配網(wǎng)架空線路雷擊故障及防雷措施分析

曾松濤， 劉 凱， 韓云飛， 徐 雨， 王喜軍

（廣東電網(wǎng)有限責任公司 廣州供電局， 廣東 廣州 510620）

0 引言

近年來，絕緣導線覆蓋率越來越廣。絕緣導線雷擊跳閘停電及雷擊斷線事故遠高于裸導線， 嚴重影響配網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。 如何妥善解決雷擊斷線問題，以確保架空絕緣配網(wǎng)的安全運行已經(jīng)成為一個十分迫切需要解決的重要問題。 針對雷擊絕緣導線斷線問題眾多學者對此做了許多研究，文獻[2]通過試驗驗證工頻續(xù)流電弧才是導致架空導線燒傷斷線的根本原因；文獻[3-5]從疏導型和堵塞型兩方面介紹了配網(wǎng)防雷措施， 并分析了各類配網(wǎng)防雷措施的技術(shù)差異。 但并未明確提出有效的防雷措施，絕緣導線斷線事故仍頻繁發(fā)生。 鑒于此，本文通過對某地區(qū)10kV 架空線路雷擊斷線問題及該地區(qū)采取的防雷措施進行分析，提出一種性能較佳的防雷措施，降低導線雷擊跳閘和斷線率。

1 故障概況

某區(qū)域10kV 配電線路， 主要為單回路水泥桿架設(shè)，桿塔高度一般為10m，桿塔平均檔距為50m。 絕緣子主要型號分別為PS 15 和SC 210，未沿線架設(shè)避雷線。 該地區(qū)地處沿海地區(qū)， 屬于亞熱帶季風氣候， 雷電活動非常頻繁，年平均雷暴日超過90d，屬于強雷區(qū)，雷電活動主要集中在每年的5-9 月。 該地區(qū)2019-2020 年發(fā)生雷擊跳閘事故共318 次， 其中5 月-9 月發(fā)生雷擊跳閘事故共302次，占94.97%，統(tǒng)計見表1。

表1 2019—2020 年5 月-9 月配電網(wǎng)雷擊跳閘故障分布

表2 3 條線路安裝前后對比

2022 年6 月，受強烈的雷電活動影響，該地區(qū)某支線線路跳閘且重合閘不成功。 經(jīng)現(xiàn)場巡線發(fā)現(xiàn)27-28# 桿塔發(fā)生兩相斷線事故，導線斷線處燒損嚴重，絕緣子表面污穢嚴重且存在閃絡(luò)痕跡，如圖1 和圖2 所示。

圖1 雷擊斷線桿塔環(huán)境

圖2 絕緣子表面污穢

2 絕緣導線斷線分析

2.1 地理環(huán)境分析

該線路27# 桿塔和28# 桿塔為跨越段， 線路檔距較大，大檔距使得雷擊過電壓在線路上的泄流點過少，絕緣子發(fā)生閃絡(luò)的可能性增大。 27# 桿塔位于山上的迎風側(cè)，該地理位置使得該處成為雷擊多發(fā)區(qū)， 且雷擊的隨機性大；28# 桿塔位于農(nóng)作物種植區(qū)，桿塔附近樹木眾多，且樹木的高度高于桿塔高度，對雷電產(chǎn)生一定的屏蔽作用。

2.2 線路絕緣水平分析

10kV 絕緣導線的絕緣水平相對較低，其雷電沖擊電壓一般為93.8kV，而發(fā)生雷擊時，雷電沖擊電壓一般超過139kV[3]。 27-28# 桿塔僅安裝有橫擔絕緣子，未采取架設(shè)避雷線等防雷措施，其絕緣耐受電壓為185kV 左右。隨著絕緣子運行時間的增加，絕緣子表面污穢也會不斷增加，其絕緣耐受電壓會有不同程度的下降， 線路發(fā)生閃絡(luò)的概率也會增加。

2.3 感應(yīng)雷過電壓計算分析

當雷擊線路附近時， 會在架空線路的三相導線上感應(yīng)過電壓。根據(jù)標準DL/T 620—1997，雷電感應(yīng)過電壓為

式中：I—雷電流幅值 （kA）；hd—導線平均懸掛高度（m）；S—雷擊地面點到導線正下方間的水平距離（m）。

由式（1），線路最大感應(yīng)雷過電壓Ug 與雷電流幅值和導線平均懸掛高度成正比， 與雷擊地面點到導線正下方間的水平距離S 成反比。 對雷擊點離導線不同距離的不同雷電流下感應(yīng)過電壓，計算結(jié)果如圖3 所示。當線路高度為10m 時，100kA 的雷電流在離10kV 導線65m 處時，在線路產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓數(shù)值為384.6kV；若雷電流＞100kA時，線路感應(yīng)過電壓會增大，但自然界中雷電流幅值＞100kA的概率極小，低于7%，因此研究雷電防護時，更多考慮≤100kA 的雷電流對線路產(chǎn)生的影響，因此計算出的感應(yīng)過電壓幅值一般在300～500kV 左右。

圖3 感應(yīng)雷過電壓計算

當配網(wǎng)的波阻抗Z為400Ω 時，線路上流過的感應(yīng)電流為

根據(jù)計算可知，線路感應(yīng)電流一般小于1kA。 因雷電流時間短，且配網(wǎng)多為感應(yīng)雷，幅值小的雷電流難以造成導線斷線。

10kV 配電線路一般采用中性點非有效接地方式，可允許帶故障運行兩小時，工頻續(xù)流時間長，在采用絕緣導線的配電線路中， 由于導線的絕緣層對電弧移動的阻礙作用，電弧電流長時間固定在某處燃燒，因而容易發(fā)生絕緣導線斷線事故。由此可見，工頻續(xù)流電弧才是引起絕緣導線斷線的根本原因。

3 配網(wǎng)線路防雷措施現(xiàn)狀

該地區(qū)部分線路應(yīng)用的防雷裝置有放電箝位絕緣子、非固定間隙氧化鋅避雷器、固定外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，解決了部分雷擊絕緣導線斷線問題。但實際運行經(jīng)驗表明，仍然存在絕緣導線斷線事故，因此對防雷裝置的優(yōu)缺點進行分析。

3.1 放電箝位絕緣子

放電箝位絕緣子通過穿刺式線夾與絕緣導線固定連接， 將雷擊后的工頻續(xù)流轉(zhuǎn)移到引弧棒與絕緣子金具上灼燒，可有效保護絕緣導線和絕緣子不受損傷。但工頻續(xù)流會嚴重燒損放電箝位絕緣子，工頻續(xù)流越大，放電箝位絕緣子的損傷越嚴重；雷擊后的工頻續(xù)流需線路跳閘后才能切斷， 無法解決雷擊跳閘問題； 穿刺式線夾會破壞導線的絕緣層和線芯， 長期運行易使導線斷線，如圖4 和圖5 所示。

圖4 放電箝位絕緣子

圖5 絕緣層安裝孔

3.2 非固定間隙氧化鋅避雷器

非固定間隙氧化鋅避雷器由避雷器本體和環(huán)形電極鐵絲組成，如圖6 所示。雷擊時先沿絕緣子表面擊穿空氣與環(huán)形電極鐵絲放電，再通過避雷器泄放雷電流。雷電流過后，避雷器本體呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，工頻續(xù)流被遮斷，可有效防止導線斷線。 但環(huán)形電極鐵絲軟，其尺寸難以控制，易受風偏的影響，長期運行后間隙可能發(fā)生改變，從而影響防雷效果； 雷擊時沿絕緣子表面擊穿空氣與環(huán)形電極鐵絲放電會影響絕緣子的壽命， 且避雷器本體損壞后難以查找，運行維護工作量大。

圖6 非固定間隙氧化鋅避雷器

3.3 固定外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器

固定外串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器通過穿刺線夾與絕緣導線固定連接， 如圖7 所示。 當導線上產(chǎn)生過電壓時，間隙被擊穿，雷電流經(jīng)氧化鋅避雷器泄入大地。 因氧化鋅良好的非線性特性， 可將工頻續(xù)流限制在毫安級， 有效切斷工頻續(xù)流， 保護導線和絕緣子不受損傷。 穿刺線夾會破壞導線的絕緣層， 長期運行將導致導線斷線；避雷器故障后難以查找，運行維護工作量大； 復合材料耐候性差，長期運行易開裂，水氣進入避雷器內(nèi)部，加速避雷器的老化劣化，影響避雷器的使用壽命。

4 配網(wǎng)防雷措施分析

4.1 配網(wǎng)防雷措施方案

通過分析該地區(qū)10kV 配網(wǎng)線路導線斷線及其防雷措施，總結(jié)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)目前的防雷措施存在絕緣水平低、穿刺式安裝、工頻續(xù)流遮斷能力不足、間隙結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、避雷器故障難以查找的問題。 針對該地區(qū)防雷措施存在的問題，宜安裝帶固定間隙的絕緣子式避雷器。該避雷器外部與瓷絕緣子相同，內(nèi)置氧化鋅電阻片，有效泄放雷電流，雷電流過后呈高阻狀態(tài)，可有效遮斷工頻續(xù)流；安裝采用綁扎式安裝，無需剝線，不破壞導線的絕緣層，避免導線破損受潮；外部的固定間隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不受風偏的影響； 瓷套相比復合外套耐候性強， 長期運行于戶外環(huán)境不易粉化， 如圖8所示。

圖8 絕緣子式避雷器

4.2 應(yīng)用案例分析

近年來處于多雷區(qū)部分10kV 架空線路雷擊事故頻繁， 于2021 年8 月選取在該區(qū)域的3 條10kV 線路安裝帶固定間隙的絕緣子式避雷器進行應(yīng)用。 截止至2022 年9 月，應(yīng)用的3 條線路，未發(fā)生絕緣導線斷線事故，雷擊跳閘次數(shù)顯著減少。

5 結(jié)束語

通過對某地區(qū)10kV 配網(wǎng)線路的情況進行調(diào)研，并對絕緣導線斷線事故及其防雷措施進行了分析， 發(fā)現(xiàn)其防雷措施存在絕緣水平低、穿刺式安裝、工頻續(xù)流遮斷能力不足等問題。為了減少該地區(qū)絕緣導線雷擊斷線事故，通過在該地區(qū)3 條線路上逐基逐相安裝帶固定間隙的絕緣子式避雷器， 有效解決絕緣導線斷線問題和大幅降低雷擊跳閘率，性能較佳。