淺談10kV架空配電線路的防雷保護

洪雪燕+洪澤均

【摘 要】10kV架空配電線路電壓等級低，防雷方面和輸電線路有很大的不同。本文介紹了10kV架空配電線路的防雷措施

【關鍵詞】10kV架空線路；雷害；防雷；氧化鋅避雷器

引言

10kV的配電線路，由于電壓等級低，絕緣裕度高、線路短、地處市區或城郊，受高大建筑的屏蔽，遭受直擊雷的概率比較低，一般不采取特殊的防雷措施。但是，若在山區或曠野等雷電活動特別強烈的地帶，線路遭受雷擊的幾率高，可能造成絕緣子擊穿和導線燒斷事故，這時應根據實際情況，采取相應的防雷措施來減少雷害。

1.10kV架空配電線路

10kV架空配電線路有架空裸導線和架空絕緣導線。架空配電線路采用絕緣導線，與裸導線相比，可以減小相間距離，防止相間短路，減少線路走廊，安全性比較好。與電纜相比，投資省、建設快，優點特別明顯。但是，絕緣導線也有缺點，就是雷擊斷線問題。有關資料表明，絕緣導線在運行中，其總故障數為裸導線故障總數的15.3%，故障數大幅下降；其中絕緣導線雷擊事故占總事故數的36.8%，而雷擊斷線率為96.8%。因此，架空絕緣導線雷擊斷線問題是影響配電網安全運行的主要因素。

架空絕緣導線雷擊斷線機理：架空絕緣線遭雷擊時，雷電過電壓導致導線絕緣層擊穿，擊穿通道通常只有針孔大，但是，當雷電擊穿通道轉為工頻續弧，由于工頻續流的能量大，且由于絕緣層的阻礙作用，工頻續弧不會在導線表面滑動，而是固定在擊穿點燃燒，高溫弧根導致導線在斷路器跳閘前熔斷，熔斷點通常在距離線路絕緣子兩端30cm的距離內，因為這里的電場最強。

2.架空配電線路的雷害

架空配電線路的雷害有兩方面。

一方面是雷直擊導線的直擊雷。雷直擊導線時，產生的直擊雷過電壓由公式U=100I計算，I為雷電流幅值。10kV線路絕緣的沖擊耐壓按U50%=100kV來計算，則其耐雷水平的計算I=U50%/100=100/100=1kA，按我國大部分地區雷電流概率分布為lgP=-I/88的公式計算，出現雷電流I≥1kA的概率P=97.4%，也就是說，如果雷直擊10kV線路，100次的雷擊，10kV架空配電線路絕緣閃絡的概率高達97.4%。

另一方面為感應雷過電壓。雷擊線路附近的物體或雷擊線路桿塔，由于電磁感應和靜電感應，在線路上感應出的過電壓稱感應雷過電壓。當雷電流I=20kA時，感應雷過電壓的計算公式U=Ih/2.6，假設雷電流為I=20kA，桿塔高度h=15m，則感應雷過電壓為U=115kV，超過10kV線路的沖擊耐壓水平100kV，線路絕緣會發生閃絡。按照lgP=-I/88的公式計算，當I≥20kA時，P=53%，也就是說，10kV線路遭到感應雷時，線路絕緣閃絡的概率大約為53%。

線路附近閃電在配電線路上感應的過電壓多數小于300kV。屏蔽物體（如樹和建筑物）的高度和離配電線路的距離將影響線路感應雷過電壓的大小。

3.架空配電線路防雷害的措施

架空配電線路在防直擊雷方面，不架設避雷線，因為配電線路絕緣水平低，如果架設避雷線后，避雷線遭雷擊后容易反擊，防雷效果不好，況且架設避雷線成本太高。配電線路在防雷方面，主要采取以下措施：

（1）提高線路的絕緣水平

從感應過電壓的數值分析結果知道，提高絕緣子的50%放電電壓，能大大提高線路的耐雷水平，降低雷擊跳閘率，因此建議更換針式支柱絕緣子為柱式支柱絕緣子或采用ZC-185、SC-185瓷橫擔；嘗試使用硅橡膠合成絕緣子。加強局部絕緣（如增加絕緣導線的厚度）。

（2）降低桿塔接地電阻

當雷擊桿塔時，雷電流經桿塔接地電阻流入大地，如果桿塔接地電阻高，雷電流在電阻上的壓降大，使桿塔絕緣子壓降增大，造成反擊。

如果是線路避雷器動作，雷電流經桿塔接地電阻入地，如果桿塔接地電阻過大，雷電流在接地電阻上的壓降太大，使得導線電位升高，線路絕緣子壓降增大，造成閃絡。所以降低桿塔接地電阻可以提高線路絕緣的耐雷水平，減小線路雷擊跳閘率。

在土壤電阻率低的地區，應充分利用鐵塔、鋼筋混凝土桿的自然接地電阻。在土壤電阻率高的地區，當采用一般措施難以降低接地電阻時，可用多根放射形接地體，將接地電阻降低到30Ω以下。

（3）中性點不接地或經消弧線圈接地

在雷電活動強烈、接地電阻又難以降低的地區，中性點采用不接地或經消弧線圈接地，消弧線圈可以抵消大部分單相接地電流，當接地電流小于發弧電流時，接地電弧會自動熄滅，故障消除。在兩相或三相受雷時，雷擊引起第一相閃絡并不會引起跳閘，先閃絡的導線相當于地線，增加了分流和對未閃絡相的耦合作用，使未閃絡相絕緣上的電壓下降，從而提高了線路的耐雷水平。

因此，10kV架空線常采用三角形排列，頂相做保護線。

（4）線路絕緣子上安裝氧化鋅避雷器

氧化鋅避雷器的工作原理：氧化鋅避雷器和線路絕緣子并聯，當線路正常工作時，氧化鋅避雷器閥片電阻阻值很大，相當于絕緣體，避雷器的存在對線路運行沒影響；氧化鋅避雷器閥片對電壓敏感，當線路電壓大于閥片起始動作電壓（即U1mA，10kV系統氧化鋅避雷器U1mA大約為25kV）時，閥片電阻驟降，閥片導通，把雷電流引入其接地裝置，并通過其接地裝置向大地泄流，使線路絕緣子壓降降低，保護線路絕緣。當雷電過電壓降到起始動作電壓以下，閥片又截止，恢復絕緣狀態，沒有工頻續流。

氧化鋅避雷器的閥片比傳統的SiC閥片有更好的非線性，如圖所示，閥片在中電場區域非線性系數只有0.015～0.05，比SiC避雷器的0.2小得多，這使得氧化鋅避雷器在通過的雷電流變化比較大的區域內保持較穩定、較低的殘壓，保護效果較好。

4.帶外間隙氧化鋅避雷器在架空配電線路上的使用endprint

配電線路防雷方面，比起架設避雷線或降低桿塔接地電阻，裝設氧化鋅避雷器成本要低得多，因此裝設氧化鋅避雷器是配電線路的主要防雷措施之一。

氧化鋅避雷器有帶間隙和不帶間隙兩種，不帶間隙的氧化鋅避雷器，長期在系統工作電壓的作用下，容易老化，閥片如果密封不嚴會受潮，工作電壓下的泄漏電流有功分量產生有功損耗，都會導致閥片劣化。無間隙氧化鋅避雷器由于避雷器質量問題或老化，雷擊或過電壓后擊穿，導致線路失地，該類型故障難以查找發現。所以線路上使用的氧化鋅避雷器大都是帶間隙的。

帶外串聯間隙的氧化鋅避雷器，在線路正常工作的情況下，外間隙可以起到隔離工作電壓和閥片的作用。當線路過電壓超過外間隙的擊穿電壓加上避雷器的起始動作電壓（即U1mA）時，外串聯間隙擊穿，同時避雷器導通，把雷電流引入其接地裝置，此時線路的電壓等于避雷器的殘壓，當避雷器的殘壓小于線路絕緣的閃絡電壓，線路絕緣得到保護。

串聯外間隙的氧化鋅避雷器其U50%是外間隙的U50%和閥片的U1mA的和，其數值不應低于系統的操作過電壓和暫時過電壓。

10kV架空導線加裝避雷器的基本原則：

（1）對于雷擊跳閘率較高的架空裸導線的直線桿，安裝以高壓導線為電極的外串聯間隙避雷器，或安裝帶高壓金具電極的外串聯間隙避雷器。

（2）對于雷擊跳閘率較高的絕緣導線的直線桿，安裝穿刺電極帶外串聯間隙的氧化鋅避雷器。當雷電引起絕緣閃絡時，接續的工頻短路電流電弧的弧根固定在穿刺電極上燃燒，直至線路斷路器跳閘以熄滅工頻續流，從而避免燒傷絕緣子和熔斷絕緣導線。

（3）對于裸導線或絕緣導線的耐張桿，宜裝設帶支撐件的外串聯間隙氧化鋅避雷器。

（4）對于安裝帶串聯間隙有困難的個別桿塔，可安裝無間隙的氧化鋅避雷器，但應配脫離器，以便在避雷器損壞時自動脫落，防止對線路運行造成影響。

（5）氧化鋅避雷器應安裝在線路絕緣子的負荷側，為達到較好的防雷效果，應該整條線路的每基桿塔的每一相都要安裝。

（6）對于既有線路，除配電變壓器、電纜頭，線路開關兩側的桿塔要裝設人工接地裝置（接地電阻不大于30Ω）外，其他電桿可以不裝人工接地裝置。新建的線路桿塔要裝設人工接地裝置，且接地裝置要引出接地端子。

5.泉州供電公司直供區配電線路的防雷

2014年～2015年泉州供電公司直供區配網雷擊故障情況如表1：

直供區2014年雷擊故障102次，涉及60回饋線，架空線路雷擊故障率5.01次/百公里，雷擊故障率最高為洛江8.3次/百公里，最低為泉港2.48次/百公里。

直供區2015年1-6月雷擊故障41次，涉及31回饋線，架空線路雷擊故障率2.01次/百公里，雷擊故障率最高為洛江3.79次/百公里，最低為泉港0.99次/百公里。

直供區雷擊故障主要發生在洛江片區，約占直供區雷擊故障一半。

存在問題：泉港土嶺片區地形與洛江相似，但架空線路雷擊故障率相比洛江及其他區域低。

主要原因：泉港架空線路瓷瓶已全部改造為瓷橫擔或柱式瓶，線路按照3～5根桿加裝一組避雷器。其他洛江、清濛、城區架空線路仍然存在PQ-15T、P-10T老舊瓷瓶，這些瓷瓶外部帶電部位與中心鐵腳絕緣層間距小，雷擊后瓷瓶易擊穿。除此，線路防雷設施不足，雷擊后線路易跳閘。部分線路避雷器接地電阻不符合要求，避雷器無法起到保護作用。

從以上的分析可知，配電線路采用加強絕緣，安裝帶外間隙的氧化鋅避雷器，降低桿塔接地電阻，都有明顯的防雷效果。

6.結束語

福建省地處東南沿海，是雷電活動的高發區，10kV配電網主要承擔面向用戶輸送電能的任務，該網絡經過的地區復雜多樣，防雷設置應該根據不同地區的雷電活動情況，綜合采取防雷措施，不斷積累防雷經驗，把架空線路的雷害降低到可接受的水平。

參考文獻：

[1]洪雪燕、林建軍、王富勇編. 安全用電. 中國電力出版社，2008

[2]張力主編. 高電壓技術. 中國電力出版社，2008

[3]張紅等主編. 高電壓技術. 中國電力出版社，2006endprint