文成地区雷害防护措施研究与应用

叶清泉，赖圣聪，吴旭光，汤耀景，叶明康

（1.国网文成县供电公司，浙江 温州 325300；2.国网温州供电公司，浙江 温州 325005）

1 文成基本情况介绍

1.1 文成雷电灾害情况

近年来，文成县生产总值逐年增长，第一、第二、第三产业蓬勃发展，各行业对用电的可靠性要求日益提高。但由山区雷电活动频繁，加上山区架空线路多有跨山跨河等大跨较多，由雷击故障引起的配电线路故障更为严重。文成公司在追踪累计停电409 台次中发现2018 年7 月24 日至2018 年7 月30 日，累计频繁停电台区数为101 台，黄坦所占67 次、珊溪供电所占32 次、南田所占2 次。频繁停电按线路分布如表1所示。

表1 2018 年文成地区停电线路情况

从如上数据可以看出，雷击故障存在局部季节性及局部集中在部分线路的特点。再追踪频繁停电409台次按原因分类为：雷击223 台次，占比为54.52%；运行方式（因西坑变改造负荷转移：西湖H926 线、梧溪H846 线、西坑H844 线相互联络；枫龙H843 线和铜铃H845 线联络），即因雷击引起其中一条线停电导致了另一条线停电，共计112 台次，占比27.38%；树障35 台次，占比为8.56%；上级电网故障34 台次，占比为8.31%；巡视无异常5 台次，占比为1.22%。实际雷击影响台区停电是81.9%，雷害是文成配电故障的主要矛盾。

图1 停电原因分类

1.2 文成地理环境介绍

文成县位于温州市西部飞云江中上游，境内山峦起伏，连绵不绝，山地面积占全县总面积的82.5%，地势自西北向东南倾斜，全境以山地、丘陵为主，为典型山地的地貌，电网线路分布为了节省优良的耕地，大部分是沿丘陵山脊或山坡建设，如图2 所示。

图2 文成地形地貌图

1.3 文成配电线路设施情况

文成县中压配电网共有10 kV 公用线路101 回，如毛细管般遍布全域，线路总长1 393.17 km，绝缘化率89.3%。接线方式为架空多分段单联络和适度联络为主，偏远区域存在较多的架空单辐射线路，极易遭受雷击损害。10 kV 公变共计1 481 台，总容量534.74 MVA。配电网架空线路没有架设避雷线，线路绝缘子大量使用瓷柱式绝缘子和瓷碟式耐张绝缘子串，线路绝缘水平在150 kV 左右；线路防雷手段是零星安装有纯空气间隙防雷装置，台区采用5 kA 无间隙氧化锌避雷器，部分绝缘导线安装了串联空气间隙的过电压保护装置，线路沿线所经地形复杂、土壤电阻率变化大易遭受雷击。

2 配电网频发故障原因分析

2.1 配电网与输电线路的防雷区别

输电线路防雷研究已经很很熟，线路跳闸率明显降低，而配电线路防雷时会照搬输电线路防雷的经验。但由于输电线路与配电线路的差异如表2 所示，对于配电网防雷应针对技术特点制定差异化的防雷手段。配网需要保护的范围很广，要完全消除雷电事故很难，配网雷电过电压的保护原则是尽量降低雷害事故。对于避雷器，主网避雷器主要防止地电位反击，配网避雷器主要防护感应雷过电压[1-2]。

2.2 配电线路感应过电压分析

据统计，文成在配电线路的运行中90%的设备故障和线路跳闸都是感应雷过电压引起的，而由直击雷引起的则不足10%，应用电磁场分析计算感应雷过电压（见图3）。设雷击点O 架空线正下方地C 点的水平距离为S（m）；雷电流幅值I（kA），导线离地高度为hd（m）。

图3 感应雷过电压计算示意图

通过分析可得，线路感应雷过电压公式为：

由式（1）可知，雷电感应过电压的幅值Ug与雷电主放电电流的幅值I和导线离地高度hd成正比，与雷击地面点至导线间的距离S成反比。文成杆塔大部分是15 m 水泥杆，计算hd取15 m，表3 为距离线路较近的不同雷电流下感应过电压的计算结果。

文成地区大部分线路仍有使用针式绝缘子或柱式绝缘子，其绝缘耐受电压均为150 kV 左右。当绝缘子运行时间久，瓷质绝缘子式随着表面污秽的增加，其闪络电压三年下降5%左右，绝缘耐压仍在140 kV 左右，从感应雷过电压幅值表中可以看出，10 kV 线路发生闪络造成故障的概率极大，防感应雷击是文成配电线路的重点。

表2 输电线路和配电线路雷电防护对比

表3 感应雷过电压幅值表

3 文成配电线路典型故障

3.1 绝缘子雷击损坏

配电线路中，因绝缘子污秽后，雷击更容易引起闪络，闪络后引起线路多点接地的永久故障时有发生。有时巡线人员停电登杆仔细检查才能发现伞裙出现不同程度破损，有微小裂缝，表面存在放电痕迹。或因为绝缘子对所支撑的线路受力不均匀时造成支撑绝缘子向一侧倾斜，出现闪络和击穿的现象，雷击引起的低值或零值绝缘子并不能及时更换存在各种隐患。在天气情况良好时劣质绝缘子不会影响线路的正常运行，但是雷雨季节时，瞬时短路电流可能将引起绝缘子过热爆炸。在文成辖区的配电网线路中，因为绝缘子闪络或爆炸造成的事故占了相当一部分，给当地的电网线路安全运行造成了严重影响[3-4]。图4 为绝缘子雷击损坏图。

图4 绝缘子雷击损坏图

3.2 配网台区和台区避雷器成为薄弱环节

对文成地区配电变压器的调研情况分析，在对配电变压器高压侧往往安装了无间隙避雷器，低压侧大部不安装避雷器。部分低压架空线路长分布范围广，极易遭受感应雷过电压的影响。这样设计的台区，当低压线路产生感应雷过电压时传导到配电变压器的低压侧，并通过变比耦合给高压侧。这种雷电过电压通过低压侧影响到高压侧的过程被称为正变化过程。另又避雷器因高压架空线路无其他保护措施，变压器高压侧的无间隙避雷器成为线路的泄流池，这时避雷器极易过载损坏，如图5 所示。在同时序多次雷击中，变压器也可能遭到绝缘击穿。这种雷击损坏我们称为“逆变换”，逆变换过电压是因为配电变压器高压侧被雷电波侵入，引起了避雷器动作，同时在接地电阻上流过大量的冲击电流，进而产生压降，当这个压降作用在低压绕组的中性点上，使中性点电位升高，而当低压线路较长时低压线路就相当于波阻抗接地。通过解剖变压器能看到变压器击穿往往是低压绕组绝缘部分受损，如图6 所示。

图5 台区避雷器损坏

图6 配电变压器内部损坏

3.3 接地引下线存在的问题

接地引下线是连接电气设备与接地体的金属导体。在对文成地区的调研中发现，文成地区的接地引下线存在3 个问题。第一，长期未检查，锈腐严重的没及时更换；第二，避雷器接地点与变压器外壳及变压器中性点没有统一连接，导致接地引下线对雷击电流与避雷器引线的瞬态电压与避雷器的残压叠加，避雷器虽然动作，变压器还是被击穿；第三，接地引下线有些使用带绝缘外皮的铅线，铅芯内部折断后不易被发现，两侧连接头易被锈蚀，个别在埋入土中与接地体连接处产生电化学腐蚀甚至断裂，使避雷器接地线形同虚设，防雷设备没有起到相应的保护作用[5]。

4 传统防雷装置效果分析

4.1 纯空气间隙型防雷装置

复合钳位绝缘子如图7 所示。绝缘子根部的金具是压接的，是靠金具与有机芯棒的弹性变形及摩擦力实现联接的。在工频续流电弧的灼烧下，金具会膨胀，绝缘子抗弯曲负荷能力会大大下降。同时，其型式试验并没做高温度下的抗弯试验。线路绝缘水平是绝缘子干弧距离及湿闪距离的综合体现。而湿污闪更多地是因电场不均匀所致。防弧线夹及现有的钳位绝缘子为了确保间隙先放电而绝缘子不闪络，间隙必须小于绝缘子的干弧距离。这是以牺牲绝缘子干弧距离和耐雷水平为代价的。这样线路有可能雷击不断线，但线路耐雷水平、耐污闪水平更低，同时雷击跳闸率会相应的增加。

此外，带针刺线夹的钳位绝缘子针刺的长度公差及导线绝缘层厚度公差不易控制。这容易造成针刺未刺穿绝缘层，雷击时仍形成针孔并断线；或者针刺过长会夹伤导线。当然，以夹持的方式固定导线并不合理。在长期的机械力作用下，往往导线容易在夹持部位处断裂。现有的防弧线夹如图7 所示，使用时局部剥开绝缘层，存在众多的密封和绝缘缺陷。长期运行后水份会沿剥离处漫漫渗入至导线内部，容易在线路弧垂最低点处积聚水份并形成电化学腐蚀，运行至六七年后会发生腐蚀断线事故。

图7 复合钳位绝缘子

图8 穿刺式防雷线夹

4.2 带外间隙避雷器

常见的绝缘子旁并联安装带外间隙避雷器（见图9），其实是无间隙金属氧化物避雷器高压端加上环型电极与绝缘导线保持一个空气间隙不与导线直接连接，保护绝缘导线。进行了大量的应用后，运行经验表明，由于平均风力较大，尤其在每年的台风季节，其间隙距离容易因外力因素发生改变，要么使间隙距离变大，从而防雷失效或危害绝缘子；要么使间隙距离变小和鸟鼠灾害则增加线路跳闸次数。由于应用效果不佳，目前圆环电极过电压保护器已逐步拆除。

图9 空气间隙避雷器

5 文成地区配网防雷措施分析

5.1 文成防雷改造技术方向

配电架空线路雷击时，空气被击穿和电离，空气变为导电，雷电流过后系统工频电流会沿空气电离通道而下，工频续流进一步电离空气，直到开关跳闸，空气电离通道才能复合。空气间隙存在无法熄弧的可能，使用氧化锌电阻片才能有效限制工频续流，从而能防雷击断线，降低雷击跳闸率。为了防雷装置运行故障不影响送电，应选用带外串间隙的防雷装置。为了安装、维护方便不受风偏、鸟害、环境污染影响和使用寿命长，宜采用外串间隙避雷器、绝缘子、运行故障指示一体组合装置[6]。

5.2 配网防雷新技术产品

采用新型防雷技术即可变比例钳位避雷绝缘子，其实是固定外串联间隙避雷器当绝缘子使用。在正常工作电压下，绝缘子外套内的非线性电阻呈高电阻状态，绝缘子顶部导线与故障状态指示器之间是绝缘的，隔离线路工频电压。在雷电流下，氧化锌失效故障状态指示器和导线之间的空气击穿，非线性电阻片呈低阻状态，雷电流通过非线性电阻片入地，非线性电阻片将雷电流的电压限制在故障状态指示器至绝缘子下端之间的空气击穿电压以下。雷电流过后，非线性电阻片呈高阻状态，限制工频续流。图10 为可变比例钳位避雷绝缘子原理和实物图。

图10 可变比例钳位避雷绝缘子原理和实物图

5.3 应用案例

以双桂H982 线、仰山H884 线、上塘H901 线为试点安装可变比例钳位避雷绝缘子，杆塔采用三相逐相安装，线路段采用水泥杆塔自然接地没有另设立人工接地体。截止2019 年9 月底，文成公司3 条全线更换避雷绝缘子的10 kV 线路，停电时户数同比下降1 873.398，其中双桂H982 线同比下降74.67%、仰山H884 线同比下降53.63%、上塘H901 线同比下降78.34%，平均下降69.19%。

图11 文成公司3 条10 kV 安装防雷绝缘子线路时户数变化

6 结论

本文通过对文成地区的配网情况调研，并对配网雷击故障的原因进行了分析，对文成地区配网架空线路和室外台区雷害进行研究和实施防雷改造，筛选易击线路或易击线路段逐基逐相安装可变比例钳位避雷绝缘子进行试点应用。运行数据显示，文成地区设备雷击故障明显下降，线路跳闸大幅度降低，安装的避雷绝缘子杆塔附近未发生安全事故，表明避雷绝缘子采用自然接地能够满足防雷运行要求。避雷绝缘子线路防雷方式安装简单，无需装调试，相对于众多的传统防雷方式更具经济效益、更适合推广。