三峽電力職業(yè)學院 袁 帥

配網(wǎng)10KV架空線路綜合防雷方案淺析

三峽電力職業(yè)學院 袁 帥

雷電對10kV絕緣架空線路有很大的危害性，配電網(wǎng)防雷的目的是避免雷擊斷線，并使線路因雷擊跳閘的次數(shù)減少到最低限度、達到配電線路設備的損害幾率最小。本報告從技術上的可行性與經(jīng)濟上的合理性，提出防止絕緣導線雷擊斷線、跳閘的措施，將雷擊事故減少到可以接受的程度，以保證供電的可靠性與經(jīng)濟性。

配網(wǎng)；架空線路；防雷方案

自1752年富蘭克林利用風箏引雷，并發(fā)明避雷針后，人們意識到避雷針實際上就是引雷針，引導雷電通過避雷針進行放電，并讓雷電流沿避雷針的接地引下線入地泄放。隨著大量的研究試驗以及長期的運行經(jīng)驗表明，避雷針的保護范圍有限，不能用于架空線的防雷保護。

一、綜合防雷方案比較

方案一：在架空線上方架設避雷線。其原理是引雷，但由于存在繞擊因素，架空避雷線往往不能完全把雷電引到避雷線上，導致受其保護的架空線仍有可能遭受雷擊。

方案二：架空導線上直接安裝避雷器。這是一種有效的防雷方法，避雷器一端與架空導線連接，另一端接地。當架空導線未遭受雷擊時，避雷器是一個高電阻；當架空導線遭到雷擊時，避雷器被雷電波尖峰擊穿而呈低電阻，雷電流通過避雷器及與地連接的橫擔入地泄放，當雷電波尖峰過后，避雷器阻抗上升，架空導線與地之間恢復斷開狀態(tài)。

避雷器遭到雷擊后，有可能損壞出現(xiàn)開路或短路狀態(tài)。如果避雷器發(fā)生短路，可能導致架空導線通過短路的避雷器接地，造成電源跳閘；并且避雷器長期和帶電架空線連接，產(chǎn)生的泄漏電流易使避雷器芯片老化而損壞。由于以上原因，避雷器的應用也受到了限制。

方案三：采用有間隙的避雷器。為了防止避雷器因短路損壞而造成的跳閘事故，采用有間隙的避雷器，但由于間隙小，不能從根本上克服避雷器因短路造成的跳閘。

方案四：采用防弧線夾或防雷支柱絕緣子。這是解決架空絕緣導線雷擊斷線最經(jīng)濟有效的方法，選擇此類產(chǎn)品應注意其穿刺結構、引弧棒設計以及間隙設計，在安裝時也應特別注意。

采用防弧線夾或防雷支柱絕緣子雖然能解決架空絕緣導線雷擊斷線，但并不能減少跳閘，主要是由于防弧線夾或防雷支柱絕緣子不能迅速斷弧，必須要經(jīng)過四、五個工頻周期才能斷弧。

方案五：采用帶阻雷體的多功能防雷器與現(xiàn)有SC-15氧化鋅避雷器結合的方式進行綜合防雷。采用此方案，既可有效防止架空絕緣導線雷擊斷線問題，又可降低因雷擊跳閘率，大大減小了雷擊對線路、設備的侵害。

二、有效防雷方案分析

（一）帶阻雷體的多功能防雷器

（1）原理

多功能防雷器由絕緣子、刺齒、引弧棒、阻雷體組成，其結構如圖1所示。

多功能防雷器，其實質相當于一個帶外間隙的避雷器，阻雷體的接雷端與引弧棒之間有空氣間隙，阻雷體另一端與電桿橫擔直接連接。由于阻雷體與架空導線間存在空氣間隙，空氣間隙未被雷電擊穿前，阻雷體呈高阻，當架空導線受到雷擊，電位升高后，引弧棒的放電端電位也隨之升高，當引弧棒放電端與阻雷體的支撐板之間的電位差達到擊穿空氣間隙電壓值時，阻雷體導通呈低阻，雷電流通過阻雷體，并通過阻雷體的接地端泄放雷電流。此過程中阻雷體消耗了雷電的能量，因而起到防雷的作用。

表1 普通避雷針垂直布置試驗結果

表2 阻雷體垂直布置試驗結果

引弧棒與阻雷體之間的續(xù)流是由架空線的電位維持的，而架空線是工頻電壓，當電壓波形過零時，不能維持續(xù)流從而導致斷弧，從阻雷體的接弧到斷弧的時間越短，電源端的斷路器跳閘可能性就越小，并且引弧棒與阻雷體的間隙越小，接弧的作用也將越好。如果兩者之間的間隙過大，阻雷體不起接弧作用，架空導線就有可能在薄弱處被雷電擊斷。

引弧棒與阻雷體之間的間隙距離無標準可依，此間隙設計取決于架空導線的接地制式、架空導線的額定電壓、阻雷體的規(guī)格。

（2）橫擔接地

安裝多功能防雷器的橫擔是否需要加設接地裝置？在探討這一問題前，我們先來了解一下10kV架空線的混凝土電桿的接地情況。

由南京師范大學吳薛紅、南京工學院濮天偉、廖德利編著的《防雷與接地技術》中指出：“架空線路采用鐵塔、鋼筋混凝土桿時，如果發(fā)生相線與桿塔短接，會有觸電的危險發(fā)生，此時應根據(jù)不同的接地系統(tǒng)采取相應的接地措施?！?/p>

中華人民共和國電力工業(yè)部DL/T601－1996《架空絕緣配電線路設計技術規(guī)程》的條文：

10.1 中壓絕緣線路，在居民區(qū)的鋼筋混凝土電桿宜接地，鐵桿應接地，接地電阻均不應超過30Ω。

12.0.1 無避雷線的lkV～10kV配電線路，在居民區(qū)的鋼筋混凝土電桿宜接地，金屬管桿應接地，接地電阻均不宜超過30Ω。

上述規(guī)定都是從防觸電考慮的，防止架空線斷線后斷頭與電桿相接觸造成混凝土電桿帶電，人畜觸及而發(fā)生危險。

10kV配電線路有不接地和小電阻接地兩種系統(tǒng)，采取埋地電纜配電的10kV線路，其電源系統(tǒng)是小電阻接地系統(tǒng)，一旦發(fā)生接地短路，故障電流很大，因此混凝土電桿要求接地；采取架空配電的10kV線路，其電源系統(tǒng)采取不接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地短路時，由于線路對地電容很小，因此故障電流很小，即使斷路相碰及混凝土電桿，觸碰該混凝土電桿也不會發(fā)生觸電事故，因此電源系統(tǒng)采取不接地時，混凝土電桿也不接地。

雖然10kV不接地系統(tǒng)的架空線的混凝土電桿不要求接地，但并不反對接地。專家強調：要利用混凝土桿內(nèi)的鋼筋作為接地引下線。在混凝土電桿根部引出接地體或接地螺栓，接地體或接地螺栓與混凝土桿的鋼筋焊接成一體，電桿的橫擔與接地體或接地螺栓通過桿身內(nèi)部鋼筋連接。應注意的是，預應力鋼筋混凝土電桿不允許利用其鋼筋作接地引下線，若需要接地時，應沿桿身另掛一根接地引下線。

雷云在架空線上空時，混凝土電桿不論是否接地，都會產(chǎn)生感應電荷，當架空線遭受雷擊后，架空線與橫擔之間的靜電電位差達到擊閃電壓，則空氣被擊穿短路，產(chǎn)生拉弧。雷電是瞬時的，拉弧續(xù)流能量則是架空線的電壓提供的，當交流電壓過零點時則可能出現(xiàn)斷弧。

在引弧棒與橫擔之間串聯(lián)一個阻雷體，雷擊瞬間雖雷電流很大，但隨著阻雷體阻抗的逐漸恢復，泄放電流將大大下降，接閃時產(chǎn)生的危害也大為減少。

討論到這我們可以知道：雷云和混凝土電桿及橫擔的感應電荷之間的放電，與電桿是否接地無關；阻雷體能降低放電速度，減小放電電流，進而減少斷路器的跳閘次數(shù)。

（3）閃絡試驗

在擊閃回路中串連一個阻雷體后，是否會影響防雷效果？下面的閃絡試驗證明：擊閃回路中串連阻雷體后，防雷效果更好了。

1）不串阻雷體的閃絡試驗

本次試驗是在國網(wǎng)高壓研究院戶外沖擊試驗場進行的。首先把一根1.5m高的富林克林避雷針置于雷云板的下面，雷云板離地6m，如圖2所示。

通過20次的試驗，富蘭克林避雷針兩次不發(fā)生閃絡，試驗結果如表1所示。

根據(jù)富林克林避雷針的原理，在圖2和表1的布置和試驗下，擊穿時間越短，避雷針的性能越好，由表1可知：最短的擊穿時間為85μs，但是有兩次不發(fā)生閃絡，即避雷針不起作用。

2）阻雷體性能試驗

為了試驗阻雷體的阻雷性能，把富蘭克林避雷針和阻雷體處于同一環(huán)境，如圖3所示。試驗結果如表2所示。

上面試驗中串有阻雷體的避雷針沒有發(fā)生閃絡。圖2中富蘭克林避雷針距離雷云板距離為4.5m（6—1.5=4.5），圖3中富蘭克林避雷針距離雷云板距離只有4m（7.5—3.5=4），距離雷云板近了0.5m，更容易擊穿閃絡，但由于處在阻雷體的保護下，富蘭克林避雷針只有兩次發(fā)生了閃絡，顯然阻雷體的作用十分明顯。

上述試驗證明：避雷針中串接阻雷體，可降低接閃電流，不發(fā)生閃絡，同時又不影響其保護作用。

阻雷體是多功能防雷器的關鍵部件，起到泄放架空線中的雷電流，降低擊閃電流的作用，因此對架空線防雷擊斷線和跳閘起到極其重要的意義。

（二）氧化性避雷器

氧化性避雷器是一種以氧化鋅為主要成份的金屬氧化物半導體非線性電阻元件，其電阻對電壓較敏感，當電壓達到一定數(shù)值時，電阻迅速導通。由于其良好的導雷電流功能而被廣泛應用于10kV配電線路上。目前我國配網(wǎng)中大部分使用的是氧化鋅避雷器作為線路防雷的主要手段，但由于安裝接地等原因，目前還難以實現(xiàn)在每基桿塔上設置氧化性避雷器。

三、防雷產(chǎn)品的選用及經(jīng)濟性評價

1.防雷產(chǎn)品選用

目前生產(chǎn)防弧線夾、防雷支柱絕緣子、氧化性避雷器的廠家較多，但質量差別較大，因此應在質量達標的前提下再進行經(jīng)濟性比較。

（1）產(chǎn)品必須具有企業(yè)標準，產(chǎn)品供應商應提供經(jīng)上級單位批準的企業(yè)標準；

（2）產(chǎn)品必須具有國家級測試機機構出具的試驗報告；

（3）具有專利證書的產(chǎn)品優(yōu)先考慮采用；

（4）必須具有用戶報告。

2.經(jīng)濟性評價

目前我國配電網(wǎng)線路主要防雷手段為每條線路的首末兩端、配網(wǎng)設備安裝處、并根據(jù)運行情況多雷區(qū)配網(wǎng)線路設有避雷器，避雷器主要選用SC-15kV的氧化性避雷器，由于氧化性避雷器需要裝設接地裝置才能起到迅速將雷電流導入大地，減少雷電對線路、設備的損傷。從理論上講，最好是每基桿塔都裝有氧化性避雷器，且每組避雷器的接地電阻都應小于10Ω才能有效的保護整條線路，但每組避雷器成本及運行維護量等實際情況考慮是比較能以實現(xiàn)的，目前每組氧化性避雷器單價一般為360元，接地系統(tǒng)一般為12000元（包括工時費），安裝我局10kV架空線路142條，平均每條線路桿塔估算按50基計算，全部運用氧化性避雷器的費用為8775.6萬元，改造費用過高且維護量增大，從經(jīng)濟性角度考慮是入不付出的。如用帶有阻雷體的多功能防雷器與氧化性避雷器合理組合使用，按整條線路進行防雷計算，帶有阻雷體的多功能防雷器單價為：490元（其具備線路絕緣子及避雷器的功能，用于非耐張桿），現(xiàn)假設50基桿塔中直線塔為35基桿塔使用多功能防雷器，其余采用氧化鋅避雷器，則可計算得：15×142×（360+12000）=2632.68萬元，35×142×（490+5000-6×70）=2519.79萬元，總費用為5152.47萬元，可減少3623.13萬的投資。

四、結論

雷擊引起的斷線和跳閘是架空線路特有的問題，一直是供電部門極為關注的大事，采用多功能防雷器與氧化性避雷器綜合使用的方式進行架空線防雷不但可以大大減少斷線的跳閘事故，而且能減少配網(wǎng)線路防雷改造的資金投入。

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袁帥（1986—），湖北武漢人，三峽電力職業(yè)學院助理講師，主要從事線路方面的研究。