對傳統過電壓保護裝置的限流元件進行技術革新，重點開展過電壓保護裝置中避雷器性能參數的研究、過電壓保護裝置中串聯間隙性能參數的研究、安裝過電壓保護裝置對限制配電線路雷電感應過電壓作用的研究、過電壓保護裝置安裝密度的研究、過電壓保護裝置保護效果的研究、以及架空線路雷電過電壓保護裝置保護性能的仿真實驗，為以后雷電防護治理方案提供指導性意義。

2 主要研究內容

本研究結合山區10kV線路的普遍性特點，構建了一套基于的山區10kV線路的防雷技術的評估決策體系。

主要內容如下：

（1）基于雷電密度分布的雷害風險評估

構建雷害風險評估模型，按年度雷擊密度、環境類型、雷擊頻度，評估線路跳閘風險，其中，把環境類型分為平地型，山谷型、山頂型、山波形；不同的環境類型給預不同的權重。

（2）基于EGM模型高程對各種桿塔進行風險評估

通過EGM高程分別對地線屏蔽弧、邊相暴露弧、地面屏蔽弧進行距離計算與疊加分析，給出各桿塔的易雷擊量化評估。

（3）防雷決策模型

依據雷擊量化評估結果，構建基于絕緣子沖擊放電限值、接地電阻阻值的防雷決策矩陣。

防雷決策矩陣包括防雷產品、安裝手段、成本費用等要素

（4）基于桿塔風險評估結果對線路進行治理

結合線路風險評估與桿塔風險評估結果，查詢防雷產品矩陣，給出決策方案。

3 成果推廣及產業化存在的一些問題

（1）配電線路防雷突出問題主要體現在線路絕緣子雷電沖擊放電電壓幅值較大，絕緣水平過高，加之線路桿塔和配電變壓器的接地電阻值較高，當線路遭受雷擊時，雷電波在線路中得不到及時的衰減，雷電流不能有效入地，造成線路雷擊跳閘事故。同時，線路絕緣子存在質量缺陷，當配電線路遭受雷電過電壓時，劣質絕緣子易發生閃絡、爆炸等事故，造成線路跳閘；（2） 配電線路交叉處垂直距離不足和低壓接戶線的防雷措施存在空白；（3） 變電站在直擊雷防護方面，雖有采取避雷針這種有效的防護措施，但是避雷針接地電阻值偏高，容易造成反擊事故。在雷電侵入波的防護上，由于線路和變電站的絕緣配合存在不匹配加之線路的絕緣水平過度的提高，造成高能量的雷電波在變電站才能得以完全的釋放，造成主變壓器和避雷器及其他設備的絕緣損壞；（4） 配電設備防雷措施存在不足，配電變壓器和柱上開關僅一側加裝避雷器，造成配變和開關的絕緣擊穿和線路跳閘；（5） 輔助的防雷措施如接地裝置存在嚴重的腐蝕斷裂現象，使得配電設備和桿塔“失地”，造成設備接地電阻值較大，雷擊造成局部電位升高，造成雷害事故；（6） 配電網運行缺乏維護和預防性試驗（如接地導通試驗）有時監管不到位，造成配電網存在大量的雷害事故隱患。

參考文獻

[1] 王茂成，鄒洪英，呂鳳文，呂永麗，王茂旭 10kV絕緣導線雷擊斷線機理分析和措施的研究 山東電機工程學會學術年會， 2006

[2] 陳維江，李慶峰，來小康，李國富，蔡國雄 10kV架空絕緣導線防雷擊斷線用防弧金具研究《電網技術》， 2002， 26（9）：25-28