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(國(guó)網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 615000)

0 引 言

10 kV架空絕緣導(dǎo)線與裸導(dǎo)線相比，因絕緣性能提升，線路相間安全距離縮短，可通過增加同桿架設(shè)線路回?cái)?shù)的方式有效提高線路走廊利用率。同時(shí)，絕緣導(dǎo)線還可有效緩解城市綠化中的線樹矛盾，減少環(huán)境污穢對(duì)導(dǎo)線的直接影響，降低線路接地故障率和運(yùn)維人員工作量。與電纜相比，又具有投資省、建設(shè)快的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因此在配電網(wǎng)建設(shè)中廣泛使用架空絕緣導(dǎo)線已成為主要發(fā)展方向[1]。但在實(shí)際運(yùn)行中，絕緣導(dǎo)線遭受雷擊的可能性不比裸導(dǎo)線少，且雷擊絕緣導(dǎo)線后斷線概率較高，故障查找和恢復(fù)困難，不利于供電可靠性的提升。同時(shí)，絕緣導(dǎo)線斷線后不一定會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作，在此情況下掉落的導(dǎo)線極易造成人身觸電傷害和公眾財(cái)產(chǎn)損失。因此，探究行之有效的絕緣線防雷措施對(duì)促進(jìn)配電網(wǎng)的健康發(fā)展具有非常重要的意義。

1 絕緣導(dǎo)線雷擊斷線原因分析

當(dāng)雷擊導(dǎo)線或線路附近時(shí)，直擊雷或感應(yīng)雷過電壓作用于導(dǎo)線，若該電壓超過線路的耐雷水平，將導(dǎo)致線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)[2]。雷電過電壓的持續(xù)時(shí)間很短，通常情況下只有幾十微秒，此時(shí)若閃絡(luò)電弧熄滅，則線路絕緣恢復(fù)，不會(huì)造成嚴(yán)重影響。但閃絡(luò)發(fā)生后，弧道內(nèi)因有游離電子的存在，通常情況下容易在工頻電壓作用下于閃絡(luò)通道內(nèi)持續(xù)流過短路電流，即形成工頻短路電弧，該電弧的弧根溫度達(dá)到數(shù)千攝氏度。對(duì)于裸導(dǎo)線，電弧在電磁力的作用下，弧根沿導(dǎo)線表面不斷滑移，在嚴(yán)重灼傷導(dǎo)線或絕緣子前，斷路器動(dòng)作，電弧被切斷。而對(duì)于絕緣線，因受周圍絕緣的阻凝，電弧只能在閃絡(luò)位置處(對(duì)于絕緣導(dǎo)線該位置呈針孔狀)持續(xù)燃燒，能量集中于一點(diǎn)。鋁材在高溫下強(qiáng)度低、塑性差、易產(chǎn)生裂紋，因此導(dǎo)線在自身拉力和電弧電磁力的多重作用下將在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷線。

2 絕緣導(dǎo)線防雷擊斷線措施分析

根據(jù)上述架空絕緣導(dǎo)線線路雷擊斷線機(jī)理分析可以看出，防雷擊斷線措施可考慮以下三方面：一是提升線路本身的耐雷水平，防止線路絕緣子等發(fā)生沖擊閃絡(luò)；二是降低沖擊閃絡(luò)發(fā)生后的建弧率，遏制工頻短路電弧的產(chǎn)生；三是改變電弧的灼燒路徑，使其至少不集中于一點(diǎn)灼燒導(dǎo)線。

2.1 提升線路耐雷水平

當(dāng)雷電過電壓超過線路絕緣子50%放電電壓時(shí)，絕緣子將發(fā)生閃絡(luò)。而架空導(dǎo)線上的雷電過電壓與線路高度、雷擊點(diǎn)與線路的距離、雷電參數(shù)、桿塔型式、高度和接地電阻等有關(guān)。提升線路耐雷水平，一是可采取增加絕緣子片數(shù)、更換絕緣子型號(hào)(如將瓷絕緣子更換為硅橡膠復(fù)合絕緣子等)、改善絕緣子性能等方式提升絕緣子50%放電電壓，并可通過將裸導(dǎo)線更換成為絕緣導(dǎo)線、在導(dǎo)線與絕緣子之間增加絕緣皮、將鐵橫擔(dān)更換為絕緣橫擔(dān)等方式增加線路的絕緣水平；二是可以通過架設(shè)避雷線、加裝避雷器、降低桿塔高度、改善桿塔接地電阻等方式降低導(dǎo)線上的雷電過電壓，避免絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。

架設(shè)避雷線和加裝避雷器均是希望借助避雷線和避雷器的對(duì)雷電流的分流作用，降低桿塔與導(dǎo)線之間的電位差，確保其小于絕緣子50%放電電壓而保護(hù)絕緣子不發(fā)生閃絡(luò)。避雷線對(duì)導(dǎo)線有屏蔽和耦合作用，可以有效降低導(dǎo)線的感應(yīng)過電壓[3]。但因10 kV線路本身絕緣水平設(shè)計(jì)較低，架設(shè)避雷線后線路感應(yīng)過電壓仍易導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)，防護(hù)效果沒有高電壓等級(jí)的線路防護(hù)效果好，因此除在直擊雷頻繁的區(qū)域可選擇架設(shè)避雷線外，一般原則上不采用。

相對(duì)來講，安裝避雷器是比較好的防雷措施。線路避雷器并聯(lián)在絕緣子附近，當(dāng)線路上的過電壓超過避雷器的放電電壓時(shí)，避雷器先行放電，加在絕緣子上的電壓始終被限制在避雷器的殘壓范圍，可有效防止絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，雷電流過后避雷器還能限制工頻短路電弧的產(chǎn)生，因此其具有優(yōu)越的保護(hù)性能。但避雷器的保護(hù)范圍僅為裝設(shè)避雷器的當(dāng)基桿塔，全線使用建設(shè)成本較高，且避雷器本體長(zhǎng)期工作在運(yùn)行電壓下，加上雷擊時(shí)的過電壓沖擊，容易發(fā)生老化并且不易被察覺，運(yùn)行維護(hù)難度較高。為彌補(bǔ)上述不足，出現(xiàn)了帶外間隙的氧化鋅避雷器，亦稱線路過電壓保護(hù)器(如圖1所示)。

圖1 線路過電壓保護(hù)器示意圖

避雷器只有在一定幅值的雷電過電壓作用下串聯(lián)間隙擊穿后才處于工作狀態(tài)，正常運(yùn)行時(shí)不承受工頻電壓，且因并聯(lián)了放電間隙，其絕緣外套的爬電距離可以有所減小，即可減少避雷器的閥片數(shù)量，降低造價(jià)。因串聯(lián)間隙的隔離作用，即使避雷器電阻片劣化，也不至于影響線路的正常運(yùn)行，工作可靠性較高。但在實(shí)際應(yīng)用中，因避雷器需要接地良好，敷設(shè)接地體不僅增加額外成本而且在很多場(chǎng)合難于實(shí)現(xiàn)，限制了線路過電壓保護(hù)器的應(yīng)用范圍。

此外，適當(dāng)考慮降低桿塔高度亦是降低雷電過電壓的有效方式。根據(jù)規(guī)程DL/T 620-1997[4]，在距架空線路>65 m處，雷云對(duì)地放電時(shí)，線路上產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓最大值可按下式計(jì)算。

式中，Ui為雷擊大地時(shí)感應(yīng)過電壓最大值，kV；I為雷電流幅值，kA；hc導(dǎo)線平均高度，m；s為雷擊點(diǎn)與線路的距離，m。

可見，導(dǎo)線的感應(yīng)過電壓與桿塔高度密切相關(guān)，有學(xué)者研究表明，在同等條件下，12 m的桿塔雷擊跳閘率較15 m的桿塔相比可以下降11%[5]。

2.2 降低絕緣子閃絡(luò)后的建弧率

線路絕緣發(fā)生沖擊閃絡(luò)后形成的工頻短路電弧是導(dǎo)致架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的根本原因。工頻短路電弧的產(chǎn)生與系統(tǒng)運(yùn)行方式和閃絡(luò)路徑密切相關(guān)。

工頻短路電弧的建立很大程度上依賴于系統(tǒng)電容電流的大小。當(dāng)線路絕緣子在雷擊閃絡(luò)后，若系統(tǒng)的電容電流大于絕緣子的自然熄弧值，則會(huì)形成持續(xù)的工頻短路電弧。工頻短路電弧的持續(xù)燃燒不僅會(huì)造成絕緣導(dǎo)線斷線，還因其對(duì)周圍空氣存在電離作用，降低空氣間隙的絕緣強(qiáng)度，容易使故障發(fā)展為相間短路和多回線短路，造成線路跳閘。因此，在配電網(wǎng)中采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式，對(duì)電網(wǎng)電容電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)整補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的電容電流小于絕緣子的自然熄弧值，將是控制配電網(wǎng)雷擊絕緣子閃絡(luò)后建弧率的良好方式[6]。

另一方面，通過增長(zhǎng)閃絡(luò)后的電弧放弧路徑也是降低工頻短路電弧建弧率的有效措施。俄羅斯國(guó)家電力公司就提出可以在橫擔(dān)上安裝一U形絕緣棒。在U形絕緣棒頭部將絕緣剝開，使U形絕緣棒頭部與導(dǎo)線之間空氣間隙的沖擊放電電壓比絕緣子50%放電電壓低，當(dāng)線路上出現(xiàn)雷電過電壓時(shí)，此間隙先于絕緣子擊穿閃絡(luò)，閃絡(luò)路徑由此段間隙與絕緣棒構(gòu)成，當(dāng)閃絡(luò)路徑長(zhǎng)度增至足夠長(zhǎng)時(shí)，就可阻止工頻續(xù)流建弧。但此種方式存在間隙選擇即絕緣配合難度大且不利于同桿多回線路的架設(shè)，因此應(yīng)用范圍有限。

2.3 改變電弧的灼燒路徑

絕緣導(dǎo)線斷線的原因主要是短路電弧只能集中于一點(diǎn)持續(xù)灼燒，因此如果能夠改變電弧的灼燒路徑，則絕緣導(dǎo)線的斷線概率將大大降低?；诖?，出現(xiàn)了用于改變電弧路徑的放電線夾，亦稱防弧(雷)金具，其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 防雷金具安裝示意圖

其工作原理為高壓電極與低壓電極構(gòu)成G1、G2兩個(gè)間隙，其中G1為雷電放電間隙，G2為工頻電弧燃燒間隙。在雷電沖擊過電壓的作用下，G1間隙首先放電，沖擊放電后形成的工頻短路電弧在電磁力的作用下由G1迅速移動(dòng)至G2間隙上燃燒，從而保護(hù)了絕緣導(dǎo)線免于斷線[7]。從放電線夾的工作原理可以看出，其只能防止絕緣導(dǎo)線斷線而對(duì)于降低雷擊跳閘率，作用不明顯。放電線夾還分為穿刺型和裸露型，穿刺型線夾因安裝時(shí)無(wú)須剝離絕緣導(dǎo)線絕緣層，避免了可能引起的絕緣導(dǎo)線線芯進(jìn)水，防止了導(dǎo)線弧垂處電化學(xué)腐蝕斷線事故，因此實(shí)用價(jià)值比裸露型要高?；谙嗤墓ぷ髟?，日本東京電力公司開發(fā)了放電鉗位絕緣子(防雷絕緣子)，芬蘭研發(fā)了閃絡(luò)保護(hù)懸垂線夾。其工作原理均為在絕緣導(dǎo)線固定處剝離絕緣層，并加裝特殊設(shè)計(jì)的金屬線夾。當(dāng)雷電過電壓閃絡(luò)引發(fā)工頻短路電弧后，電弧在金屬線夾兩極之間燃燒直至線路跳閘，保護(hù)了導(dǎo)體免受損傷[1]。

3 實(shí)際應(yīng)用情況分析

本單位自2009年以來開始對(duì)所轄配電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模的絕緣化改造，之后的新建配電網(wǎng)工程基本全部采用架空絕緣線與電纜混合架設(shè)方式。隨著配電網(wǎng)架空絕緣線路及電纜的增多，架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的矛盾日益突出。為確保線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行及防止因雷擊斷線導(dǎo)致的傷害事故，本單位根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件，采取了一系列措施，對(duì)配電網(wǎng)線路進(jìn)行了防雷整治。

一是公司在對(duì)10 kV配電網(wǎng)線路進(jìn)行絕緣化改造的同時(shí)，除將架空裸導(dǎo)線更換為絕緣導(dǎo)線外，還將原瓷橫擔(dān)絕緣子更換為復(fù)合絕緣子，增加了絕緣子的爬電距離，提升了線路的耐雷水平。二是對(duì)110 kV桂湖變電站等進(jìn)行了消弧線圈改造，將原有的10 kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)改為經(jīng)消弧線圈接地，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大電容電流的補(bǔ)償，降低了閃絡(luò)后的建弧率。三是在重要道路跨越處兩側(cè)，分段開關(guān)、配電變壓器電源側(cè)及電纜引下線處加裝了避雷器，同時(shí)在絕緣導(dǎo)線每基桿塔進(jìn)行了防雷金具安裝。實(shí)際運(yùn)行情況表明，上述措施有效降低了配電網(wǎng)雷擊故障跳閘率及斷線概率。

表1為某單位近4年10 kV配電網(wǎng)線路雷擊跳閘次數(shù)統(tǒng)計(jì)值。

表1 新都10 kV配電網(wǎng)線路雷擊跳閘次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

* 數(shù)據(jù)采自“四川電網(wǎng)雷電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”

從表1中可以看出，2013年新都地區(qū)總雷電數(shù)與2010年基本相當(dāng)，但雷擊跳閘次數(shù)和斷線次數(shù)在線路總條數(shù)增加35%的情況下分別下降了58.1%和33.3%。

在2013年發(fā)生的斷線事故中，未安裝防雷金具的占兩起，斷線處防雷金具安裝質(zhì)量不合格的占三起。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，防雷金具作為防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的最后一道屏障，應(yīng)用效果還是比較明顯的。絕緣導(dǎo)線安裝了防雷金具后仍然發(fā)生雷擊斷線事故，主要還是因?yàn)榉览捉鹁叩陌惭b工藝不滿足要求引起。在防雷金具安裝質(zhì)量不合格的三起斷線事故中，一起是因?yàn)榉览捉鹁甙惭b在了絕緣子的電源側(cè)，而另兩起存在防雷金具安裝時(shí)穿刺線夾未完全刺透絕緣層，高壓電極與導(dǎo)線接觸不充分以及防雷金具高低壓電極之間的間隙距離過大等問題。

回到防雷金具的工作原理可以看出，其安裝過程中需要注意的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)至少包括以下3點(diǎn)：一是高低壓電極之間的距離即G1間隙要與絕緣子的閃絡(luò)電壓良好配合，既要保證其先于絕緣子放電又不能在正常過電壓作用下發(fā)生閃絡(luò)，廠家附帶的產(chǎn)品說明書中會(huì)根據(jù)絕緣子型號(hào)對(duì)該間隙給出推薦數(shù)值，一般為125～180 mm。二是G1、G2間隙的排列方向應(yīng)為電源側(cè)到負(fù)荷側(cè)的方向(即防雷金具應(yīng)安裝于線路絕緣子的負(fù)荷側(cè))，因?yàn)殡娀≡陔妱?dòng)力作用下，是由電源側(cè)向負(fù)荷側(cè)移動(dòng)，若安裝方向相反，電弧在電動(dòng)力作用下依然會(huì)集中灼燒導(dǎo)線。三是對(duì)于穿刺型防雷金具，安裝時(shí)一定要對(duì)稱擰緊壓力螺母(對(duì)有備緊螺母的還應(yīng)擰緊備緊螺母以防止壓力螺母松動(dòng))，使穿刺線夾刺透絕緣層后與高壓導(dǎo)線形成良好接觸，達(dá)到足夠的導(dǎo)流截面，才能對(duì)電弧起到良好的疏導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

綜上所述，從實(shí)際運(yùn)行角度出發(fā)，10 kV架空絕緣導(dǎo)線防雷擊斷線措施：一是進(jìn)行絕緣子改造，選用具有高放電電壓的絕緣子，提升線路本身耐雷水平，降低線路遭受雷擊后的絕緣子閃絡(luò)概率；二是在電纜線路較多，系統(tǒng)電容電流較大的變電站改用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式，降低絕緣子閃絡(luò)后的工頻短路電弧建弧率；三是除在特殊重點(diǎn)部位進(jìn)行避雷器安裝外，在絕緣導(dǎo)線其余桿塔上應(yīng)逐基加裝防雷金具，并且在安裝過程中嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，確保防雷金具發(fā)揮應(yīng)有作用。

[1] 章偉.10 kV 架空配電線路防雷措施研究與應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué),2012.

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[3] 陳俊,施中郎.10 kV 架空絕緣導(dǎo)線防雷措施[J].電力設(shè)備,2007,8(8):51-55.

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[7] 李景祿.配電網(wǎng)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償消弧裝置[J].高壓電器,1999,35(5):42-44.