配电线路防雷措施及保护效果分析

沈阳工程学院 陈诗琦 高振国

配网线路绝缘子在直击雷过电压或感应雷过电压作用下均可能发生闪络。闪络的发生与诸多因素有关，例如与感应雷或者直击雷过电压有关，并且不同因素产生的影响是不同的，而闪络则是导致线路跳闸的重要原因。特别是在闪络转变为工频电弧之后，则更容易发生此问题，所以需要重视对于闪络的分析，明确其出现的根源以及产生的影响。但是在实际中，大部分雷击故障与感应雷过电压有关，而架空线路基本不会受到直击雷的影响。结合上述分析，防雷击的主要对象是感应雷过电压，需要对此设计针对的防范对策。

架空线路感应雷过电压防护一般可以从降低、限制两个两个方面开展相关的工作。当前在此领域的研究较多，很多学者从上述两个角度开展了具体的研究工作，但是大部分研究中主要从第二个角度设计了对应的防护策略。例如可以采用避雷器等设备，或者是强化线路绝缘等。一般需要结合具体的线路设计对应的防雷对策，以保证达到更佳的效果。

从有效降低线路感应雷过电压的技术角度对供电线路上的感应电击雷发生过电压事件进行综合防护，其主要防护措施之一是在线路配套的网线和架空供电线路上同时安装"感应雷屏蔽线"，即避雷线。通常用户可直接参照110kv以上联网架空避雷线路安装防雷线的保护设计方案，在其他配套联网后的架空避雷线路上直接安装架空避雷线。

以下主要从线路绝缘水平、安装线路避雷器以及架设避雷线的角度分析对架空线路感应雷过电压的防护效果。

1 提高线路绝缘水平

为了有效地解决雷击线路跳闸问题，可以采用加强线路绝缘的方式，这种方式的应用效果比较明显，广泛应用到了实际工程领域中。从具体实施上来看有两个方面，其一是提高绝缘子数量；其二是利用架空绝缘导线、瓷横担等方式直接替换裸导线。相同条件线路雷击绝缘能力水平相同条件下，采用瓷横担可以有效率地降低不同线路受到雷击导致跳闸的概率。提高输电线路的裸绝缘技术水平，可以提高线路在直击雷和感应雷过电压下的防雷性能。

参照有关仿真实验数据结果，增强绝缘性，有助于改善在两种过电压情况下的防雷效果。受到雷电过电压的影响，耐雷水平与绝缘子片数存在正相关的关系，在建弧率降低之后有助于减小跳闸事故的发生。研究表明，绝缘子内片的数量直接影响到线路性能高低，一般可以通过线性关系进行描述，增加绝缘子有助于达到更高的耐雷水平，可以将跳闸率控制在较低的水平。

2 线路避雷器保护分析

对于三相供电系统而言，在三相导线内同时存在感应雷过电压，并且其幅值以及波形特征基本是一致的。就此情形下，在感应雷过电压的作用下，很大几率出现三相同时对地闪络的问题。仿真结果表明，安装线路避雷器后，在感应雷作用下，架空线路沿线过电压水平主要由避雷器的安装密度和杆塔接地电阻决定。

杆塔线路接地时的电阻越大，线路保护避雷器的线路保护避雷范围越小，为了能够取得较好的线路保护避雷效果，需要增加避雷器的安装密度。在设置避雷器时需要考虑到对杆塔接地电阻大小，二者应该保持正相关的关系，即安装密度应该随着接地电阻的增大而合理增大。另外，在利用绝缘导线的情况下也需要适当降低安装密度。

3 避雷线保护分析

对于架空线路而言，在其上进行避雷线的安装过程中，由于会被其本身的屏蔽性所影响，因而会造成感应过电压明显减小，实际上在两个电压叠加之后形成了感应过电压幅值，具体形式如下所示：

在上述公式内：U表示幅值，-U表示幅值相同，方向相反；Kc为避雷线与导线间的耦合系数，该系数与多个因素有关。其中导线位置以及尺寸是影响Kc的主要因素，如果导线之间的距离较大，则Kc较小，而感应过电压较大。

避雷线与雷电导线间互波耦合阻抗系数约为kc，也可以用避雷线间互波阻抗系数表示。具体信息如图1、图2所示。

图1 多导线及其镜像

图2 避雷线安装位置示意图

图1中，导线k与j间的互波阻抗Zkj为：

在上述公式内：Djk为导线k与j的镜像间距离；dkj为导线k与导线j间的距离。

安装线路避雷线后，线路上的感应绝缘雷击通过电压显著下降，耐雷性能水平显著提高，线路感应绝缘子件的闪络损坏概率、雷击线路跳闸率均显著大幅下降，因此，安装避雷线可以对感应雷过电压进行有效的限制。用于雷电感应屏蔽雷电的过电压电阻防护的雷电避雷线对于接地稳压电阻防护可以完全不作任何严格要求，只要能够取得地面的电位，能达到起屏蔽雷电作用就已经可以了，这与一般避雷线接地防护在垂直击雷时对导电杆塔上的接地稳压电阻的严格要求可以有所很大不同。

4 自动重合闸与线路防雷保护

经验研究证明，架空电缆输电线路上的一次雷击放电故障，约80%以上的都是瞬时性的。输电电缆线路直接电缆遭受闪电雷击时，线路上的绝缘子在较大雷电的通过电压下也会发生的雷电闪络，此时线路绝缘只是暂时的失去其绝缘性能，在大多数的情形，弧道电离消除的时间不超过0.2-0.3s，经此时间之后，线路绝缘即完全恢复其电气强度，并允许在正常的运行电压下重新合闸。在雷击故障跳闸和自动重合之间的时间间隔很短，即故障停电的时间很短，因此对各种用电设备的正常工作，几乎都不会感到有什么影响，从而大大限制了雷击故障范围的扩大，消除了可能造成的停电事故。

从研究统计得出，一般架空输电线路上，有超过一半的瞬时性短路故障，可以通过自动重合闸使供电不间断。而且，从经济的角度来考虑，安装一套自动重合闸所需要的费用与停电可能造成的经济损失相比是较小的，其技术经济性比较好，所以，装设自动重合闸装置自动重合闸是防雷保护工作中的一项重要技术措施。

5 防雷措施保护效果的影响因素分析

（1）环境因素

架空配电线路分布广泛，结构复杂，线路遭雷击时，其雷电过电压类型将受到外界的环境因素影响。

对于主要分布在城区的这些架空配电系统线路，线路附近大多可能存在线路树木或其他建筑物，线路平均杆塔高度约设定为10m，树木和其他建筑物的高度将不会超过其他线路或桥杆塔高度，由于线路树木和其他建筑物的雷电屏蔽保护作用，雷电一般上都不会直接接触击中这些架空电力输电系统线路或桥的杆塔，线路上遭受直接冲击雷电力作用的放电概率相对较小，一般由于雷击而放电引起的线路故障大多可能是雷电感应器的雷电超过电压所导致造成。这一情况下，必须要立足于阻挡感应雷过电压的层面入手来开展防雷保护工作，例如可以在合适的位置设置避雷器，有助于减小跳闸率。

如果架空线路处于容易受到雷击的区域，例如在河谷或者山地等区域中，相比于城市区域而言，线路落雷的几率更高，原因就在于其周边环境中很少存在植物或是建筑物能够产生屏蔽作用，基于感应雷过电压，可以采取综合性的措施，例如强化线路绝缘，设置避雷线等办法，均能够有效提升防雷保护能力。

（2）土壤电阻率和杆塔接地电阻

配电站的架空传输线路沿线杆塔土壤接地电阻和功率将不会影响接地感应电阻雷达通过电压的最大幅值，另外，杆塔的土壤接地感应电阻也可能会直接受到沿线土壤接地电阻和功率的很大影响。通常，土壤电阻率越大，杆塔的接地电阻变大，从而影响线路防雷保护效果。对于土壤电阻率过大，杆塔接地电阻不能满足防雷保护要求的区域，需要采取相应措施降低土壤电阻率，减小杆塔接地电阻。