配電線路防雷措施及保護效果分析

福建永福電力設計股份有限公司 吳龍偉

配電網具有數量多、分布廣等特征，且大部分配電線路都是暴露于室外環境下，導致配電線路遭受雷擊現象時常發生。在配電線路方面存在線路電壓等級低、線路總長度長、線路拓撲結構復雜等問題，此外配電線路的絕緣性較差，一旦遭受雷擊線路損壞的幾率較高，在雷防護方面需要引起高度重視。一旦線路直接造成雷擊，在雷電流的作用下線路對地阻抗會產生巨大電位差、出現絕緣子閃絡。當線路周邊出現落雷，配電線出現電磁感應導致過電壓會瞬間升高，致使絕緣結構被破損，引發火災及設備損壞等一系列安全事故。

相比于發達國家，我國配電網起步較晚、建設不足，由于雷電等惡劣氣候影響引發的配電網安全事故接連發生，由雷擊導致跳閘率顯著提高。據統計，在所有事故中由雷電引發的事故率占比50%以上，因此，加強配電線路雷電防護、保證供電系統可靠性、降低雷電帶來的經濟損失，是我國電力企業面臨的首要問題。

1 配電線路防雷措施及保護效果分析

1.1 雷擊對配電線路的影響

按雷擊性質有直擊雷和感應雷兩種類型。直擊雷即當空間電荷集中在一起形成雷電云，雷電流隨空氣流動遇到配電線路時在配電線路上產生過電壓，通過線路經桿塔或直接經變電站設備擊穿絕緣形成放電通道放電；當感應雷雷擊中配電線路周邊的物體時產生靜電感應，導致配電線路上積累大量電荷，從而產生感應電壓。雷電流擊中配電線路時會產生高壓效應、電流熱效應和機械效應，當雷電擊中線路時電壓瞬間升高，高壓沖擊電力設備直接擊穿絕緣體，致使設備發生短路、起火、爆炸等安全事故；同時電流的瞬間變大還會引發配電線路過熱，致使線路熔化、引發火災；線路被擊中時，在大電流下使得配電線路間產生強大磁場力，超過了配電線路承受范圍，導致線路發生損壞。

1.2 提高線路絕緣水平

提高線路絕緣水平是提升配電線路防雷性能的基礎。傳統絕緣材料由于本身耐候性差，導致隨著時間的推移性能也逐步降低，耐雷擊性能也會下降。在新材料、新技術的高速發展下，配電線路的絕緣水平得到顯著提升。芳綸復合材料就就是一種代表性的新型材料，芳綸是一種高性能的合成纖維，具有輕質、高強、熱持久穩定、耐酸、耐強特性，還有優異的阻燃性和電氣絕緣性能，極限氧指數大于29%，制備的絕緣紙擊穿電壓可高達100000V/mm。

現階段，配電線路的橫擔型式及性能特點如下：鐵橫擔+絕緣子。主要由鐵橫擔和各種絕緣子組合而成，具有通用性強特征，適用于大多地形以及不同類型的桿塔，不足之處是絕緣水平較低，抗雷水平低。

玻璃纖維復合材料橫擔。主要由玻璃纖維與樹脂復合而成，具有高強、電絕緣、防腐蝕等特性，但存在的問題是重量大、難安裝、通用性不強，目前只能用于直線桿塔上，局限性大；芳綸復合材料橫擔。具有高強、耐高溫、輕質等特點，有效彌補玻璃纖維復合材料橫擔的不足，還方便帶電作業。

通過將芳綸復合材料橫擔應用于實際工程中，可提高在配電線路上的絕緣水平，有效解決高污染區域絕緣子閃絡問題。沿海城市屬絕緣子閃絡高發區，通過利用芳綸復合材料橫擔可顯著提高絕緣水平，完善防雷措施。同時，配電線路采用復合材料絕緣橫擔，使得絕緣距離、線間距均增大，為開展帶電作業提供了有利條件，極大地保證了施工人員的安全性。

1.3 線路避雷器保護分析

對雷害較重地區已基本采用安裝線路避雷器方式來進行配電線路的雷電防護，利用避雷器電阻的非線性特性來對絕緣子串進行保護，降低雷擊跳闡率。線路避雷器的安裝方式對防雷效果有重要影響，其與桿塔絕緣子串的并聯安裝方式主要有三種：雷電過電壓先作用于線路避雷器，再作用于桿塔絕緣子串；雷電過電壓同時作用于線路避雷器和桿塔絕緣子串；雷電過電壓先作用于桿塔絕緣子串后作用于線路避雷器。由于桿塔自身條件會限制避雷器的安裝方式，在實際工程中大多會選擇第三種安裝方式。其中，線路避雷器與桿塔絕緣子串并聯距離通常在1~3m左右。該種方式存在的問題是，當雷電直擊桿塔或繞擊導線時，對于波頭陡度較高的雷電過電壓極易導致直接造成桿塔絕緣子串閃絡，降低避雷器保護效果甚至喪失保護功能。

一直以來避雷器絕緣配合問題是關鍵問題，現階段大多配電網中避雷器與絕緣子通常是獨立設計、安裝，因此在應用過程中暴露出許多問題。研究人員展開了新型防雷復合絕緣子的研究設計工作，主要是通過在內部放置氧化鋅材料改變其電場分布，其抗彎性能可達3kN，滿足實際運行要求（2.38kN），還通過模擬仿真對防雷性能進行了分析，通過幅值65kA波形4/10μs電流沖擊復合絕緣子，當雷擊于距離桿塔65m處時，其最大耐受直擊雷為-35kA、感應雷為-147kA。

1.4 避雷線保護分析

架設避雷線是目前電力系統中應用較多的一項防雷技術，避雷線材料多采用鋁包鋼絞線和鋼絞線，避雷線的主要作用是通過線→桿塔→大地釋放電荷，安裝避雷線是降低配電線路面遭受雷電沖擊的重要防護措施。

在架設避雷線工程中保護角的設計十分關鍵，通常保護角的確定范圍是要根據保護角與雷電繞擊率間的關系確定，首先，保證導線的最低處距離地面不小于6.5m，避雷線架設高度要保證導線與避雷線滿足足夠的電氣安全距離。以10kV的配電線路為例，當增大避雷線的保護角耦合系數隨之提高，線路的耐雷水平也得到了一定的提升，但增大保護角又會增加雷電繞擊的概率，增大了絕緣導線遭受雷擊的概率，因此要科學設置保護角，過大或過小都不利于提高整體防雷效果。

避雷線安裝完成后要還要做好定期安全檢查工作，檢查避雷線是否存在繡蝕、斷絲現象，若避雷線弛度過大還需重新拉緊，同時要做好接地電阻的檢測工作，要保證接地電阻值小于10Ω，保證避雷線起到良好的防雷作用。

2 防雷措施保護效果因素分析

2.1 外部環境因素的影響

在分析防雷措施保護效果時還要考慮到外部環境因素影響，通常環境條件不同時防雷效果方面也存在一定的差異。配電線路在遇到雷電襲擊時，環境因素是雷電過電壓類別的主要決定者。通常架空線路的高度都在十米左右，當線路所處周邊環境有大量植物或較高的建筑物時，雷電不易直接擊中線路或桿塔，大多數故障都是由于感應雷過電壓造成，鑒于此，可通過從考慮阻擋感應雷過電壓的方面開著手開展防雷保護工作，如可在適宜位置安裝避雷器減小跳閘率。但當線路位于山區地帶時周邊不存在高層建筑物，這就會加大線路落雷的幾率，針對該問題可通過強化線路絕緣、設置避雷線等辦法來提升線路防雷保護能力。

2.2 土壤電阻率和桿塔接地電阻的影響

土壤電阻率大小是影響接地電阻的關鍵因素，通常土壤電阻率偏大接地電阻也會較大，當線路周邊土壤電阻率偏大時感應雷過電壓就會增高，耐雷水平也會降低，加大了跳閘率。通過安裝避雷器來限制感應雷過電壓，僅能解決對應位置的絕緣子閃絡問題，其余未安裝避雷器位置處的絕緣子依然易發生閃絡，對于未裝避雷器的桿塔上，當接地電阻大于10Ω時也會發生絕緣子閃絡，如接地電阻較大時可通過適當增大避雷器的安裝密度來進行彌補、或是采取有效措施來降低接地電阻，如向土壤環境中添加降阻劑、利用自然接地體、人工換土或利用石墨烯等新型材料來降低接地電阻。可見，在進行線路壁避雷器設置及架設避雷線的過程中，合理控制桿塔接地電阻尤為重要。

2.3 配電線路防雷措施改進意見及建議

對配電線路進行防雷設計時，對于位于特殊區域易遭受雷電強度大、直擊雷害較為嚴重的線路桿塔，可考慮在其雷電繞擊側邊相導線或兩邊相導線安裝線路避雷器，防止直擊雷危害線路。線路避雷器要采用科學的安裝方式，可借助計算機技術做好前期設計工作，確定合適的安裝數量和適宜的安裝位置，在選擇線路避雷器時還要考慮落雷密度、能量吸收能力、路避雷器自身的重量、覆冰重量等，不單是向以往憑借工程經驗大量選取單一類型的防雷裝置，應從防雷性能和技術經濟兩方面著手考慮，科學安裝防雷裝置。

積極將新材料、新技術、新裝置應用于配電線路防雷工程中，考慮將新型防雷復合絕緣子應用于防雷設計中；同時采用高效降阻新技術，科學運用石墨烯等高性能材料來降低接地電阻，以期發揮高效、持久的降阻作用。

3 結語

做好配電線路的防雷保護工作是保證電力系統安全穩定運行的基礎，是保證社會安定有序運行的關鍵，電力企業應高度重視配電線路的安全性，做好線路的雷電防護工作，結合工程實際情況，有針對性的采用適宜的防雷措施。

與此同時，電力企業及相關研究機構還應在防雷設計研究方面加大研發經費的投入。一方面，在防雷評估技術方面，要對雷電參數、線路本體特征及環境因素對防雷性能影響展開系統研究；另一方面，在雷電防護措施方面，充分結合工程經驗、實驗驗證、仿真模擬評估防雷措施的有效性；與此同時，加強新型防雷技術和材料的研發和應用，關注小型化、智能化、高壓化及直流線路避雷器的開發，提升配電線路的防雷性能，助力電力系統的高質量發展。