10kV架空绝缘线路的雷击分析及防雷对策

路 军 丁坚勇

（1.广东电网公司肇庆供电局，广东 肇庆 526060；2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072）

1 引言

配电网的供电可靠性是生产、应用和生活中的一个基本概念和重要指标。它不但影响工业企业生产用电和居民生活，而且影响用电的质量和社会效益。随着配电网的飞速发展，供电区域被树木覆盖，线行下的建筑物、台风等诸多因素的影响，使配电网的可靠性面临新的考验。受到自然界对配电网构成的威胁，从而产生了架空绝缘线路。肇庆供电局在2002年配电网改造中开始在城郊、县城及城镇使用架空绝缘导线，但每年的雷雨季节频发雷击断线的故障。因此，架空绝缘线路防雷是一项非常重要的工作。

2 架空绝缘线路的特点

绝缘性能好。架空绝缘导线由于增加了一层绝缘层，所以绝缘性能比裸导线优越，可减少线路相间距离，降低对线路支持件的绝缘要求，提高同杆架设线路的回路数。

防潮抗腐蚀性能好。架空绝缘导线由于外层有绝缘层，所以比裸导线受氧化腐蚀的程度小，防潮抗腐蚀能力较强，可延长线路的使用寿命。

防外力破坏，减少受树木、漂浮物、金属氧化膜和灰尘等外在因素的影响，减少相间短路及接地故障。

强度达到要求。绝缘导线坚韧，整个导线的机械强度达到应力设计的要求。

但是，绝缘导线在应用过程中，也出现了一些新的问题。其中，最为突出的问题是，遭受雷击时，容易发生断线故障。

3 雷击故障状况

广东省属于雷暴多发地区，根据气象部门提供的参考资料显示我市近3年的平均雷电日为75～80天，属于高雷电日地区。2009年全市配电网线路故障跳闸合计1514次，其中雷击故障751次，占故障率的49.6%，可见，线路故障的主要原因是雷击故障。全市共有10kV架空绝缘线路145kM，占全市配电线路的9%。据不完全统计，2007～2009年全市架空绝缘线路雷击断线25次，其中2007年10次，2008年9次，2009年7次。

4 雷击断线机理分析

配电网雷电过电压闪络，亦即大气压或高于大气压中大电流放电，为电弧放电形式。因雷电引起的绝缘导线断线的起因与裸导线相同，是由雷电过电压破坏了线路绝缘，造成线路的短路接地。由于我局10kV配网为经消弧线圈接地系统，故在单相接地时流过接地的电流得到补偿，单相接地故障一般不至于断线。当二相或三相之间闪络而形成金属性短路通道，引起数千安培工频续流，电弧能量将骤增。

配电线路采用裸导线时，在受到雷击后（包括直接雷和感应雷），会引起线路闪络。此时，持续的工频短路电流引起的电弧在电磁力的作用下，使电弧向导线落雷点的两侧迅速散发，雷电流经过线路、开关和变压器等设备的避雷器迅速流入大地，或在工频电流烧断导线之前，引起跳闸，因而很少发生断线事故。

但是，当绝缘导线遭受雷击时，情况就不相同了，雷电过电压引发绝缘子闪络，并击穿绝缘导线的绝缘层。而击穿点附近的绝缘物，阻碍了电弧沿着导线表面向两侧快速移动。因而，电弧只能在击穿点燃烧。高达数千安培的工频电弧电流（kA/ms级）产生的热量集中在绝缘击穿点上，并在断路器跳闸之前很快就将导线熔断。闪络熔断点通常是在导线的绝缘子两端10～30cm范围内，因为此范围的电场分布最薄弱。

当雷击作用于绝缘子时，绝缘子的闪络取决于过电压值和线路绝缘水平，电弧产生的几率通常取决于多个参数，即额定线电压U2、闪络路径L、雷冲击发生的时刻、雷电流的大小和线路参数等。在这些参数中主要决定于沿闪络路径的运行电压平均梯度。

式中，L为闪络长度，单位为m。

建弧率是随着E的降低而降低的。通过对电弧火花放电过程的数据分析得到结论，E≤7～10kV/m时，建弧率为零。工频短路电流与雷电产生的热量造成电弧熔断绝缘导线的热量与电弧作用时间有关，电弧电流产生的热量：

式中，I为弧电流，R为电弧电阻，t为作用时间。

假定雷电波波头时间t为2μs，雷电流幅值为1kA；工频短路电流作用时间为0.2s，短路电流亦为1kA。则按上式公式计算可知工频续流产生的热量将比雷电流产生的热量大10000倍。可见感应过电压是雷击断线的诱因，而工频续流则是造成绝线导线断线的决定因素。

在相同截面的裸导线和绝缘导线的电弧电流值和熔断时间关系上看，绝缘导线的熔断时间极短，同样粗细的绝缘导线和裸导线，绝缘导线的熔断时间仅为裸导线熔断时间的1/5～1/10。这意味着，在变电站保护动作、遮断故障电流前，导线断线的可能性变大。由于绝缘导线断线一般是在二相短路或三相短路故障时发生，所以，导致二相断线、三相断线的情况也多。

5 雷击断线的防护对策

防范架空绝缘导线雷击断线的办法概括来说主要归纳为 “堵塞”和“疏导”两种方式。“堵塞”就是提高线路的绝缘水平，降低绝缘雷击闪络的概率，阻止雷击闪烙后工频续流建弧。“疏导”就是允许线路有一定的雷击闪络概率，但要将雷击闪络后的工频续流的弧根进行“疏导”，也就是将局部剥离绝缘导线，在绝缘子附近的绝缘导线局部裸线化，加装防弧线夹，使工频电弧弧根转移，在剥离部分滑动，而不是固定在某一点烧蚀，从而保护导线免于烧伤。具体方法和措施如下：

（1）安装架空地线，主要是将幅值很大的雷电过电压转化为电流，经杆塔的接地电阻排泄出去，从而大幅度降低雷电过电压，使导线得到保护。10kV配电网绝缘水平较低，雷击架空地线后很容易造成反击闪络，仍然还会发生工频续流烧断绝缘导线的故障。而且根据统计，配电线路遭受直击雷或绕击雷的概率较小，约只占雷害事故的20%，配电线路上80%的雷电过电压故障是感应过电压。没有安装架空地线的10kV架空线路最高感应电压可达550kV，而安装架空地线后，最高感应过电压降幅多达40%。因此，在雷击频繁的区域的配电线路安装架空地线是可以限制感应过电压的重要举措。

（2）安装无间隙线路复合外套氧化锌避雷器，氧化锌避雷器可以限制感应过电压幅值，在雷击闪络后吸收放电能量，阻止工频续流起弧，从而达到保护绝缘导线的目的。氧化锌避雷器的保护范围、雷电特性和避雷器参数，与避雷器接地网的接地电阻数值和线路绝缘水平有关，而其中的雷电特性目前难以收集现场数据，只能是根据研究机构提供的模拟现场试验数据，采用线路避雷器防雷抑制雷害，关键是接地线的接地阻抗，当线路受到感应雷击时，若线路没有避雷器产生的对地电压为UP，则有避雷器时线路上产生的对地电压为如下：

肇庆市城郊北岭山下2002年建设，2003年投入运行的10kV瑞花线等四条同杆双回线路，设计是按照感应过电压幅值为200-300kV峰值，波头为2μS；线路采用FP-1-0/2.5或FZS－0/5T针式、支柱复合绝缘子，防雷接地电阻为10～25Ω，每隔2～3档杆结合规划的引下刀闸安装一组避雷器，运行8年只发生2次雷击断线，检查发现断线点都发生在两组避雷器之间的杆塔上，复合外套氧化锌避雷器作为线路过电压保护，可减少雷击断线故障，但由于保护范围的限定，不能完全杜绝雷击断线事故，而且长期承受运行电压，加速了电阻阀片的劣化而损坏或接地引下线被盗，都将失去线路的保护作用。

（3）安装架空线路过电压保护器，它是由非线性电阻限流元件（氧化锌阀片）及串联放电间隙（不锈钢引流环）组成，当雷电过电压或其他故障原因引发对地闪络形成金属性电弧放电短路时，线路保护器中特殊设计的不锈钢引流环可以将千安级工频续流直接引向非线性限流元件，并借助于电阻限流元件的非线性特性将正弦波形的工频续流转变成为尖顶波。尖顶波电流在过零前有一段时间内电流幅值较小，同时，限流元件的残压削减放电电压，使电弧瞬间熄灭而达到迅速截断工频续流，达到有效防止架空绝缘导线因工频续流高温而熔断（雷击断线）的目的。这种方式与绝缘子并联安装，不破坏绝缘导线的绝缘层，提高了线路的冲击耐压水平，确保只在特别高的雷电感应过电压作用下才闪络，工频续流会因合成绝缘子的放电爬距大而无法建弧而熄灭。

架空线路过电压保护器优点：①维护管理简便；②保护器动作时工频续流立即中断，断路器不会动作跳闸，供电不会中断；③对于绝缘导线不需剥去导线的绝缘层，不会裸露有电部分，可以采用带电安装。缺点：①投资较大；②杆上设备数量增加；③需要安装接地装置。

我局在2008年开始在架空绝缘线路上安装过电压保护器，运行一年多，安装过电压保护器的线路没有发生断线故障。

（4）在架空绝缘线路安装防弧金具，金具在距离绝缘子中心150～200mm的范围内（负荷侧）剥离一小段绝缘导线的绝缘层，安装上防弧金具，可使雷电过电压均在防弧金具与绝缘子钢脚之间定点闪络，持续的工频短路电流电弧的弧根固定在防弧金具上燃烧，从而保护导线免于烧伤。该方式操作简便、投资少，无需接地装置，能防止雷击断线，但需剥离绝缘层，存在局部导体裸露，存在着密封和绝缘的缺陷，并且在雷击后必须要更换烧伤的防弧金具。

2009年城区10kV架空绝缘线发生雷击断线故障，变电站侧测得短路电流高达18kA， 绝缘线路上的柱上真空断路器烧毁，安装在线路的防弧金具有明显的放电痕迹，分析架空绝缘线路是遭受直击雷的侵袭，雷击点的雷电流超过30kA，线路上的防弧金具和避雷器都没能有效的“堵塞”和“疏导”，造成绝缘导线的断线。

6 结论

雷电是一个复杂的自然现象。综上所述，单纯依靠某项保护措施难以解决绝缘线路的防雷问题，必须采取综合防雷对策才能有效的防止雷击事故发生。采用“疏导”和“堵塞”相结合的方式，即架空绝缘线路每3～4档安装过电压保护器，其余的杆塔上安装防弧金具相结合的防雷措施，能有效地减少雷击闪络概率，避免雷击断线故障发生，保证配电网的安全运行。

[1]许颖,徐士珩.交流电力系统过电压防护及绝缘配合[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2][日]横山茂著.吴国良译.配电线路雷害对策[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3]中国电力百科全书:输电与配电卷.北京:中国电力出版社,1995.