配電線路防雷措施及保護效果分析

沈陽工程學院 陳詩琦 高振國

配網線路絕緣子在直擊雷過電壓或感應雷過電壓作用下均可能發生閃絡。閃絡的發生與諸多因素有關，例如與感應雷或者直擊雷過電壓有關，并且不同因素產生的影響是不同的，而閃絡則是導致線路跳閘的重要原因。特別是在閃絡轉變為工頻電弧之后，則更容易發生此問題，所以需要重視對于閃絡的分析，明確其出現的根源以及產生的影響。但是在實際中，大部分雷擊故障與感應雷過電壓有關，而架空線路基本不會受到直擊雷的影響。結合上述分析，防雷擊的主要對象是感應雷過電壓，需要對此設計針對的防范對策。

架空線路感應雷過電壓防護一般可以從降低、限制兩個兩個方面開展相關的工作。當前在此領域的研究較多，很多學者從上述兩個角度開展了具體的研究工作，但是大部分研究中主要從第二個角度設計了對應的防護策略。例如可以采用避雷器等設備，或者是強化線路絕緣等。一般需要結合具體的線路設計對應的防雷對策，以保證達到更佳的效果。

從有效降低線路感應雷過電壓的技術角度對供電線路上的感應電擊雷發生過電壓事件進行綜合防護，其主要防護措施之一是在線路配套的網線和架空供電線路上同時安裝"感應雷屏蔽線"，即避雷線。通常用戶可直接參照110kv以上聯網架空避雷線路安裝防雷線的保護設計方案，在其他配套聯網后的架空避雷線路上直接安裝架空避雷線。

以下主要從線路絕緣水平、安裝線路避雷器以及架設避雷線的角度分析對架空線路感應雷過電壓的防護效果。

1 提高線路絕緣水平

為了有效地解決雷擊線路跳閘問題，可以采用加強線路絕緣的方式，這種方式的應用效果比較明顯，廣泛應用到了實際工程領域中。從具體實施上來看有兩個方面，其一是提高絕緣子數量；其二是利用架空絕緣導線、瓷橫擔等方式直接替換裸導線。相同條件線路雷擊絕緣能力水平相同條件下，采用瓷橫擔可以有效率地降低不同線路受到雷擊導致跳閘的概率。提高輸電線路的裸絕緣技術水平，可以提高線路在直擊雷和感應雷過電壓下的防雷性能。

參照有關仿真實驗數據結果，增強絕緣性，有助于改善在兩種過電壓情況下的防雷效果。受到雷電過電壓的影響，耐雷水平與絕緣子片數存在正相關的關系，在建弧率降低之后有助于減小跳閘事故的發生。研究表明，絕緣子內片的數量直接影響到線路性能高低，一般可以通過線性關系進行描述，增加絕緣子有助于達到更高的耐雷水平，可以將跳閘率控制在較低的水平。

2 線路避雷器保護分析

對于三相供電系統而言，在三相導線內同時存在感應雷過電壓，并且其幅值以及波形特征基本是一致的。就此情形下，在感應雷過電壓的作用下，很大幾率出現三相同時對地閃絡的問題。仿真結果表明，安裝線路避雷器后，在感應雷作用下，架空線路沿線過電壓水平主要由避雷器的安裝密度和桿塔接地電阻決定。

桿塔線路接地時的電阻越大，線路保護避雷器的線路保護避雷范圍越小，為了能夠取得較好的線路保護避雷效果，需要增加避雷器的安裝密度。在設置避雷器時需要考慮到對桿塔接地電阻大小，二者應該保持正相關的關系，即安裝密度應該隨著接地電阻的增大而合理增大。另外，在利用絕緣導線的情況下也需要適當降低安裝密度。

3 避雷線保護分析

對于架空線路而言，在其上進行避雷線的安裝過程中，由于會被其本身的屏蔽性所影響，因而會造成感應過電壓明顯減小，實際上在兩個電壓疊加之后形成了感應過電壓幅值，具體形式如下所示：

在上述公式內：U表示幅值，-U表示幅值相同，方向相反；Kc為避雷線與導線間的耦合系數，該系數與多個因素有關。其中導線位置以及尺寸是影響Kc的主要因素，如果導線之間的距離較大，則Kc較小，而感應過電壓較大。

避雷線與雷電導線間互波耦合阻抗系數約為kc，也可以用避雷線間互波阻抗系數表示。具體信息如圖1、圖2所示。

圖1 多導線及其鏡像

圖2 避雷線安裝位置示意圖

圖1中，導線k與j間的互波阻抗Zkj為：

在上述公式內：Djk為導線k與j的鏡像間距離；dkj為導線k與導線j間的距離。

安裝線路避雷線后，線路上的感應絕緣雷擊通過電壓顯著下降，耐雷性能水平顯著提高，線路感應絕緣子件的閃絡損壞概率、雷擊線路跳閘率均顯著大幅下降，因此，安裝避雷線可以對感應雷過電壓進行有效的限制。用于雷電感應屏蔽雷電的過電壓電阻防護的雷電避雷線對于接地穩壓電阻防護可以完全不作任何嚴格要求，只要能夠取得地面的電位，能達到起屏蔽雷電作用就已經可以了，這與一般避雷線接地防護在垂直擊雷時對導電桿塔上的接地穩壓電阻的嚴格要求可以有所很大不同。

4 自動重合閘與線路防雷保護

經驗研究證明，架空電纜輸電線路上的一次雷擊放電故障，約80%以上的都是瞬時性的。輸電電纜線路直接電纜遭受閃電雷擊時，線路上的絕緣子在較大雷電的通過電壓下也會發生的雷電閃絡，此時線路絕緣只是暫時的失去其絕緣性能，在大多數的情形，弧道電離消除的時間不超過0.2-0.3s，經此時間之后，線路絕緣即完全恢復其電氣強度，并允許在正常的運行電壓下重新合閘。在雷擊故障跳閘和自動重合之間的時間間隔很短，即故障停電的時間很短，因此對各種用電設備的正常工作，幾乎都不會感到有什么影響，從而大大限制了雷擊故障范圍的擴大，消除了可能造成的停電事故。

從研究統計得出，一般架空輸電線路上，有超過一半的瞬時性短路故障，可以通過自動重合閘使供電不間斷。而且，從經濟的角度來考慮，安裝一套自動重合閘所需要的費用與停電可能造成的經濟損失相比是較小的，其技術經濟性比較好，所以，裝設自動重合閘裝置自動重合閘是防雷保護工作中的一項重要技術措施。

5 防雷措施保護效果的影響因素分析

（1）環境因素

架空配電線路分布廣泛，結構復雜，線路遭雷擊時，其雷電過電壓類型將受到外界的環境因素影響。

對于主要分布在城區的這些架空配電系統線路，線路附近大多可能存在線路樹木或其他建筑物，線路平均桿塔高度約設定為10m，樹木和其他建筑物的高度將不會超過其他線路或橋桿塔高度，由于線路樹木和其他建筑物的雷電屏蔽保護作用，雷電一般上都不會直接接觸擊中這些架空電力輸電系統線路或橋的桿塔，線路上遭受直接沖擊雷電力作用的放電概率相對較小，一般由于雷擊而放電引起的線路故障大多可能是雷電感應器的雷電超過電壓所導致造成。這一情況下，必須要立足于阻擋感應雷過電壓的層面入手來開展防雷保護工作，例如可以在合適的位置設置避雷器，有助于減小跳閘率。

如果架空線路處于容易受到雷擊的區域，例如在河谷或者山地等區域中，相比于城市區域而言，線路落雷的幾率更高，原因就在于其周邊環境中很少存在植物或是建筑物能夠產生屏蔽作用，基于感應雷過電壓，可以采取綜合性的措施，例如強化線路絕緣，設置避雷線等辦法，均能夠有效提升防雷保護能力。

（2）土壤電阻率和桿塔接地電阻

配電站的架空傳輸線路沿線桿塔土壤接地電阻和功率將不會影響接地感應電阻雷達通過電壓的最大幅值，另外，桿塔的土壤接地感應電阻也可能會直接受到沿線土壤接地電阻和功率的很大影響。通常，土壤電阻率越大，桿塔的接地電阻變大，從而影響線路防雷保護效果。對于土壤電阻率過大，桿塔接地電阻不能滿足防雷保護要求的區域，需要采取相應措施降低土壤電阻率，減小桿塔接地電阻。