配网架空绝缘导线防雷技术研究

陆干文，李炳雄

（广州荔湾供电局 广东广州 510175）

0引言

10 kV配电网具有分布广、设备多、绝缘水平低的特点，容易因过电压造成绝缘损坏事故［1］。近年来，用户对电能质量、供电可靠性的要求不断提高，而城市配电网络绝缘化工作的深入开展也使得雷击断线问题日益突出，影响越发巨大［2］。因此，如何妥善解决雷击断线问题，以确保架空绝缘配电网的安全运行已经成为配电网系统中一个需要迫切解决的重要问题。

架空绝缘导线与裸导线相比，它能有效地降低“线树矛盾”引起的停电事故;与电缆相比，它可避免道路开挖损伤，且投资较少。笔者所在单位目前共管辖10 kV架空线路87.14 km，其中绝缘导线66.11 km，占10 kV架空线路总长度的75.87%。近三年架空线路雷害情况统计如表1所示。

表1 近三年架空线路雷害情况统计表

由表1可见，架空线路馈线跳闸次数较多，2009年达51次，占馈线跳闸总次数的68.92%;雷击跳闸所占比列较高，2008年达 39.58%。

1 雷击机理及其危害

1.1 雷击主要形式

配网架空线路雷击主要有直击（或绕击）雷、感应雷和反击过电压三种形式［3］:

（1）直击（或绕击）雷:直击雷过电压常在没有避雷线的情况下发生，但装设避雷线的线路仍有可能被绕击，但其概率较小。雷电流的幅值、陡度越大，则被击线路的电位越高。

（2）感应雷:在配网架空线路附近发生雷云对地放电时线路上产生的过电压。在雷电放电的先导阶段，在导线上缓慢积累了异性的束缚电荷，雷击时，由于主放电的速度很快，所以导线中被束缚的电荷迅速疏散。

（3）反击过电压:雷击杆塔时由于杆塔的电感和接地电阻，使本来是地电位的杆塔具有很高的电位，引起绝缘子逆闪，将高电位加到架空线路上。

1.2 雷电对架空线路的危害

雷电放电过程中，呈现出电磁效应、热效应以及机械效应，对架空绝缘导线产生很大的危害性。

（1）电磁效应。雷云对地放电时，位于雷击点附近的导线上，幅值可达几十万伏的感应过电压能使架空线路上设备发生闪络或击穿，甚至引起火灾和爆炸。

（2）热效应。幅值为Im的雷电流通过金属导体时使导体发热，将导体烧红、熔化，甚至升华。架空线路避雷线的断线现象，与雷电流的热效应有关。

（3）机械效应。雷电流通过导线时，会产生冲击性的电动力。雷电流通过平行导线时，电动力大小与雷电流幅值、导线间距有关。例如I=100 kA，线间距L=50 cm，则电动力F可达400 N。

1.3 雷击断线、跳闸机理

（1）雷击裸导线时电弧的发展

当直击雷或感应雷过电压作用于裸导线引起绝缘子闪络时，连续的工频电流电弧因电磁力作用，沿导线向负荷侧快速移动，而温度最高的弧根缓慢在导线上运动。温度较低的弧腹在随弧根向前运动的同时，受到热应力的作用不断向上空漂浮［4－5］。在上述过程中，弧根沿导线运动，而不是固定的燃烧一点，所以不会集中烧伤导线，引起断线的几率也较小。

（2）雷击绝缘导线时电弧的发展

架空绝缘导线线路遭受雷击后，引起绝缘子闪烙并击穿导线绝缘层，绝缘层呈针孔状，连续的工频短路电流电弧受周围绝缘的阻隔，弧根受限于针孔处燃烧，急剧产生的高温无法快速传导，从而在极短的时间内烧断导线。运行统计显示，架空绝缘导线雷击断线大部分发生在离绝缘子与导线固定处100～400 mm范围之内，烧断面整齐。

2 主要防雷措施

防雷的主要思路是使电弧在熔断导线前瞬间熄灭或使电弧燃烧熔断导线的时间延长至超过断路器跳闸时间，从而通过断路器跳闸灭弧、提高线路绝缘水平或避免产生雷电过电压等。

2.1 提高线路绝缘水平

加强线路绝缘，采用较高绝缘水平的绝缘子，使雷电引发的工频续流因爬距较大而无法建弧，可以全面提高配电架空线路的绝缘程度及耐雷水平。

2.2 安装氧化锌避雷器

氧化锌避雷器由具有较好的非线性“伏—安”特性的氧化锌电阻片组装而成［6］。其特点是无放电延时，大气过电压后无工频续流，可经多重雷击，残压低，基本免维护，但保护范围较小，若全线安装则成本较高，且避雷器的安装密度与限制雷电感应过电压的水平成正比关系。

2.3 架设避雷线

架设避雷线是输配电线路防雷保护的常用措施。其主要作用是防止雷直击导线，同时还具有以下作用:

（1）分流作用，以减小流经杆塔的雷电流。从而降低塔顶电位;

（2）通过对导线的耦合作用减小线路绝缘子的电压;

（3）对导线的屏蔽作用可以降低导线上的感应过电压。

通常情况下，线路电压愈高，采用避雷线的效果愈好，而且避雷线在线路造价中所占的比重也愈低。然而，对10kV的架空绝缘导线，通常只有一个针式绝缘子，装设避雷线反而容易造成反击而损坏绝缘导线及设备，且避雷线的安装将使得线路的损耗增加，笔者所在单位仅于空旷处及水塘边等部分架空线路段装设避雷线。

当避雷线于地面高度为h时，其保护范围由下面公式计算。

式（1）中P为高度影响系数，hx为被保护线路及设备的高度，rx为避雷线每侧保护范围的宽度。

2.4 加装过电压保护器

过电压保护器作用是在雷击架空绝缘导线后，将雷电流引向保护器，并切断工频续流，限制雷电过电压，避免绝缘子闪络或击穿，保护架空绝缘导线，以避免发生断线事故。其特点是不承受工频电压，由非线性电阻限流元件串联放电间隙组成，不需更换绝缘子，安装方便，保护特性良好、结构简单免维护。

表2 几种主要防雷措施的技术经济比较

3 过电压保护器的应用情况

架空线路过电压保护器是消化吸收日本、澳大利亚采用限流消弧角的工作原理，在国内率先研制开发成功适合国情的防雷技术措施，填补了国内防止架空导线雷击断线和跳闸新技术和新措施的空白［6－7］。它由非线性电阻限流元件串联放电间隙组成，安装在线路绝缘子上。其保护原理是当雷电过电压或其它故障原因引发对地闪络形成金属性电弧放电短路时，不锈钢引流环可将kA级工频续流直接引向氧化锌非线性电阻限流元件，通过与绝缘子串联间隙的引流环、氧化锌非线性电阻限流元件的合理配合，在雷电过电压的作用下通流动作，释放雷电过电压能量，有效限制雷电过电压。

为防止雷击断线和减少线路雷击跳闸事故发生，有效提高配网运行安全和供电可靠性，笔者所在单位于2008年在芳村 F10、增窖 F1和增窖F6共3条馈线上安装了35组武汉雷泰电力技术有限公司生产的架空线路过电压保护器。产品实物如图1所示，其主要技术指标如表3和表4所示。

图1 XHQ5－12.7/36型过电压保护器

表3 过电压保护器主要性能

表4 保护器串联间隙与保护性能（串联间隙100±5 mm）

为了解运行效果，对部分过电压保护器的放电情况进行统计，如表5所示。

表5 过电压保护器放电计数器记录表

由表5可见，所监测的9组过电压保护器安装运行以来，累计放电290次，若以该值平均计算，则所安装的35组过电压保护器雷击放电次数可达1 128次，保护效果显著。

表6 芳村F10、增窖F1、F6三条馈线雷击跳闸情况统计表

表6表明，装设过电压保护器后，芳村F10、增窖F1、F6三条馈线的雷击跳闸次数减少，所占各馈线跳闸比例降低，其中增窖F6安装过电压保护器后虽有多次放电记录，却未曾发生雷击跳闸事故。

4 存在问题与改进措施

4.1 降低接地电阻

接地电阻阻值增大，将大大降低过电压保护器泄导雷电流的能力，降低防雷效果，甚至引起反击等相反作用，造成雷电危害事故。装设完成后的引下线及接地体，其阻值主要受地形、气候、湿度和季节的影响，应尽可能选择电阻率低的地方埋设引下线和接地体，加强接地电阻试验和地网整改工作，确保最佳防雷效果。表7为部分需改造地网阻值情况。

表7 部分需改造地网阻值统计表

4.2 提高线路绝缘水平

可提高绝缘子放电电压从而增强绝缘线路的耐雷水平，将10 kV配电线路中采用的瓷绝缘子更换为瓷横担，或在绝缘导线与绝缘子的固定位置加强局部绝缘，使雷电不闪络或闪络后引发的接续工频短路电流因爬距较大而无法建弧，保护绝缘导线不被烧伤。

4.3 与重合器配合使用

由于架空绝缘导线雷击闪络后大多能在跳闸后自行恢复绝缘性能，若在配网线路上装设自动重合装置，将可大大提高供电可靠性，运行经验表明，架空线路自动重合闸成功率可达75% ～95%［7］。

5 结束语

运行情况和上述分析结果表明:

（1）安装过电压保护器可有效防止架空绝缘导线发生雷击断线事故和降低雷击导致线路开关跳闸概率，提高配网架空线路供电可靠性，应推广使用。

（2）若过电压保护器安装密度较小，则雷电流将集中在线路最薄弱的一个基杆上进行释放，可使该基杆保护器损坏，对雷击频繁的区域线路过电压保护器的安装应覆盖至各基杆，合理分配雷电流能量，减少保护器限流元件的损坏概率。

（3）线路过电压保护器能有效限制雷电过电压、断路器不跳闸，不造成线路中断供电;无需承受工频电压，不破坏绝缘导线绝缘层，免维护;放电绝缘子安装方便，结构简单，但应加强绝缘导线绝缘层破口处的密封防水处理。

（4）接地电阻大小对过电压保护器防雷效果影响较大，加强接地电阻测量和地网改造有利于增强线路防雷能力。

［1］谭湘海.输电线路的防雷设计［D］.湖南:湖南大学，2004.

［2］吴维韩，何金良，高玉明.金属氧化物线性电阻特性和应用［M］:北京，清华大学出版社，1998.

［3］邵学俭，章玮，周洁.过电压保护器在10 kV架空绝缘导线防雷中的应用［C］.浙江:第五届输配电技术国际会议，2005.

［4］陈维江，孙昭英，周小波，等.防止10 kV架空绝缘导线雷击断线用穿刺型防弧金具的研制［J］.电网技术，2005，29（20）:82 －84.

［5］陈维江，李庆峰，来小康，等.10 kV架空绝缘导线防雷击断线用防弧金具研究［J］.电网技术，2002，26（9）:25 －29.

［6］方瑜.配电网络过电压［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［7］丁毓山，罗毅.配电线路［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.2.