配网架空线路雷击故障及防雷措施分析

曾松涛， 刘 凯， 韩云飞， 徐 雨， 王喜军

（广东电网有限责任公司 广州供电局， 广东 广州 510620）

0 引言

近年来，绝缘导线覆盖率越来越广。绝缘导线雷击跳闸停电及雷击断线事故远高于裸导线， 严重影响配网的安全稳定运行[1]。 如何妥善解决雷击断线问题，以确保架空绝缘配网的安全运行已经成为一个十分迫切需要解决的重要问题。 针对雷击绝缘导线断线问题众多学者对此做了许多研究，文献[2]通过试验验证工频续流电弧才是导致架空导线烧伤断线的根本原因；文献[3-5]从疏导型和堵塞型两方面介绍了配网防雷措施， 并分析了各类配网防雷措施的技术差异。 但并未明确提出有效的防雷措施，绝缘导线断线事故仍频繁发生。 鉴于此，本文通过对某地区10kV 架空线路雷击断线问题及该地区采取的防雷措施进行分析，提出一种性能较佳的防雷措施，降低导线雷击跳闸和断线率。

1 故障概况

某区域10kV 配电线路， 主要为单回路水泥杆架设，杆塔高度一般为10m，杆塔平均档距为50m。 绝缘子主要型号分别为PS 15 和SC 210，未沿线架设避雷线。 该地区地处沿海地区， 属于亚热带季风气候， 雷电活动非常频繁，年平均雷暴日超过90d，属于强雷区，雷电活动主要集中在每年的5-9 月。 该地区2019-2020 年发生雷击跳闸事故共318 次， 其中5 月-9 月发生雷击跳闸事故共302次，占94.97%，统计见表1。

表1 2019—2020 年5 月-9 月配电网雷击跳闸故障分布

表2 3 条线路安装前后对比

2022 年6 月，受强烈的雷电活动影响，该地区某支线线路跳闸且重合闸不成功。 经现场巡线发现27-28# 杆塔发生两相断线事故，导线断线处烧损严重，绝缘子表面污秽严重且存在闪络痕迹，如图1 和图2 所示。

图1 雷击断线杆塔环境

图2 绝缘子表面污秽

2 绝缘导线断线分析

2.1 地理环境分析

该线路27# 杆塔和28# 杆塔为跨越段， 线路档距较大，大档距使得雷击过电压在线路上的泄流点过少，绝缘子发生闪络的可能性增大。 27# 杆塔位于山上的迎风侧，该地理位置使得该处成为雷击多发区， 且雷击的随机性大；28# 杆塔位于农作物种植区，杆塔附近树木众多，且树木的高度高于杆塔高度，对雷电产生一定的屏蔽作用。

2.2 线路绝缘水平分析

10kV 绝缘导线的绝缘水平相对较低，其雷电冲击电压一般为93.8kV，而发生雷击时，雷电冲击电压一般超过139kV[3]。 27-28# 杆塔仅安装有横担绝缘子，未采取架设避雷线等防雷措施，其绝缘耐受电压为185kV 左右。随着绝缘子运行时间的增加，绝缘子表面污秽也会不断增加，其绝缘耐受电压会有不同程度的下降， 线路发生闪络的概率也会增加。

2.3 感应雷过电压计算分析

当雷击线路附近时， 会在架空线路的三相导线上感应过电压。根据标准DL/T 620—1997，雷电感应过电压为

式中：I—雷电流幅值 （kA）；hd—导线平均悬挂高度（m）；S—雷击地面点到导线正下方间的水平距离（m）。

由式（1），线路最大感应雷过电压Ug 与雷电流幅值和导线平均悬挂高度成正比， 与雷击地面点到导线正下方间的水平距离S 成反比。 对雷击点离导线不同距离的不同雷电流下感应过电压，计算结果如图3 所示。当线路高度为10m 时，100kA 的雷电流在离10kV 导线65m 处时，在线路产生的感应过电压数值为384.6kV；若雷电流＞100kA时，线路感应过电压会增大，但自然界中雷电流幅值＞100kA的概率极小，低于7%，因此研究雷电防护时，更多考虑≤100kA 的雷电流对线路产生的影响，因此计算出的感应过电压幅值一般在300～500kV 左右。

图3 感应雷过电压计算

当配网的波阻抗Z为400Ω 时，线路上流过的感应电流为

根据计算可知，线路感应电流一般小于1kA。 因雷电流时间短，且配网多为感应雷，幅值小的雷电流难以造成导线断线。

10kV 配电线路一般采用中性点非有效接地方式，可允许带故障运行两小时，工频续流时间长，在采用绝缘导线的配电线路中， 由于导线的绝缘层对电弧移动的阻碍作用，电弧电流长时间固定在某处燃烧，因而容易发生绝缘导线断线事故。由此可见，工频续流电弧才是引起绝缘导线断线的根本原因。

3 配网线路防雷措施现状

该地区部分线路应用的防雷装置有放电箝位绝缘子、非固定间隙氧化锌避雷器、固定外串联间隙氧化锌避雷器，解决了部分雷击绝缘导线断线问题。但实际运行经验表明，仍然存在绝缘导线断线事故，因此对防雷装置的优缺点进行分析。

3.1 放电箝位绝缘子

放电箝位绝缘子通过穿刺式线夹与绝缘导线固定连接， 将雷击后的工频续流转移到引弧棒与绝缘子金具上灼烧，可有效保护绝缘导线和绝缘子不受损伤。但工频续流会严重烧损放电箝位绝缘子，工频续流越大，放电箝位绝缘子的损伤越严重；雷击后的工频续流需线路跳闸后才能切断， 无法解决雷击跳闸问题； 穿刺式线夹会破坏导线的绝缘层和线芯， 长期运行易使导线断线，如图4 和图5 所示。

图4 放电箝位绝缘子

图5 绝缘层安装孔

3.2 非固定间隙氧化锌避雷器

非固定间隙氧化锌避雷器由避雷器本体和环形电极铁丝组成，如图6 所示。雷击时先沿绝缘子表面击穿空气与环形电极铁丝放电，再通过避雷器泄放雷电流。雷电流过后，避雷器本体呈现高阻状态，工频续流被遮断，可有效防止导线断线。 但环形电极铁丝软，其尺寸难以控制，易受风偏的影响，长期运行后间隙可能发生改变，从而影响防雷效果； 雷击时沿绝缘子表面击穿空气与环形电极铁丝放电会影响绝缘子的寿命， 且避雷器本体损坏后难以查找，运行维护工作量大。

图6 非固定间隙氧化锌避雷器

3.3 固定外串联间隙氧化锌避雷器

固定外串联间隙氧化锌避雷器通过穿刺线夹与绝缘导线固定连接， 如图7 所示。 当导线上产生过电压时，间隙被击穿，雷电流经氧化锌避雷器泄入大地。 因氧化锌良好的非线性特性， 可将工频续流限制在毫安级， 有效切断工频续流， 保护导线和绝缘子不受损伤。 穿刺线夹会破坏导线的绝缘层， 长期运行将导致导线断线；避雷器故障后难以查找，运行维护工作量大； 复合材料耐候性差，长期运行易开裂，水气进入避雷器内部，加速避雷器的老化劣化，影响避雷器的使用寿命。

4 配网防雷措施分析

4.1 配网防雷措施方案

通过分析该地区10kV 配网线路导线断线及其防雷措施，总结发现该地区目前的防雷措施存在绝缘水平低、穿刺式安装、工频续流遮断能力不足、间隙结构不稳定、避雷器故障难以查找的问题。 针对该地区防雷措施存在的问题，宜安装带固定间隙的绝缘子式避雷器。该避雷器外部与瓷绝缘子相同，内置氧化锌电阻片，有效泄放雷电流，雷电流过后呈高阻状态，可有效遮断工频续流；安装采用绑扎式安装，无需剥线，不破坏导线的绝缘层，避免导线破损受潮；外部的固定间隙结构稳定，不受风偏的影响； 瓷套相比复合外套耐候性强， 长期运行于户外环境不易粉化， 如图8所示。

图8 绝缘子式避雷器

4.2 应用案例分析

近年来处于多雷区部分10kV 架空线路雷击事故频繁， 于2021 年8 月选取在该区域的3 条10kV 线路安装带固定间隙的绝缘子式避雷器进行应用。 截止至2022 年9 月，应用的3 条线路，未发生绝缘导线断线事故，雷击跳闸次数显著减少。

5 结束语

通过对某地区10kV 配网线路的情况进行调研，并对绝缘导线断线事故及其防雷措施进行了分析， 发现其防雷措施存在绝缘水平低、穿刺式安装、工频续流遮断能力不足等问题。为了减少该地区绝缘导线雷击断线事故，通过在该地区3 条线路上逐基逐相安装带固定间隙的绝缘子式避雷器， 有效解决绝缘导线断线问题和大幅降低雷击跳闸率，性能较佳。