10kV输电线路雷电防护的初步研究

曹志建，王晓峰，谢炎林

(1. 贵州省防雷减灾中心，贵州 贵阳 550002;2. 贵州省六盘水市防雷中心，贵州 水城 550004;3. 贵州南源电力科技开发有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 引言

雷电是导致电力系统故障的主要成因。据统计，电力系统中60%以上的故障均与雷电灾害有关。架空输电线路地处旷野，纵横交错，很容易遭受雷击。雷击输电线路产生很高的过电压，不仅直接造成绝缘子的闪络和线路的停电跳闸，同时，沿线路侵入的过电压会影响变电站的设备安全运行。以某大型国有煤矿为例，2006—2010年期间，10 kV、35 kV 架空输电线路每年都不同程度遭受过雷击，造成不同线路上的瓷瓶、开关断路器、避雷器等的损坏，引发供电设施跳闸事故。矿区的雷击跳闸率约为6 次/a，因停电造成井下瓦斯积聚，排放时间最长达6 h，严重威胁着矿区的安全生产。分析研究10 kV、35 kV 输电线路的特点及防雷要求，并结合该矿区实际进行综合防雷整改，对企业的安全生产具有重要意义。

2 某煤矿区域的雷电活动特征

统计2006—2010年贵州省雷电监测网资料，以该煤矿为中心半径8 km 范围内的闪电次数为8 591次，雷电流幅值主要集中在20～50 kA 之间，雷电流波头时间主要集中在5～10 μs 之间，其中80%的雷电流幅值小于43.6 kA，波头时间≥5.79 μs。由此，该文涉及的计算模型中，雷电流幅值取为45 kA，波头时间取为5.5 μs，半波长时间取为80 μs。

图1 雷电流幅值概率分布

图2 雷电流波头时间概率分布

3 某煤矿10 kV 输电线路情况

某煤矿10 kV 输电线路有3 条，两条线路为辅助场地主通风机、瓦斯抽放泵等供电，一条线路为2号采区供电，2006年煤矿投产以来，3 条10 kV 输电线路都未采取雷电防护措施。该文侧重介绍后2 号采区用输电线路架设情况。这条输电线路长9.3 km，架设杆塔48 基，杆塔高10 m，平均档距约200 m，线路沿山体架设，海拔高差约260 m。

4 10 kV 输电线路雷电防护分析

4.1 线路的主要特点

10 kV 输电线路与其他高压、超高压输电线路的不同点在于:

①输电线路的绝缘水平较低、耐压水平有限，在遭受雷电直击或雷击输电线路附近产生感应过电压时，都会造成线路的闪络跳闸和损坏设备。一般情况下，10 kV 线路绝缘子的冲击耐受电压在132.74～192.36 kV 之间，而通常输电线路上的雷击反击电压或感应过电压都在200 kV 以上。

②输电线路的雷电故障多由雷电感应过电压造成，其雷电防护的重点是对雷击线路附近产生感应过电压的防护。这是因为10 kV 输电线路杆塔较低，加之上方或附近通常会有高压、超高压线路通过，减少了雷电直击该线路的可能性。

4.2 线路的雷电防护

通常，10 kV 输电线路主要采用全线架设避雷线、装设氧化锌避雷器、装设保护放电间隙等措施进行雷电防护。

4.2.1 架设避雷线 为分析输电线路的绝缘水平和耐压水平，分别建立了感应过电压模型和反击过电压模型。感应过电压模型采用双指数模型来模拟感应过电压值，其峰值设为200 kV，反击过电压模型的雷电流幅值设为45 kA，杆塔接地电阻为10Ω。两种模型的波头时间取为5.5 μs，半波长时间取为80 μs。

图3 绝缘子两端的感应过电压

图4 绝缘子的反击击穿

图3 显示，线路架设避雷线前后，绝缘子两端的电压波形陡度差异较大。未架设前，绝缘子两端的感应过电压高于其所能承受的平均冲击耐压水平(150 kV)，导致绝缘子的击穿闪络;架设后，因耦合作用，绝缘子两端的感应过电压大幅下降，不会导致绝缘子的闪络击穿。图4 显示，架设避雷线后，当雷电流通过杆塔入地时，其塔顶避雷线将产生高达400 kV 的过电压，导致绝缘子反击击穿。

显然，架设避雷线能够有效的降低雷击线路附近绝缘子两端产生的感应过电压，却难以避免线路的反击闪络。考虑工程投资大、杆塔接地施工困难等因素，目前，10 kV 输电线路基本不架设避雷线。

4.2.2 装设氧化锌避雷器 避雷器的保护原理与避雷线或者避雷针不同，它实质上是一种放电器。当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先于被保护设备放电，限制了过电压的发展，避免电气设备遭击穿损坏。避雷器主要有保护间隙、排气式避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器等4 种类型。其中，氧化锌避雷器因保护性能优越、无工频续流、保护性能稳定、耐污性能好等优点，使用最广泛。

由于10 kV 线路避雷器通流容量小，雷击放电时极易过热损坏以及日常维护困难等原因，10 kV输电线路未大量装设氧化锌避雷器。

4.2.3 装设保护放电间隙 保护放电间隙也是避雷器的一种，将保护放电间隙并联在绝缘子两端，能够保护绝缘子不被雷电过电压击穿。保护放电间隙的缺点是其保护性能和不稳定性劣于氧化锌避雷器。当雷电过电压波侵入时，间隙被击穿，形成工频电流，而间隙的熄弧能力不高，易出现线路短路，引起跳闸停电;同时，保护间隙易受外界污秽影响，导致保护性能不稳定。

保护放电间隙的优点在于能够简单的判断保护间隙工作是否正常，便于故障时排查，降低运行维护难度;同时，输电线路通常采用中性点不接地方式，发生单相短路时一般工频短路电流不大，保护放电间隙的绝缘能力可以恢复;保护放电间隙安装成本小，施工方便，利于大量安装。

5 10 kV 输电线路综合防雷改造方案

针对采区用10 kV 输电线路架设线路长、沿线地形复杂的特点，结合常用防护措施的优劣，提出“引雷、缓峰、均压、截波”的综合防雷改造方案。“引雷”是指在线路易遭受雷击路段安装独立避雷针主动引雷，避免导线被雷电直击;“缓峰”是指在独立避雷针上安装削波电感，通过一定程度的抑制，减小雷击避雷针时在线路上产生的感应过电压;“均压”是指在输电线路下方安装耦合均压线(也称耦合地线)，限制线路绝缘子两端的雷电感应过电压;“截波”是指在安装耦合均压线的端部的绝缘子处安装间隙避雷器，截断过电压波继续向前传播，避免未安装耦合均压线位置处的绝缘子受影响。

5.1 独立避雷针

独立避雷针的设计高度为12～16 m，并采用场变放电避雷针。通过对不同类避雷针进行接闪试验，说明场变放电避雷针比普通避雷针的接闪更可靠。在20 次有效模拟雷击试验中，场变放电避雷针共接闪16 次，普通避雷针接闪4 次，场变放电避雷针的接闪概率为80%，远高于普通避雷针的接闪概率。

图5 场变放电避雷针电位三维分布

图6 普通避雷针电位三维分布

同时，从普通避雷针和场变放电避雷针的计算模型中，可以清楚不同类避雷针遭受雷击时的电场强度变化(图5、6)。普通避雷针周围的电位分布更加集中，场变放电避雷针周围的电位分布较为均匀。普通避雷针周围的电场强度大于场变放电避雷针，有利于产生上行先导，但也易于产生电晕放电。

5.2 削波电感

在独立避雷针下方安装削波电感，让通过避雷针的雷电流幅值下降，波头时间变长，雷电通过避雷针的放电过程相应变缓。同时，该电位不会对线路和绝缘子产生影响。在建立的数值模型中，设置接地电阻为100 Ω，削波电感值为0 mH、1 mH、5 mH、10 mH，则通过避雷针的雷电流和电压的变化如图7、图8 。

图7 削波电感增大时通过避雷针的雷电流变化

图8 削波电感增大时避雷针顶端的电压变化

5.3 耦合均压线

耦合均压线安装在输电线路下方2 m 处，通过引上线与杆塔横担连接。当雷击线路附近时，绝缘子两端的电位差大幅降低，从而保护线路绝缘子不被感应过电压击穿闪络。图9、图10 显示了雷电流击中避雷针或线路附近时，导线沿线的感应过电流和过电压变化。

5.4 间隙避雷器

图9 雷击避雷针时导线沿线的感应过电压

图10 雷击线路附近时导线沿线的感应过电压

在线路中间段、耦合均压线安装末端的下一级杆塔位置处，安装间隙避雷器。终端杆塔处采用双避雷器并联的方式，增大通流容量，降低避雷器被击穿损坏的概率。在计算模型中，假设幅值为45 kA的雷电流击中独立避雷针，避雷针距离导线10 m，杆塔10 m，档距为30 m，第1、第2级杆塔之间安装耦合均压线，第3级杆塔安装或不安装间隙避雷器时，绝缘子两端的电压变化如图11、图12、图13，通过间隙避雷器的电流变化如图13。显然，不安装间隙避雷器时，第3级杆塔的绝缘子被击穿闪络。

图11 不安装间隙避雷器时绝缘子两端的电压

图12 安装间隙避雷器时绝缘子两端的电压

图13 通过间隙避雷器的电流

根据综合防雷改造方案，我们对该煤矿3 条10 kV 输电线路都进行了系统的防雷改造，其中，2 号采区用输电线路的改造结果是:在线路的易击段安装了5 处独立避雷针，并结合独立避雷针的位置，安装了多个档距的耦合均压线以及间隙避雷器(图14)。经过1 a 多的实践，配电系统基本运行正常，说明综合防雷改造方案有成效。

图14 2 号采区用输电线路防雷改造示意图

6 结束语

输电线路受区域雷电活动、地理环境以及输电线路自身电压等级等因素影响，如何选择更科学、更经济实用的雷电防护技术，减少输电线路雷击事故，确保电力正常供应，是值得思考和研究的。

［1］GB50150－2006. 电力设备交接试验规程［S］.

［2］许名雄. 针对10 kV 输电线路防雷措施的分析［J］. 电源技术应用，2013.