重庆某10kV线路综合防雷措施研究

张 东 曾晓荣 廖志华

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410076；2.湖南中方电力有限责任公司，长沙 418000）

10kV配电线路是配电网的重要组成部分，连接着变电站和众多用户，具有分布广、绝缘水平低的特点。电网故障分类统计表明，在配电线路运行的总跳闸次数中，雷击引起的跳闸次数约占总跳闸次数70%～80%[1]，尤其在多雷、土壤电阻率高、地形复杂、档距大的地区，雷击配电线路引起的故障率更高。重庆 10kV井塘线线路所处地区年雷暴日40.1，且线路所处地区每年的雷电活动较为集中，特别是春夏两季呈现雷多、雨多、雷害事故易发的特点，严重影响该地区配电线路运行的稳定性。因而有必要对该地区配电网的防护进行认真的分析和研究，找出雷害事故易发的原因，分析其配电线路在防雷措施和防雷设备上存在的缺陷和不足，针对性地改进和完善该地区配电线路防雷措施。

1 线路运行基本情况

10kV井塘线起于110kV井口变电站，其支线仪小线与10kV井仪线相连。主线全长16.5km，其中电缆长度480m，架空线路裸导线长度6.2km，绝缘导线长度9.8km； 线路共架设杆塔244基，杆塔皆为水泥方塔其中 20#－27#杆塔平均档距 230m，最大档距520m；线路中采用的绝缘子有悬式和棒式两种，耐张塔悬式绝缘子主要采用两片XP-7型串联，直线塔绝缘子采用柱式两片57-3型并联。2011年6月20日，雷雨天气，该线路出现接地信号，沿线巡检查出井塘线主线20#杆塔（20#杆塔与21#杆塔档距520m）B相瓷瓶落雷击碎，导线落在横担上。2011年8月23日，雷雨天气，该线路39#杆塔后停电，而变电站没有出现故障信号，沿线巡检查出 40#杆塔绝缘导线两相烧断。而且 10kV井塘线支线经常出现雷击跳闸事故，由于 10kV支线与主线连接多采用柱上跌落式熔断器，而且低压侧没有采取防雷措施，在雷雨季节低压侧出现故障后熔断器会断开，在雷雨过后对熔断器进行重合即可继续供电，因此对于支线雷击跳闸缺少统计数据。

2 现场调研

为了更好的了解配电网的现场运行情况，找出线路的防雷薄弱环节，针对防雷薄弱环节提出针对性的改造措施，并对 10kV井塘线及其支线进行了现场调研。

2.1 线路周边地理情况及杆塔情况调研

据调研发现10kV井塘线及其支线线路走廊所分布的地形大致可分为两种，一种是海拔较低的山地，表层为土壤，深层为砂石，含水量很小；另一种是山脚下的平原，大多为耕地、水田等，土质多为黄土，含水量大。现场测量这两种土壤的土壤电阻率介于 33.4～221.3Ω·m 之间，现场都是采用钢筋混凝土单杆且大多没有拉线和专用接地极，可估算出大多数杆塔自然接地电阻介于 10.02～66.39Ω之间[2]。

10kV井塘线部分杆塔所处地区为山区，在山腰处由于架设杆塔困难，杆塔主要分布在山顶和山底。位于山顶杆塔多为耐张塔，高度为 15m；山底杆塔高度一般为 12m，在山底靠近民居的地方杆高度为18m。

2.2 配电变压器防雷措施调研

1）柱上变压器避雷器配置

柱上变压器高压侧保护采用我国通用的柱上变压器保护方式，即在高压侧用一组避雷器和一组熔断器，熔断器装在避雷器前面。这种保护方式是以跳闸来对变压器进行保护，供电可靠性不高。

2）柱上变压器接地情况

变压器一般位于山底，山底土壤电阻率较低，现场测量接地电阻基本符合配电变压器接地电阻要求。在接地引下线方面，2010年后新装设的配电变压器接地引下线用沥清做了防腐处理，2010年以前的配电变压器接地引下线未进行防腐处理，现场调研发前运行年限较久的接地引下线腐蚀较为严重，有的甚至已经因锈蚀断开。

3 雷害事故原因分析

3.1 山区地形对雷电活动的影响

由现场调研可知，10kV井塘线的线路大多分布在山地上，相对于平原地区海拔较高，且山地地形情况复杂，土质多变，线路档距较大，这部分线路及杆塔易遭受雷击，属于易击段和易击杆塔，而且打坏绝缘子的雷击断线点也多位于线路档距较大、地形较复杂的地方。

3.2 化工污秽对配电线路的影响

10kV井塘线 30#－49#线路走廊为化工园区，空气污染以化工污秽为主，这种污秽是由开采化工原料和制造化工产品的工矿企业在生产过程中由烟囱排出的废气、赃物以及化工原料粉尘沉积在绝缘子或变电设备表面上而形成的，它严重影响绝缘子或电气设备的绝缘强度。

化工污秽的主要成分是各种酸、碱、盐类，各种化工污秽中都含有能导电的电解质，由于电解质在潮湿环境中溶解后使绝缘子污秽层的导电能力急剧增大，有可能造成绝缘子的污闪，同时污秽形成的酸雨加速了对变电设备及辅助设施的腐蚀破坏，使得变压器的外壳及基台锈蚀、导线及金具锈蚀，绝缘支柱的外绝缘性能降低，甚至导致某些焊接的支架由于锈蚀而松动，造成安全隐患。

山区因地形复杂而使地面受热很不均匀，加上日照时间变化，导致水平气温分布很不均匀，山区的风场比平原地区复杂得多，因此，在上风侧的污染源，不仅对迎风坡的变电所造成高浓度的污染，而且化工污染可能随风越过山头而被气流带到地面对配电线路或变电所外绝缘造成严重污染。这样就大大降低了配电线路的绝缘水平，遭受雷击后更易发生雷害事故。

3.3 发生雷击时雷电泄流通道不足

由线路调研可知，10kV井塘线几乎没有采取任何防雷措施，如果发生雷击杆塔，雷电流可以通过杆塔自然接地进行泄流。当雷击绝缘导线时，由于缺少雷电流泄流通道，如果雷电过电压造成绝缘子两相以上发生闪络，并通过横担发展为异相之间接地时，雷电过电压首先击穿导线绝缘层进而引起绝缘子闪络，被击穿的绝缘层呈一针孔状，接续的工频短路电流电弧受周围绝缘的阻隔，弧根只能在针孔处燃烧，在极短的时间内导线就会被整齐的烧断[3-4]。

从线路配置来分析，造成断线的主要原因是架空配电线路绝缘水平低[5]。架空线的绝缘水平低，其耐雷水平也必然低，这样在雷击时，由于雷电流没有泄流通道，容易发生绝缘子闪络或击碎，进而扩大为断线事故；当雷击导线时，发生单相闪络和两相闪络、三相闪络的机率相差只有百分之几[6]，雷击后造成相间闪络、工频电弧燃烧、伤害绝缘导线的机率是很大的，因此，在断线事故中，往往发生一相烧伤、两相同时烧断、三相同时烧断的现象。

3.4 配电变压器防雷措施不完善

1）配电变压器低压侧无保护措施

现场调查发现，变压器的高压侧通常装一组避雷器进行保护，而变压器的低压侧则无任何防雷保护措施，就会产生正、逆变换过电压[7]。现场调研发现变压器位置都离用户有一段距离，这段线路低压侧出线和高压线路同杆架设，如果在雷击在低压侧感应出较低的电压，在高压侧就会产生较高的电压，容易造成高压绕组损坏。同时，低压侧用户的用电的开断采用一组低压断路器进行开断而无熔丝保护，不能及时切断低压故障；而且低压总计量元件位于计量箱外而不是计量箱内，长久运行老化严重而影响计量准确和使用寿命。由于低压侧无欠压、过压、失压、缺相、短路、接地等保护，所以极大影响低压用户的供电可靠性和安全性。

2）接地引下线未做防腐处理

在现场调查发现，防雷装置未做任何防腐处理而造成接地引下线的严重腐蚀。引下线的严重腐蚀，不仅降低了使用年限，而且因腐蚀使导通电阻变大，也直接影响其导通电流的功能单相用户用电的安全性。

4 建议采取的防雷措施

通过对 10kV井塘线及其支线进行现场调研及对线路存在的防雷问题进行分析，提出了以下几种线路防雷保护措施，以提高配电线路运行的稳定性。

4.1 提高污秽地区线路绝缘水平

对10kV井塘线30#－49#及其支线段绝缘子进行取样，并做绝缘电阻测量实验和50%冲击闪络实验。在绝缘电阻测量实验中并未发现零值绝缘子，但其50%冲击闪络实验的闪络电压较积污较小地区绝缘子有明显降低，积污较小地区绝缘子50%闪络电压平均约为195kV，而污秽地区绝缘子50%闪络电压平均只有 132kV。在运行中，也未发现该线路有过污闪事故发生。由此可见，在积污地区积污主要使绝缘子的绝缘水平有所降低，所以对化工园区雷击跳事故较多的处理方法是对于耐张塔再加装一片悬式绝缘子，对于直线塔，将原有的两片57-3型绝缘子并联换作两片57-4绝缘子并联，以提高线路的绝缘水平。

4.2 架设耦合地线

根据资料显示，由于6～35kV架空配电线路杆塔高度较低，直击雷对6～35kV架空配电线路的影响较小，感应过电压导致的故障比例超过90%[1]，因此，对10kV井塘线防雷保护的侧重点应放在感应雷过电压的防护上。由现场调研和相关研究可知，杆塔高度过高和接地电阻过大，将会降低配电线路的耐雷水平。

针对感应雷过电压，采取在线路易受雷击段架设耦合地线。对架设有耦合地线的线路，耦合地线的电磁屏蔽作用可使导线上的感应过电压降低[8]。这是由于避雷线与大地相接，保持地电位，即将大地引入导线近区。对于静电感应，可以增大导线对地电容，从而使导线对地电位降低；对于电磁感应，其影响相当于在导线与大地回路附近增加了一个地线与大地的短路环，抵消了部分导线上的电磁感应电势，因而耦合地线的屏蔽效果可以有效降低导线上的感应雷过电压，减少雷击造成绝缘子闪络次数。

由于部分杆塔自然接地电阻不满足耦合地线的接地要求，同时由于易受雷击段地势开阔且土壤电阻率最大才为220Ω·m左右，所以可采用一根长20m的扁钢作为水平接地体埋深0.6m进行接地。计算最大接地电阻为22.6Ω，可以满足耦合地线的接地要求。

4.3 安装可调式防雷保护间隙

10kV井塘线架空绝缘导线使用率约为 53%且部分位于易落雷点。10kV架空绝缘导线有其先天不足，在雷电作用下极易断线。防范架空绝缘导线雷击断线的办法概括来说主要有“堵塞”和“疏导”两种方式[9]。

在架空绝缘导线易落雷点安装穿刺型可调式保护间隙，调整保护间隙放电电压为绝缘子50%冲击放电电压的90%，使间隙先于绝缘子放电。安装可调式保护间隙保护断线是先“堵塞”后“疏导”，就是限制雷击过电压的幅值，阻止雷击闪络后工频续流起弧，从根本上排除了导线烧损的因素。其工作原理是，当架空线路遭受雷击时，在绝缘子串上会产生较高的雷电冲击过电压，并联间隙的雷电放电电压低于绝缘子串的放电电压，间隙先放电，工频电弧弧根在两电极上燃烧，以保护绝缘导线，避免其被烧伤而断线。

由于 20#－27#杆塔档距较大且跨距是山沟和河流，所以架设耦合地线不能起到很好的保护作用。同时，由于雷击线路泄流主要集中在构成大跨距的两基耐张塔，极易造成绝缘子打坏，所以建议在构成较大档距的两基杆塔上安装可调式防雷保护间隙，间隙调整距离和保护架空绝缘导线间隙相同，既保护绝缘子不因雷击而造成损坏，又提高断电后重合闸的成功率。

在保护间隙的安装上，应当注意间隙不应保持在与地面垂直的一条线上，应使上下两间隙有水平5cm的偏移，以免因下雨或结冰造成线路沿间隙闪络。在保护间隙的接地上，可以采用与耦合地线相同的接地方式。

4.4 完善配电变压器保护

在已运行的配电变压器低压侧装设低压氧化锌避雷器，并与高压侧避雷器、变压器外壳和低压侧中性点一起接地，形成“四点共地”[10]。在低压避雷器的安装位置上，由于整改是为了完善配电变压器的保护，所以应安装在低压总熔断器的前端而不是在低压各线路出线前端。

对于计划新安装的变压器，建议采用低压配电柜，现主流低压配电柜一般集漏电保护，电能计量、过流、过压、缺相、接地保护等多功能为一体，不仅可以实现对变压器的正、逆变换过电压的保护，而且也提高的用户的供电可靠性和安全性。

针对运行时间较久腐蚀严重的变压器接地引下线，应该先换新的接地引下线并采取防腐措施。在接地引下线的防腐方面，用沥青或者PVC管管套对接地引下线地上部分进行保护。

5 结论

本文通过对重庆 10kV井塘线雷击故障情况和雷害来源进行了分析。针对线路防雷存在化工污染使绝缘子绝缘水平下降、架空绝缘导线没有防雷措施易断线、配电变压器保护不完善等问题，制定了提高污秽地区线路绝缘强度、在易受雷击段架设耦合地线、有选择的安装配电网保护间隙和完善配电变压器防雷等措施。达到提到线路耐雷水平，确保配电线路的供电可靠性。

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