10 kV配网架空绝缘线路防雷措施

刘建伟

（福建华茂防雷减灾服务有限公司，福建 福州 350001）

1 概述

随着我国经济社会的不断发展，电力网络不断扩大，10 kV配电网作为城乡居民供电的主要环节，在运行过程中会遭受雷击等自然因素的影响。电网遭受雷击主要是由于雷电直接击中线路，瞬间产生高强度的电流和电压，使线路受到严重破坏。

2 10 kV配网线路雷电隐患分析

10 kV配电线路受到雷击的安全事故问题一直存在，其危害程度难以想象，而雷击事故主要是由以下原因造成。

2.1 10 kV配电线路设备不符合规定的情况

现阶段，10 kV配电网线路上的铁棒和开关依旧存在着安装不符合相关标准的情况。每年都会出现许多不可修复的焊接问题，导致配电线路非常容易受到雷击。安装在10 kV配网线路上的避雷器质量不过硬，使用一段时间便会失去作用，很难真正起到避雷效果。

2.2 10 kV配网线路的防雷设计非常简单

与220 kV高压线路的防雷设计相比，10 kV配网线路的防雷设计相对单一，在抵抗相同级别的雷击时，由于其设计简单，防雷效果较低，导致10 kV配电网线路在受到雷击时，很容易发生安全事故。

2.3 10 kV配电线路绝缘子的耐压性能较低

10 kV配电线路的针形绝缘子的电阻线跨度要更大，在遇到雷电等情况下具备了更好的防护效果。但是，此类针形绝缘子也有着一定的不足，当此类绝缘子内部发生故障时，此类绝缘子依旧可以正常运行，这就导致工作人员在检查过程中很难发现其故障原因，没有办法第一时间找出因雷击而损坏的地方[1]。

3 雷击断线机理分析

由于现阶段我国10 kV配电线路系统为单相线圈接地系统，在配电线路绝缘单相接地时，可最大化补偿因直流过大电弧单相接地金属短路的电流损失，单相接地导线短路放电故障一般不会断线。同时当二相或三相之间通过电压闪络而形成金属性质的放电通道时，会引起数千安培的工频电流，电弧单相接地时的能量将随之迅速增加[2]。

当线路的绝缘子遭受不同的雷击时，雷电的移动通过击穿电压不仅直接引发绝缘子快速闪络，也会直接击穿绝缘子的绝缘层。而且在直接击穿点附近的一些绝缘物，阻碍了整个工频线路电弧沿工频线路闪络导线向两侧移动。因而，电弧通常只能在直接击穿点处继续燃烧。高达数千安培的工频电弧（kA/ms的能量等级）中所产生的热量主要都集中在未被击穿的点上，并在供电断路器设备开始跳闸之前，很快将绝缘导线全部熔化并切断。闪络线路的熔断点位置通常是在绝缘闪络导线的两侧，即绝缘子两端10～30 cm范围内，此处的能量密度分布最薄弱。

当雷击电流作用于线路绝缘子时，绝缘子的闪络频率取决于线路过电压平均值和额定线路电弧绝缘值的水平，电弧冲击产生的损坏几率通常取决于多个线路参数，即额外设定线路过电压u2、闪络路径L、雷冲击电弧发生的起始时刻、雷冲击电流的密度大小和额定线路绝缘参数等。在这些线路参数中主要决定于沿各个闪络绝缘路径的高速运行和过电压平均值的梯度。

式中：L为电弧闪络的作用长度，m。建弧率通常是随着作用温度的降低而降低的。通过对整个电弧火花放电过程的相关数据进行分析可以得到具有如下结论，即E≤7～10 kV/m时，建弧率通常为零。工频支路电流与电弧火花雷电作用碰撞产生的热量直接可以造成熔断切断，工频支路电流与雷电之间产生的热量与直接造成整个电弧火花熔断的持续时间有关，电弧火花作用于导线的电流熔断产生的热量就是相应热量：

式中：I为雷击短路弧形过高压电流；R为雷击短路电弧断线整流器电阻；t为电感应器波头作用时间。假定雷电波头作用时间t为2 s，雷击电流幅值为1 kA，对工频短路电流作用时间为0.2s，短路电流值为1kA。按上式计算可知，对工频短路电流产生的续流热量将远远大于工频短路电流感应器间接产生的雷击短路续流热量。

4 10 k V配电线路防雷具体措施

通过分析配电线路发生雷击事故的原因，结合实际情况，落实配电网线路防雷措施，可有效增强配电线路的防雷效果。

4.1 防雷线安装

防雷线的安装是最基础也是最高效的防雷手段。因此，要最大程度地防止雷电直接击中电线，减少雷击电流。配电网传输线路可以通过原地安装屏蔽防雷接地线、在配电铁塔顶部安装接地线、覆盖接地电线等方式，将遭受雷击的电流直接流入地面。搭建防雷线时，最重要的是准确把控好防雷线的铺设角度以及铺设质量，特别是在雷击事故发生几率较高的偏远山区，要实施具体保护。此外，防治设计中还应综合考虑线材的材质、形状等因素。

4.2 降低铁塔的接地电阻

降低铁塔的接地电阻可以防止配电网线路遭受雷击。在建设配电线路时，首先要对该地区的土壤进行电阻测试，针对土壤内部的正离子、土壤质量等多种因素进行综合排查。

4.3 耦合地线设置

如果不能有效地降低铁塔的避雷接地导线电阻，又不能有效克服自然地形、地貌等自然因素和其他人为因素，可以考虑采用在接地电线下端处采用铁塔接地线的方式，通过这种方式的应用，能够更好地发挥接地导线与铁塔之间的电磁耦合作用，在降低接地电压的同时，对雷击所产生的过电流进行分流处理，降低铁塔顶接地电位，提高接地线路的静电反击力和跳闸反应速度，对大幅降低雷击事故跳闸发生率具有非常明显的辅助效果。

4.4 采用不平衡绝缘

随着配电线路的逐步完善，线路占用问题越来越突出。为了最大程度提高铁塔的运转效率，在部分高压线上采用了同级双回线路施工。配电线路遭受雷击时，必须在一般放电防雷保护措施不能完全满足双回同时放电跳闸的基础上，考虑是否采用不影响平衡的电绝缘。也就是说，由于两个电路中复合绝缘子的总数不同，可以同时降低停电率，保证连续配电。当雷击配电网线路时，绝缘子片数较少的电路先闪，闪后电缆起到地线的作用，提高了耦合的实际效果。随着抗雷击工作能力的提高，将不再出现短路故障情况，配电网线路又可以稳定工作。

4.5 中性点不直接接地，可以采用消弧线圈的接地方式

消弧线圈不仅可以有效降低雷击造成的冲击闪络，加强工频弧速的稳定效果，还可以有效降低发生雷击事故时的雷击跳闸速度。当配电网发生雷击造成单相短路时，消弧线圈会将感应电流以及容性电流集中在一起，实现补偿效果，减小电流，防止发生复燃现象，最终达到降低雷击点的热损伤，控制事故等级的效果。

4.6 避雷器安装

现阶段，10 kV配电网所安装的避雷器通常为管式和阀式两种，在安装时可以根据实际情况选择不同型号。管型避雷器可以有效解决放电间隙中，由于工频自由旋转所产生的供电问题，这也使其成为了目前10 kV配电网中应用较为广泛的避雷器。而阀式避雷器在使用过程中，必须要控制好冲击放电电压等多项内容。FS型避雷器，则应用在10 kV以下的接线电缆头等外配的保护设施中，其结构比较简单，产生的成本消耗比较低，但所起到的保护性能也相对有限。FI型避雷器具有并联电阻，保护有限性能好，常用于220 kV电气设备。FCD型避雷器有并联电阻和并联电容，具有更好的过流保护供电性能，这也使其在那些高压变电站中得到了极其广泛的应用。除此之外，在安装避雷器的实际过程中，特别适用于高压变电站等高压电器。安装避雷器时，要确保电压等级与保护设备相匹配，并计算好线距。具体参考距离见表1。

表1 线电压和设备电压最小距离参考表

在选择10 kV配网线路的避雷器时，就应当采用氧化锌雷击方便保护避雷器，这是由于这种类型的避雷器有着相对较多的优点，这也使其在避免雷击事故方面有着极其显著的优势。同时，由于氧化锌自身具备着非线性伏安物理特性，在正常短路电源的高工作电压下，可以有效降低短路电源电流，当过高的短路电压电流发生短路时，电阻就会出现急剧下降现象，因此可以充分释放出过电压电流中的剩余能量，达到良好的雷击放电保护状态。这种雷击放电保护避雷器与其他几种传统雷击放电保护避雷器的最大优点，其没有充分预留雷击放电后的短路间隙，仅仅是通过利用其中少量氧化锌的非线性雷击放电物理特性，起到了同时完成短路电流放电和防止电源工作中断保护的作用。

4.7 加强绝缘，降低绝缘闪络

在加强绝缘的过程中，在强化保温方面所采用的三种方式分别为强化保温、双重保温以及替代保温。可以通过改变绝缘子直径的方式，提升塔顶空气电流间距来提高线路的绝缘性特征，提高10 kV配电网的雷电防雷防护水平和线路运行安全。但是由于这种方式在使用上存在着较为显著的局限性，成为对配网线路提供保护的一种后备措施[3]。

4.8 安装自动重合装置

当配电网上的线路被雷击停止正常运行时，就必须采用自动线路重合保护装置，确保配网线路的容器可以恢复到正常的运转状态。同时，在配网线路中出现的绝缘跳闸问题，往往都具备可恢复性，而那些由于雷击事故所引发的工频闪络，或是其他工频线路电弧在配网线路当中跳闸停止后，也会在短时间内对其进行清除，保证绝缘性能能够恢复到原本的状态。

5 10 kV配网增设线路避雷器的优点

线路避雷器能够对高电位以及低电位进行更加全面的保护，同时，在接地电阻的设计方面也没有提出严格要求，特别是在山区等危险地区当中，线路避雷器更是起到了十分显著的作用，其所产生的线路防雷保护效果也十分优异。塔顶处的电位以及保护杆塔冲击接地装置的电阻，通过线路避雷器都可以起到良好的保护作用，这就需要采用进一步强化冲击接地电阻设置的方式，提高配电接地线路的使用安全性。

6 结语

10 kV配网线路在电网设备中由于自身和其他来自外界各种因素的相互影响，雷击事故的发生几率比较高，在产生事故后，不仅会对原本的电网设备以及供电线路产生较为严重的破坏，甚至还会对电网路线的正常供电产生不良影响，给居民的日常生活带来不便，对我国经济发展同样会造成严重影响。因此，需要提升对10 kV配网线路防雷保护措施的重视程度，合理安排避雷器，有效减少电网线路因雷击造成破坏从而引起的电网线路跳闸，有效降低配网线路雷击事故发生的次数。