段林剛

（隴縣供電分公司 陜西隴縣 721200）

10kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線分析及防雷金具研究

段林剛

（隴縣供電分公司 陜西隴縣 721200）

絕緣導(dǎo)線的廣泛應(yīng)用致使雷擊斷線問(wèn)題成為配網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的又一難題。隨著電網(wǎng)的發(fā)展與供電可靠性高的要求，具有諸多缺陷的傳統(tǒng)“堵塞”和“疏導(dǎo)”防雷方式已不能滿足需求，本文在分析雷擊絕緣導(dǎo)線原理和國(guó)內(nèi)外絕緣導(dǎo)線防雷措施思路的基礎(chǔ)上研究了集“堵塞”和“疏導(dǎo)”于一體的防雷金具，運(yùn)行實(shí)踐表明此類防雷金具能有效控制絕緣導(dǎo)線的雷擊斷線事故。

配電線路；絕緣導(dǎo)線；雷擊斷線；防雷金具

引言

隨著配電線路建設(shè)和發(fā)展，架空裸導(dǎo)線已不能滿足配網(wǎng)對(duì)供電可靠性的要求，自1980年以來(lái)，我國(guó)廣泛采用了絕緣導(dǎo)線。絕緣導(dǎo)線是一種介于裸導(dǎo)線和電纜線路之間的配電線路[1]。與配電裸導(dǎo)線相比，絕緣導(dǎo)線解決了走廊和通道問(wèn)題，降低了樹(shù)木、鳥(niǎo)類、積雪等外因造成的線路故障發(fā)生率，提高了供電可靠性；與電纜線路相比，絕緣導(dǎo)線不需要開(kāi)挖通道，具有投資少，建設(shè)快等優(yōu)點(diǎn)。

絕緣導(dǎo)線確實(shí)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但卻存在耐雷水平低的缺點(diǎn)，難以承受直擊雷和感應(yīng)雷的作用，雷擊斷線、瓷瓶絕緣子炸毀等事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外關(guān)于運(yùn)行中的絕緣線路發(fā)生雷擊和絕緣子擊穿事故數(shù)量占其事故總數(shù)量的74.9%，雷擊斷線所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)數(shù)億美元[2]。隨著我國(guó)配電線路的絕緣化程度的提高，雷擊斷線已經(jīng)成為我國(guó)配網(wǎng)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行面臨的又一個(gè)新的難題。

針對(duì)上述情況，本文通過(guò)分析雷擊絕緣導(dǎo)線原理，綜合國(guó)內(nèi)外絕緣導(dǎo)線防雷措施思路，研究了集“堵塞”和“疏導(dǎo)”于一體的防雷金具，以FEG-12/5型防雷支柱絕緣子為例，給出了其防雷原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。此類防雷金具的部分產(chǎn)品已投入配網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行實(shí)踐表明，該類防雷金具能有效控制絕緣導(dǎo)線的雷擊斷線事故。

1 雷擊配電線路分析

線路雷擊一般可分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷指雷電直接擊中電氣設(shè)備或線路，又可分為繞擊雷和反擊雷，其具有電壓高、電流大和破壞力巨大等特點(diǎn)；感應(yīng)雷則是指雷云與大地之間的感應(yīng)電場(chǎng)、雷云對(duì)地或其他雷云放電時(shí)雷電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)等作用于線路上感應(yīng)過(guò)電壓，其大小與雷云對(duì)地放電電流大小、雷擊點(diǎn)相對(duì)位置、接地裝置電阻、環(huán)境因素等有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，感應(yīng)雷擊配電線路約占總雷擊故障比例的90%以上。在不考慮保護(hù)措施的情況下，取配電網(wǎng)架空導(dǎo)線平均高度為10m，雷擊點(diǎn)距此線路50m，雷電流幅值為100kA，感應(yīng)雷過(guò)電壓可達(dá)500kV[3]。無(wú)論直擊雷還是感應(yīng)雷，其強(qiáng)大的過(guò)電壓水平極易導(dǎo)致絕緣導(dǎo)線斷線事故的發(fā)生。

直擊雷或感應(yīng)雷過(guò)電壓作用于裸導(dǎo)線引起絕緣子閃絡(luò)，弧根溫度高達(dá)幾千攝氏度的工頻短路電流電弧將在電磁力作用下沿裸導(dǎo)線快速移動(dòng)，溫度較低的弧腹在熱應(yīng)力的作用下隨弧根沿著導(dǎo)線表面運(yùn)動(dòng)同時(shí)持續(xù)向空氣中飄浮。由于電弧裸導(dǎo)線移動(dòng)使得工頻短路電流不能集中于一點(diǎn)燃燒，同時(shí)電弧的漂浮也降低工頻短路電流的能量，因而發(fā)生導(dǎo)線斷線的概率較小。

直擊雷或感應(yīng)雷過(guò)電壓作用于絕緣導(dǎo)線引起絕緣子閃絡(luò)，短時(shí)的巨大電弧電流將絕緣導(dǎo)線的絕緣層擊穿形成針孔，不會(huì)造成導(dǎo)線斷線。由閃絡(luò)通道引起的持續(xù)的工頻短路電流由于絕緣層的存在使其沿導(dǎo)線的移動(dòng)受阻，高溫弧根將被固定在絕緣導(dǎo)線的擊穿點(diǎn)燃燒，持續(xù)的燃燒降低了導(dǎo)線的拉斷強(qiáng)度，同時(shí)在電弧電磁推力、軸向張力和拉伸應(yīng)力等綜合作用下極易發(fā)生絕緣導(dǎo)線斷線事故。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由雷擊配電絕緣導(dǎo)線分析可知，絕緣導(dǎo)線防雷擊斷線的關(guān)鍵在于工頻短路電流的控制。

發(fā)達(dá)國(guó)家配網(wǎng)采用絕緣線路的時(shí)間較早，防雷技術(shù)的研究和經(jīng)驗(yàn)也較豐富。國(guó)內(nèi)采用絕緣導(dǎo)線較晚，其雷擊斷線事故的預(yù)防措施研究近年來(lái)才引起了廣泛的關(guān)注。

綜合國(guó)內(nèi)外研究，目前防雷措施的思路主要有“堵塞”和“疏導(dǎo)”兩種方式[4]。所謂“堵塞”方式就是采取安裝帶串聯(lián)環(huán)型外間隙金屬氧化物避雷器等措施提高線路的絕緣水平，從而阻止雷擊閃絡(luò)后工頻續(xù)流起弧的方法。“堵塞”方式投資成本較大、施工安裝復(fù)雜。所謂“疏導(dǎo)”就是將絕緣子附近的導(dǎo)線局部絕緣層剝離，通過(guò)安裝閃絡(luò)保護(hù)型線夾、防護(hù)線夾和放電箝位絕緣子等設(shè)備使工頻電弧弧根轉(zhuǎn)移或固定在這些特制金具上燃燒，從而防止導(dǎo)線燒傷?！笆鑼?dǎo)”方式需剝開(kāi)絕緣層，導(dǎo)致線芯進(jìn)水和腐蝕、瓷絕緣子傘裙因燃弧燒裂、易受環(huán)網(wǎng)供電負(fù)荷側(cè)變化的影響。

3 防雷金具的研究

3.1 工作原理分析

由于依靠單純的“堵塞”或“疏導(dǎo)”方式進(jìn)行絕緣導(dǎo)線的防雷存在這一定的缺陷，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者提出了將“堵塞”和“疏導(dǎo)”兩種方式相結(jié)合的思路。

FEG-12/5型防雷支柱絕緣子是新開(kāi)發(fā)的一種組合型防雷金具，其采用先“堵塞”后“疏導(dǎo)”的思路。通過(guò)先“堵塞”方式提高導(dǎo)線的絕緣水平來(lái)減少導(dǎo)線遭受雷擊的概率和雷擊的耐雷水平，當(dāng)雷擊過(guò)電壓超過(guò)絕緣堵塞值時(shí)，再通過(guò)“疏導(dǎo)”方式將工頻短路電流釋放，防止燒傷導(dǎo)線。該類組合金具主要由復(fù)合絕緣子和引弧裝置兩部分組成，復(fù)合絕緣子主要通過(guò)提高絕緣子的放電距離來(lái)減少線路雷擊閃絡(luò)率，引弧裝置則是雷擊過(guò)電壓超過(guò)絕緣堵塞值造成閃絡(luò)時(shí)將形成短路通道以便短路電弧根部在放電間隙處燃燒。

3.2 FEG-12/5型防雷支柱絕緣子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

FEG-12/5型防雷支柱絕緣子將支柱絕緣子和防弧金具合二為一，其主要由絕緣護(hù)罩、壓緊螺母、壓塊座、移動(dòng)壓塊、上金屬帽、復(fù)合絕緣子、引弧棒、絕緣套管和下金屬腳等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FEG-12/5型防雷支柱絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可以看出，F(xiàn)EG-12/5型防雷支柱絕緣子的最大特點(diǎn)就是將引弧棒和線夾金具連接成一體。正常運(yùn)行時(shí)，復(fù)合絕緣子起架空絕緣導(dǎo)線的絕緣支撐作用，而引弧棒處于備用狀態(tài)。當(dāng)雷電過(guò)電壓超過(guò)復(fù)合絕緣子的絕緣堵塞值時(shí)，由于引弧棒和線夾金具連接成一體可使電弧沿引弧棒向下金屬腳閃絡(luò)放電，形成短路通道，使續(xù)流工頻電弧移動(dòng)到引弧棒上燒灼，從而保護(hù)絕緣導(dǎo)線不受損傷，同時(shí)也避免了其他組合金具需要根據(jù)放電間隙的要求安裝防雷金具的麻煩。其次，F(xiàn)EG-12/5型防雷支柱絕緣子的復(fù)合絕緣子較PS-15等電瓷絕緣子的絕緣性能好，并且其最小爬電距離可達(dá)360mm，提高了絕緣子的防污穢水平，可滿足廣大用戶對(duì)絕緣子的防污穢要求。此外，F(xiàn)EG-12/5型防雷支柱絕緣子的移動(dòng)壓塊和壓塊座通過(guò)燕尾方式裝配成一體，使導(dǎo)線由于熱脹冷縮等原因移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)壓塊隨之移動(dòng)，從而避免導(dǎo)線被線夾劃傷。絕緣護(hù)罩采用有機(jī)復(fù)合材料制成，具有良好的絕緣性能、抗老化性能和阻燃性能，把其裝配在上金屬帽的外部，可起到絕緣保護(hù)作用。具有穿刺式的刺齒構(gòu)造，安裝施工方便，不需剝除絕緣子導(dǎo)線絕緣層，避免線芯進(jìn)水和腐蝕，可極大地減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。防止鳥(niǎo)類對(duì)架空導(dǎo)線造成短路危害的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1 熱穩(wěn)定試驗(yàn)

熱穩(wěn)定試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)防弧金具高壓電極與絕緣導(dǎo)線穿刺接觸的通流能力是否滿足要求，試驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 熱穩(wěn)定試驗(yàn)圖

FEG-12/5型防雷支柱絕緣子將引弧棒和絕緣導(dǎo)線穿刺接觸的線夾金具連為一體，電弧流通順暢，采用熱穩(wěn)定試驗(yàn)驗(yàn)證該支柱絕緣子合格。

3.3.2 雷電沖擊放電試驗(yàn)

雷電沖擊放電試驗(yàn)主要是驗(yàn)證所有雷電沖擊放電是否均發(fā)生在引弧棒和下金屬腳間隙之上試驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 雷電沖擊放電試驗(yàn)圖

試驗(yàn)表明FEG-12/5型防雷支柱絕緣子閃絡(luò)放電均發(fā)生在引弧棒和下金屬腳間隙之上，滿足試驗(yàn)要求。

3.3.3 工頻電弧試驗(yàn)

工頻電弧試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)雷擊閃絡(luò)后工頻短路電弧的弧根能否由起弧點(diǎn)轉(zhuǎn)移并固定在引弧棒和下鋼腳間隙上燃燒，以及電極被燒蝕的程度和保護(hù)導(dǎo)線免于燒傷的效果，試驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 工頻電弧試驗(yàn)圖

試驗(yàn)表明FEG-12/5型防雷支柱絕緣子能耐受5次左右工頻大電流電弧的燒灼。

4 結(jié)論

雷電過(guò)電壓引起的絕緣子閃絡(luò)時(shí)，雷電流電弧并不會(huì)造成架空絕緣線路雷擊斷線，雷擊斷線的主要原因是工頻續(xù)流電弧在擊穿點(diǎn)的持續(xù)燃燒。

通過(guò)“堵塞”和“疏導(dǎo)”兩種方式控制工頻短路電流的思路各有優(yōu)缺，將兩種方式相結(jié)合的絕緣導(dǎo)線防雷方式能有效控制配網(wǎng)雷擊斷線事故。

以FEG-12/5型防雷支柱絕緣子為代表的先“堵塞”后“疏導(dǎo)”組合型防雷金具，投資少，安裝施工極為方便可靠，不僅增強(qiáng)了導(dǎo)線絕緣性能，同時(shí)防雷擊斷線能力突出，適用于配網(wǎng)線路使用。

[1]李孛.10kV配電線路防雷措施研究[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009，5：32～38.

[2]王堅(jiān)敏.10kV架空絕緣導(dǎo)線防雷擊斷線裝置—穿刺型防雷金具研究[D].浙江大學(xué)，2007，5：1～4.

[3]侯牧武，曾嶸，何金良.感應(yīng)過(guò)電壓對(duì)輸電線路耐雷水平的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（12）：46～49.

[4]陳偉明.10kV架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線分析及預(yù)防[J].供用電，2005，22（5）：48～50.

TM862

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1004-7344（2016）29-0049-02

2016-9-18

段林剛（1977-），男，工程師，本科，主要從事電力生產(chǎn)運(yùn)行管理方面工作。