湛江东海10 kV 架空绝缘导线雷击断线分析与防护

徐兴发，聂一雄，邓小康，徐 亮，林 伟

0 引言

在电力系统中，配电线路承担电力电能的传输分配功能，线路的安全可靠运行直接影响供电企业的可靠供电能力，影响社会企事业及广大用户的生产和生活。配电网10 kV 架空裸导线线路暴露在自然中，极易受到外界的影响和损坏，因此，在我国地级市尤其是农网改造中，越来越多的配网线路改造为架空绝缘导线。随着架空线路绝缘化程度的提高，绝缘导线的雷击问题也趋于严重，绝缘导线雷击断线频繁发生，对电网可靠运行和人生安全构成威胁，给工农业生产带来严重的经济损失。

在北京、广州、湛江等很多城市出现了多次架空绝缘导线雷击断线事故。因此，如何妥善解决雷击断线问题，以确保配网架空绝缘线路安全运行已成为配电网系统中一个需要解决的重要问题。国内外对配网架空绝缘导线断线问题进行科学实验研究［1～6］，为绝缘导线的雷电防护提供深层的理论指导和具体、可靠的防雷措施。

以南方电网2011 年度科技立项为例，其批准的配网防雷项目达6 项，下属广东电网公司规划项目中，也着重提出于2011 年～2013 年经费预算2 000 万进行广东电网架空线路防雷策略及综合治理等关键技术研究。

1 现场调研10 kV 架空绝缘导线

湛江地处广东省南部，毗邻南海属于低纬度亚热带季风区，年平均雷暴日90 天，最多的一年有110 多天，雷暴活动激烈，雷电强度大，为多雷暴地区［7］。调研雷害严重的东海地区10 kV 架空绝缘线路，以东简站10 kV 港口线、迈旺站10 kV 西湾线迈旺支线为研究对象，对线路的基本资料进行分析。

1.1 东海地区10 kV 架空绝缘导线的基本情况

东简站10 kV 港口线:该线路始于东简变电站，止于东简镇蹦塘村，线路全长9.6 km，2010年4 月20 日正式投运。绝缘导线型号为JKLGYJ－150 mm2;采用针式PS －15 M/T 绝缘子和悬式XP－7 绝缘子;全线杆塔157 基(铁塔40 基，混凝土杆117 基);该线路在雷害事故前没有安装避雷器、防弧金具等措施对线路进行防护。

迈旺站10 kV 西湾线迈旺支线:该线路始于迈旺变电站西湾线2 号杆，止于民安镇迈旺村，线路全长1.4 km，2011 年4 月10 日正式投运。绝缘导线型号为JKLGYJ－150 mm2;采用针式PS－15 M/T 绝缘子和悬式绝缘子XP －7;全线都是混凝土杆塔18 基;该线路在雷害事故前没有安装避雷器、防弧金具等措施对线路进行防护。

1.2 架空绝缘导线雷击断线事故现场调研

架空绝缘导线在直击雷或感应雷过电压作用下，引起绝缘子闪络并击穿导线绝缘层，严重时将导致绝缘导线断线。供电部门能够对10 kV 线路和设备故障及时处理，现场调研情况:

(1)东简站10 kV 港口线受雷害引起断线事故，维修人员进行故障点处理，雷害发生在港口线北港支13 号杆，导致架空绝缘线路三相均出现雷击断线现象，现场拍摄到绝缘导线断线的照片如图1 所示。

图1 10 kV 港口架空绝缘导线现场拍摄图片Fig．1 Scene of the shooting picture of 10 kV overhead insulation wire port

(2)迈旺站10 kV 西湾线迈旺支线受雷击导致绝缘导线断线，雷害事故发生在2 号杆，供电部门及时处理，事故后现场拍摄到的相片如图2所示。雷害事故导致线路中A，C 相导线断裂。

图2 10 kV 西湾线迈旺支线现场拍摄图片Fig．2 Scene of the shooting picture of 10 kV Maiwang branch of Xiwan wires

1.3 杆塔接地电阻的测量

2011 年11 月湛江供电局采用AI-6301 自动抗干扰地网电阻测量仪对10 kV 架空线路杆塔接地电阻进行测量，图3 为AI-6301 自动抗干扰地网电阻测量仪，测量杆塔的接地电阻情况如表1所示。

图3 实验用AI-6301 自动抗干扰地网电阻测量仪Fig．3 AI-6301 automatic anti-interference earth screen resistance measurement for experiment

表1 10 kV 架空线路杆塔接地电阻测量情况Tab．1 Grounding resistance measurement of 10 kV overhead line tower

调研分析，东海地区10 kV 架空线路均采用中性点不直接接地的运行方式，部分杆塔接地电阻超标，采用针式PS-15M/T 绝缘子与悬式XP-7绝缘子，绝缘水平不高，存在雷击过电压的安全隐患。雷电频繁季节，容易导致架空线路绝缘子闪络或雷击断线事故，严重影响供电可靠性、稳定性。因此，需要对10 kV 架空绝缘导线雷击导线问题进行分析，采取防护措施，减少雷击导线事故发生率。

2 配电网10 kV 架空绝缘导线雷击断线分析

架空绝缘导线频繁发生雷击断线已引起国内外重视，研究雷击断线的机理，就如何有效防止绝缘导线发生雷击断线事故的焦点问题进行大量的研究和应用技术研发工作［8～10］。配电线路的绝缘水平相对较低，配电网由于建筑物及树木的屏蔽作用，不容易受到直击雷或绕击雷事故，因此，引起绝缘导线断线的主要原因是雷电感应过电压［11～12］。

2.1 绝缘导线雷击断线机理

架空绝缘导线遭受雷击后，感应过电压会使绝缘导线绝缘薄弱处形成击穿孔，当发生闪络时，在两相或三相闪络而形成金属性短路通道，产生高达数kA 的工频续流，电弧集中在某一点而不能滑动，最终导致导线的烧断。在某种因素下绝缘层的某处绝缘遭受损坏，形成针孔。针孔的出现显著降低了该处的绝缘水平，当雷电冲击过后由于工频续流或泄漏电流发展到一定程度时就在此处产生稳定的工频电弧。此时针孔附近的介质会阻凝电弧的移动，使弧根停留在破坏点处燃烧，接触电阻产生的热应力将引起导线的局部破坏，继而引起断线或是故障切除装置动作。由此可见，在工频续流形成之前导线绝缘层局部一定已出现了损坏，造成这一损坏的原因绝大多数情况下是雷电过电压。

2.2 理论计算

感应过电压是引起架空绝缘线路绝缘闪络乃至断线的主要原因。绝缘子闪络概率计算考虑两个因素［13～14］:一是绝缘子闪络判据，取决于绝缘子的U50%雷电冲击放电电压;二是感应过电压的计算。

当雷击点与线路的水平距离s 大于65 m 时，计算雷击线路附近大地时，导线上产生的感应过电压幅值Ug为［15］:

式中:I 为雷电流幅值，kA;hd为导线对地平均高度，m;s 为雷击点距离导线正下方的水平距离，m。

气象资料统计，湛江地区年平均雷暴日为90天，根据地面落雷密度与雷暴日的关系 (γ =0.007Td次/km2)，计算该地区地面落雷密度γ 为0.630 次/km2，架空线路每公里每年雷击闪络的次数N 为［5］

式中:smax=25hdImax/U50%，Imax为最大雷击电流幅值，kA。结合东海地区10 kV 架空绝缘导线的调研情况，可以计算出该地区架空线路100/km 每年雷击绝缘子闪络的次数为2.03 次/100 km·a。

配电线路绝缘水平比较薄弱，在没有采取任何防护措施下，发生雷击过电压，将引起绝缘子闪络，在两相或三相闪络而形成金属性短路通道，产生高达数kA 的工频续流，电弧集中在某一点而不能滑动，最终导致导线烧断。假定断线与闪络次数成正比，可计算每年每千米架空绝缘导线的断线次数。

3 东海10 kV 架空绝缘导线的防护措施

根据绝缘导线雷击断线的机理，及时切断雷电流引起的工频续流是防止架空绝缘导线雷击断线的根本方法。为防止10 kV 架空绝缘导线雷击断线，降低绝缘子的闪络率，目前国内外采取的比较有效的防护措施主要有穿刺型防弧金具、过电压保护器(串联外间隙氧化锌避雷器)、可调式保护间隙、支柱绝缘子、线路避雷器等。

3.1 安装穿刺型防弧金具

3.1.1 穿刺型防弧金具工作原理

穿刺型防弧金具将高压电极设计成穿刺结构，通过尖齿刺穿导线绝缘层与线芯紧密接触，引出高电位。当雷电过电压超过一定数值时，在防弧金具的穿刺电极和接地电极之间引起闪络，形成短路通道，接续的工频电弧便在防弧金具上燃烧，以保护导线免于烧伤。高压电极采用穿刺安装方式，与绝缘层挤压紧密，克服了剥线安装方式存在的密封缺陷，绝缘罩的使用有效解决了绝缘导线局部裸露问题。防弧金具能定位雷电冲击放电路径，疏导工频电弧弧根，保护绝缘导线免于雷击断线的作用。

3.1.2 针对性的安装穿刺型防弧金具

中国科学院与国家电网公司对防弧金具进行科学的实验与研究，对于辐射形架空绝缘线路，防弧金具应安装在绝缘子的负荷侧，距离绝缘子轴线250 mm 处;对于环网架空绝缘线路，防弧金具应在绝缘子两侧对称安装，距离绝缘子轴线150 mm 处，能够取得更加好的防护效果［16～19］，如图4 所示。

图4 穿刺型防弧金具的安装Fig．4 Installation of stab-type arc-protection fitting

东海地区雷电活动频繁，10 kV 架空绝缘导线易受直击雷或感应雷的作用，在导线上产生过电压，引起绝缘导线的绝缘层破坏，之后在工频电弧的作用下，造成绝缘导线烧断。针对问题，建议在架空线路上安装穿刺型防弧金具:

(1)在雷电过电压频繁地区的线路，单回线路的每基杆塔三相均安装。

(2)在杆塔架空多回架空线路，并过去发生过断线的杆塔上安装穿刺型防弧金具。

(3)在杆塔周围有高的树木或建筑物，易受到雷击，在导线上产生过电压，宜在附近3 个杆塔安装穿刺型防金具。

(4)为防止感应雷电波在转角杆处因双向进波幅值升高，引发绝缘子闪络，导致绝缘导线断线，可以在角度小于100°的转角杆和两边的杆塔上，加装穿刺型防弧金具。

上述杆塔上安装穿刺型防弧金具，能够避免或减少绝缘导线断线事故，保证配电线路供电可靠。

3.2 安装过电压保护器

线路过电压保护器(环形电极带外串联间隙金属氧化物避雷器)，由环电极、避雷器本体和串联间隙组合而成，主要用于10 kV 交流输电线路，防止雷击引起的绝缘子闪络，降低雷击造成的线路跳闸率，如图5 所示。

3.2.1 工作原理

图5 环形电极带外串联间隙金属氧化物避雷器Fig．5 Installation of MOV with series gap formed of ring electrode

架空绝缘导线受感应雷或直击雷过电压的作用，将绝缘导线与引流环之间形成的串联间隙被击穿，避雷器以非线性电阻特性释放雷电能量。在避雷器动作瞬间，工频续流也沿该雷电流通道入地，在经过环形电极外串间隙避雷时，非线性电阻限流元件利用其电压高时阻值小、电压低时阻值大的非线性特性，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相当长的时间电流幅值较小，同时，限流元件的残压削减放电电压，使电弧瞬间熄灭，阻断工频续流，此时串联间隙起隔离作用，保护限流元件耐受较高的过电压而不损坏。

因此，架空绝缘导线上安装过电压保护器，当过电压作用在架空绝缘导线上，雷电流通过引流环与绝缘导线之间形成的串联间隙流过非线性电阻限流元件，将工频续流及时被切断，避免发生绝缘子闪络或击穿，以保护绝缘导线免于断线损坏［20～22］。

3.2.2 过电压保护器间隙的确定

配电网10 kV 架空绝缘导线安装环形电极带外串联间隙金属氧化物避雷器，对防雷保护具有明显的效果。实际应用中需要注意的关键问题是保护器间隙的确定，需要满足3 个条件［14］:

(1)雷电冲击下间隙可靠动作，保证被保护绝缘子串免于雷击闪络。为满足这一要求，应该把间隙距离选择小一些，使串联间隙和绝缘子串在雷电冲击下有较大的配合裕度。

(2)能够耐受暂时过电压和操作过电压。为满足这一要求，串联间隙距离应该大些，保证线路型避雷器在暂时过电压和操作过电压下不动作，只在雷击过电压的情况下才动作，并且要求在避雷器本体因异常情况出现故障时，间隙仍能可靠隔离。

(3)雷击使间隙动作后，在系统工频恢复电压下，间隙应在1 ～2 个工频周期内可靠的熄灭工频续流。

过电压保护器的雷击冲击放电电压UGD50%约等于串联间隙的雷电冲击放电电压UCL50%与避雷器本体直流电压U1mA之和，即UGD50%≈UCL50%+U1mA;线路绝缘子串的50% 雷电冲击放电电压ULJ50%与线路型串联间隙避雷器UGD50%的配合系数取1.256，则ULJ50%=1.256UGD50%=1.256 (UCL50%+U1mA);串联间隙UCL50%= ULJ50%/1.256 － U1mA，间隙距离按照间隙放电特性曲线考虑。

避雷器本体的U1mA的选择，线路型串联间隙避雷器的雷击冲击放电电压UGD50%约等于串联间隙的50%雷电冲击放电电压UCL50%与避雷器本体电压U1mA之和。为了提高避雷器本体的可靠性，减少线路避雷器的吸收能量，特别是减小续流，有利于串联间隙灭弧，避雷器本体电压U1mA尽量取得高些，但是提高避雷器本体电压U1mA，必然会提高线路型串联间隙避雷器的雷击冲击放电电压UGD50%，减小绝缘配合裕度。确定串联间隙避雷器本体电压U1mA的关键是确保线路避雷器在通过雷电过电压后，串联间隙必须在系统的工频恢复电压下1 ～2 个工频周期内能可靠地切断工频续流。

环形电极带外串联间隙金属氧化物避雷器，保护间隙的大小一般由设备生产厂家通过高压试验的数据制定。如:北京电力科学研究院通过试验与实际运行经验确定避雷器串联间隙，建议间隙距离取100 ±5 mm。

3.3 线路上安装可调式保护间隙

在线路上安装可调间隙防雷装置也是一种有效的途径［23～25］，如图6 所示。可调间隙防雷装置是通过在绝缘子串旁并联一对金属电极构成保护间隙，保护间隙距离的确定应配合电网电压等级和线路绝缘子U50%雷电冲击电压，使其间隙放电电压低于绝缘子放电电压，能较好地实现对线路以及绝缘子的有效保护。

图6 绝缘导线保护间隙的安装示意图Fig．6 Installation scheme of insulation conductor protection gap

当线路处于正常运行状况时，保护间隙处于工频电场中，但电场强度较低，无法将空气间隙击穿，其对线路正常运行无影响;当导线发生雷击时，在导线与地之间出现较高的雷电过电压，此时间隙的放电电压低于绝缘子串放电电压，雷电过电压通过间隙放电，工频持续电流在间隙间燃烧，受到电弧电动力和风的作用逐渐熄灭，使得绝缘子串得到保护而免于损坏;间隙防雷装置能够有效保护绝缘导线避免发生雷击断线事故。

3.4 采用放电箝位柱式复合绝缘子

放电箝位柱式复合绝缘子既具有普通柱式绝缘子的功能，又能箝位绝缘导线的工频电位，将雷电冲击放电路径定位于高、低压电极之间，疏导工频电弧弧根离开导线至高压电极负荷侧燃烧，起到保护绝缘导线免遭雷击断线的作用［26］。在架空绝缘导线采用放电箝位柱式复合绝缘子能够有效减少雷击断线事故:

(1)在配电线路改造中，新架设的架空绝缘导线上采用放电箝位柱式复合绝缘子。

(2)在某些已经投入运行的线路，并且杆塔尺寸满足安装要求的条件下，可以考虑更换绝缘子为放电箝位柱式复合绝缘子。

(3)在发生过雷击断线事故的线路，可以适当地安装放电箝位柱式复合绝缘子。

上述杆塔线路上采用放电箝位柱式复合绝缘子，可改善配电线路的供电可靠性和稳定性。

3.5 安装氧化锌避雷器

随着氧化锌阀片技术性能的提高，氧化锌避雷器的优良保护性能已被人们所接受，近年来已广泛应用于电气设备过电压保护。理论计算分析和实践都证明，将线路避雷器安装在雷电活动强烈、土壤电阻率高、降低接地电阻有困难的杆塔上，能够提高线路耐雷水平［27～30］。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，达到保护配电线路的目的。

3.6 各种防护措施评价

对国内外采取的防雷击断线的措施与运行经验的分析，并进行评价:

(1)穿刺型防弧金具

优点:能确保间隙在雷击过电压时先于绝缘子击穿闪络，并沿绝缘闪络路径发展;工频电弧在间隙上燃烧，保护绝缘导线;安装时无须剥离绝缘导线绝缘层，造价低，维护量小。

缺点:要使高压穿刺电极，低压电极正对，间隙在外界影响下可能有所改变，需要定期检查。

(2)线路过电压保护器

优点:能够有效截断工频续流，限制雷电过电压;不承受工频电压，延长避雷器的使用寿命;避雷器损坏后不影响系统运行。

缺点:保护范围较小;每基杆塔上装设，投资成本较大。

(3)可调式保护间隙

优点:能有效截断工频续流，限制雷电过电压。

缺点:保护范围较小;安装工作量大，需要调节好间隙距离。

(4)箝位柱式复合绝缘子

优点:借助断路器截断工频续流;使雷击过电压在金具和绝缘子之间定位闪络，固定工频续流电弧在金具上燃烧，避免导线烧伤。

缺点:安装工作量大;必须破开绝缘层，可能引起绝缘导线线芯进水，有可能引起电化学腐蚀断线;雷击后需要更换烧伤的金具。

(5)氧化锌避雷器

优点:能有效截断工频续流;能有效限制雷电过电压，在闪络后吸收放电能量。

缺点:保护范围较小，全线安装，投资成本很大;必须破开绝缘层，可能引起绝缘导线线芯进水，导致导线弧垂处电化学腐蚀断线;长期承受工频电压，加速氧化锌阀片老化，一旦损坏将会造成线路接地，必须进行定期检查维护。

综合分析，绝缘导线防护措施各有优劣，并结合东海地区的实际情况，建议在10 kV 架空绝缘导线上采用穿刺型防弧金具或带外串联间隙避雷器来保护线路，从而，保障供电可靠、经济稳定。

4 结论

针对湛江东海地区10 kV 架空绝缘导线雷击断线事故频繁发生的现象，通过对10 kV 架空绝缘线路的雷害现状进行调研，利用科学的仪器测量架空线路的杆塔接地电阻，并结合东海地区雷击断线情况，分析绝缘导线的断线原因及理论计算断线率。为解决雷电频繁地区架空绝缘导线断线的问题，根据东海地区配电线路可靠性的要求、雷害特点，介绍国内外架空绝缘导线雷击断线的防护对策及其安装范围，并且综合分析各种防护措施的优缺点与东海地区的经济能力，建议采用穿刺型防弧金具或带外串联间隙避雷器，能够减少架空绝缘导线的雷击断线事故，保障线路安全、经济、可靠运行。

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