35 kV架空配電線路防雷性能研究

孫 琪

（國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司大慶供電公司，黑龍江 大慶 163458）

1 35kV架空配電線路故障統(tǒng)計(jì)

大慶地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集，電網(wǎng)分布密集，雷電活動強(qiáng)烈。為了分析大慶地區(qū)線路的運(yùn)行狀況，分別對大慶2014年、2015年、2016年、2017年（統(tǒng)計(jì)至10月30日）35kV配電線路發(fā)生的故障進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1和圖1。

表1 不同年份35kV配電線路故障統(tǒng)計(jì)

圖1 不同年份35kV配電線路故障統(tǒng)計(jì)

由圖1可知，2015年、2016年大慶地區(qū)35kV配電線路發(fā)生故障的次數(shù)較多，2017年大慶地區(qū)35kV配電線路發(fā)生雷擊故障的次數(shù)達(dá)到943次。因此，可以預(yù)見2017年全年發(fā)生雷擊故障的次數(shù)與2016年相比還會繼續(xù)增加。說明隨著氣候的變化和防雷形勢的嚴(yán)峻，大慶地區(qū)現(xiàn)有的防雷措施可能不能完全適應(yīng)防雷的需要，該地區(qū)線路防雷仍然面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，需要采用更先進(jìn)的防雷設(shè)施來提高大慶地區(qū)配網(wǎng)防雷性能。直接雷擊是指雷電直接擊中桿塔、電力裝置等物體。當(dāng)大量電壓流過物體時(shí)，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的雷電流，導(dǎo)致線路跳閘[1]。

2 防雷現(xiàn)狀

根據(jù)近幾年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在輸電能力為6～35kV的線路中，雷擊經(jīng)常會導(dǎo)致電閘、避雷器、變壓器、絕緣子等防雷設(shè)備的損害，不能保證人民生產(chǎn)生活的正常需要。配電線路的雷電損壞可分為直接雷電和雷電感應(yīng)兩種。感應(yīng)雷是指由于線路與雷之間的電磁感應(yīng)產(chǎn)生較大的電壓，造成線路跳閘。早期的避雷器利用空氣的這一特性，將高電壓變成低電壓，從而實(shí)現(xiàn)對供電線路的保護(hù)。然而，由于開放的空氣間隙容易受環(huán)境影響，空氣放電會造成電極的氧化等。目前，國內(nèi)外常用的配網(wǎng)防雷方案有保護(hù)絕緣子串、設(shè)置避雷器和設(shè)置消弧線圈等。

2.1 保護(hù)絕緣子串

防雷保護(hù)間隙是絕緣子串的一種保護(hù)裝置。在絕緣子串兩端設(shè)置防雷保護(hù)間隙，與自動重合閘配合使用時(shí)，不僅可以及時(shí)將線路中的雷電流導(dǎo)入大地，還可以保障線路不間斷供電，維持線路的正常運(yùn)行。防雷保護(hù)間隙適用范圍廣，不僅適用于35kV、135kV及以上的各級配電線路，還不受地形環(huán)境的影響，山區(qū)、高原、平原和雷電多發(fā)地區(qū)都可以使用防雷保護(hù)間隙來保護(hù)絕緣子串。同時(shí)，防雷保護(hù)間隙的制造方便，制作成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)適用性。對于絕緣子串的保護(hù)，國外已有較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，其中日本、德國和俄羅斯的研究最具代表性。

日本常用引弧角來保護(hù)絕緣子串。引弧角的結(jié)構(gòu)較為簡單，受線路的電壓、絕緣子直徑、絕緣子片數(shù)和絕緣子串的長度等因素影響。日本對于引弧角的研究較為透徹，1979年頒布的規(guī)程中介紹了32種型式、280多個(gè)類別。日本不僅在66～154kV各級電壓架空送電線路中安裝引弧角，還在通過重污穢地區(qū)的500kV線路的軟硬跳線裝置和輸電能力為1000kV的線路上安裝此裝置[2]。

德國普遍設(shè)置引弧保護(hù)裝置保護(hù)絕緣子串。設(shè)置引弧保護(hù)裝置不僅可以防止雷電過電壓對線路的破壞，還能避免絕緣子被污染后受雷電的影響發(fā)生閃絡(luò)。德國對引弧保護(hù)裝置中起弧點(diǎn)與絕緣體的距離、材料的耐高溫性、結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行了深入研究，并得到了豐富的研究成果。

俄羅斯采用均壓屏蔽保護(hù)環(huán)來保護(hù)絕緣子串。保護(hù)環(huán)能夠屏蔽電暈，防止雷電對絕緣子串的影響，不能引弧。

2.2 設(shè)置避雷器

早期的避雷器是開放的空氣間隙。然而，由于空氣的擊穿電壓高等特性，使得避雷器對敏感設(shè)備的保護(hù)不夠及時(shí)。而無間隙的氧化鋅避雷器是日本1968年研制成功的，并首先應(yīng)用于電子工業(yè)。1976年，日本又首先研制出適用于高壓電網(wǎng)的耐污性無間隙避雷器，并先后應(yīng)用于84kV、275kV和500kV的高壓線路。氧化鋅避雷器是世界上最先進(jìn)的避雷器，具有良好的非線性伏安特性。在正常工作電壓，氧化鋅避雷器的電阻極大，流過的電流很小；當(dāng)產(chǎn)生雷電過電壓時(shí)，它的電阻迅速降低，可以分流大量的電流，從而保護(hù)線路免受雷擊作用。

我國最早從1993年開始研制和應(yīng)用線路型避雷器并迅速推廣[3]。經(jīng)過多年努力，避雷器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國各級配電線路，有效保證了我國供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 消弧線圈

消弧線圈的工作原理是在電網(wǎng)發(fā)生單向接地故障時(shí)，消弧線圈提供電感電流對故障點(diǎn)的電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，使流過故障點(diǎn)的電流降至10A以下，從而達(dá)到滅弧的目的。

消弧圈一般應(yīng)滿足如下要求：

①補(bǔ)償度應(yīng)適當(dāng)，一般應(yīng)在5%～10%；

②對35kV的系統(tǒng)，消弧圈單相接地補(bǔ)償后的殘流應(yīng)在3～10A，同時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變；

③規(guī)程規(guī)定系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)位移電壓應(yīng)小于15%U，考慮到三相電壓的平衡，以小于5%U為宜。

3 線路防雷保護(hù)措施

大慶地區(qū)配網(wǎng)線路雷擊跳閘事故頻發(fā)的根本原因是絕緣水平低下。因此，提高線路的絕緣水平，是提高配網(wǎng)線路防雷性能的最直接方法。提高配電線路的絕緣配置，可從以下三個(gè)方面入手。

3.1 采用對沖擊電壓有更高耐受性的絕緣子

如表2可知，在同樣的外部條件下，采用瓷橫擔(dān)絕緣子的配電線路發(fā)生雷擊跳閘的概率，比采用針式絕緣子的配電線路要低52.3%。目前，大慶地區(qū)已經(jīng)采用瓷橫擔(dān)絕緣子來替換線路中的針式絕緣子，線路雷擊跳閘率有明顯降低。此外，適當(dāng)增加瓷橫擔(dān)絕緣子的絕緣長度，能提高線路的防雷水平[4]。

表2 常用的絕緣子的雷擊跳閘概率

3.2 采用不平衡絕緣的配置方式

對于同塔多回輸電網(wǎng)，采用不平衡絕緣的配置方式能夠降低雙回同時(shí)跳閘的概率。這是由于感應(yīng)雷是造成同塔雙回線路的雷擊跳閘故障的主要原因。采用不平衡絕緣配置時(shí)，當(dāng)其中某一相絕緣子率先發(fā)生絕緣閃絡(luò)，則會發(fā)生單相接地。該相導(dǎo)線相對于地線，能夠耦合一部分感應(yīng)過電壓，使其他相導(dǎo)線感應(yīng)過電壓降，從而提高其他相導(dǎo)線的耐雷水平。

3.3 采用線路避雷器

線路避雷器種類繁多。按照用途，可分為配電用避雷器、線路避雷器和電站避雷器；按照避雷器的結(jié)構(gòu)，可分為有間隙避雷器和無間隙避雷器。

工程實(shí)際表明，在一定的間隔內(nèi)安裝一組硅橡膠氧化鋅避雷器，能有效保護(hù)配電線路。硅橡膠氧化鋅避雷器通常與線路絕緣子并聯(lián)安裝。由于工藝和環(huán)境的制約，目前使用的線路避雷器能夠有效降低感應(yīng)雷對線路的影響，對直擊雷的防護(hù)效果較差。

避雷線對配電線路的保護(hù)原理是避雷線接地電阻較低，能夠有效泄放電荷，可以保護(hù)設(shè)備免受雷電沖擊波的破壞。避雷線對于直擊雷的防護(hù)效果較好。對于等級較低的配電線路（如35kV），線路雷擊跳閘主要受感應(yīng)雷的影響，而降低避雷線的接地電阻對降低雷擊跳閘率影響不大。但是，降低桿塔的接地電阻可以降低桿塔的電位，防止雷擊大地時(shí)雷電波到達(dá)地面后發(fā)生反射，進(jìn)而影響配電線路。

3.4 其他防雷措施

3.4.1 安裝消弧線圈

安裝消弧線圈的防雷原理：將配電網(wǎng)中性點(diǎn)通過自動消弧線圈接入大地，在線路絕緣子發(fā)生雷擊閃絡(luò)時(shí)，電弧通過得以流入大地，保證絕緣子不能建立連續(xù)的電弧，從而控制配電網(wǎng)的雷擊建弧率，防止配電網(wǎng)發(fā)生雷擊跳閘事故。

近年來，由于固頂消弧線圈調(diào)諧困難，已經(jīng)逐步被自動消弧線圈所取代。自動消弧線圈可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電容電流、調(diào)整補(bǔ)償電流。當(dāng)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，可以使補(bǔ)償后的殘流小于10A，使絕緣子不能建立持續(xù)燃燒的接地電弧，進(jìn)而控制配電網(wǎng)的雷擊跳閘率。

3.4.2 裝設(shè)自動重合閘

實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，配電線路雷擊跳閘故障多為瞬時(shí)性的。當(dāng)雷擊跳閘故障發(fā)生后，若采用人工手動重合的方式，由于耗時(shí)較長，很容易造成用戶停電，影響正常的生產(chǎn)生活。目前，我國電力系統(tǒng)多采用自動重合閘保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行資料的統(tǒng)計(jì)，自動重合閘自動重合率達(dá)到60%～90%，可以有效解決瞬時(shí)故障，及時(shí)糾正由于斷路器誤動作產(chǎn)生的誤跳閘，以保證供電的連續(xù)。

4 結(jié) 論

以大慶在2014年、2015年、2016年、2017年不同地區(qū)的雷擊跳閘故障為樣本，通過數(shù)據(jù)分析和文獻(xiàn)調(diào)研，針對大慶地區(qū)雷擊故障發(fā)生的原因，提出了提高線路防雷性能的措施。具體地，包括采用不平衡絕緣的配置方式、在中相導(dǎo)線中安裝1組2個(gè)避雷器、降低塔桿的接地電阻、對防雷要求較高的線路有針對性地架設(shè)避雷線、安裝消弧線圈、裝設(shè)自動重合閘等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧雨榮，朱時(shí)陽.輸電基于改進(jìn)電氣幾何模型的輸電線路雷電屏蔽性能研究[J].高壓電器，44（1）：56-58.

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[3] 張文峰，彭向陽，豆 朋，等.廣東雷電活動規(guī)律及輸電線路雷擊跳閘分析[J].廣東電力，2014，（3）：101-107.

[4] 李曉嵐，尹小根，余仁山，等.基于改進(jìn)電氣幾何模型的繞擊跳閘率的計(jì)算[J].高電壓技術(shù)，2006，（3）：42-44.