文成地區雷害防護措施研究與應用

葉清泉，賴圣聰，吳旭光，湯耀景，葉明康

（1.國網文成縣供電公司，浙江 溫州 325300；2.國網溫州供電公司，浙江 溫州 325005）

1 文成基本情況介紹

1.1 文成雷電災害情況

近年來，文成縣生產總值逐年增長，第一、第二、第三產業蓬勃發展，各行業對用電的可靠性要求日益提高。但由山區雷電活動頻繁，加上山區架空線路多有跨山跨河等大跨較多，由雷擊故障引起的配電線路故障更為嚴重。文成公司在追蹤累計停電409 臺次中發現2018 年7 月24 日至2018 年7 月30 日，累計頻繁停電臺區數為101 臺，黃坦所占67 次、珊溪供電所占32 次、南田所占2 次。頻繁停電按線路分布如表1所示。

表1 2018 年文成地區停電線路情況

從如上數據可以看出，雷擊故障存在局部季節性及局部集中在部分線路的特點。再追蹤頻繁停電409臺次按原因分類為：雷擊223 臺次，占比為54.52%；運行方式（因西坑變改造負荷轉移：西湖H926 線、梧溪H846 線、西坑H844 線相互聯絡；楓龍H843 線和銅鈴H845 線聯絡），即因雷擊引起其中一條線停電導致了另一條線停電，共計112 臺次，占比27.38%；樹障35 臺次，占比為8.56%；上級電網故障34 臺次，占比為8.31%；巡視無異常5 臺次，占比為1.22%。實際雷擊影響臺區停電是81.9%，雷害是文成配電故障的主要矛盾。

圖1 停電原因分類

1.2 文成地理環境介紹

文成縣位于溫州市西部飛云江中上游，境內山巒起伏，連綿不絕，山地面積占全縣總面積的82.5%，地勢自西北向東南傾斜，全境以山地、丘陵為主，為典型山地的地貌，電網線路分布為了節省優良的耕地，大部分是沿丘陵山脊或山坡建設，如圖2 所示。

圖2 文成地形地貌圖

1.3 文成配電線路設施情況

文成縣中壓配電網共有10 kV 公用線路101 回，如毛細管般遍布全域，線路總長1 393.17 km，絕緣化率89.3%。接線方式為架空多分段單聯絡和適度聯絡為主，偏遠區域存在較多的架空單輻射線路，極易遭受雷擊損害。10 kV 公變共計1 481 臺，總容量534.74 MVA。配電網架空線路沒有架設避雷線，線路絕緣子大量使用瓷柱式絕緣子和瓷碟式耐張絕緣子串，線路絕緣水平在150 kV 左右；線路防雷手段是零星安裝有純空氣間隙防雷裝置，臺區采用5 kA 無間隙氧化鋅避雷器，部分絕緣導線安裝了串聯空氣間隙的過電壓保護裝置，線路沿線所經地形復雜、土壤電阻率變化大易遭受雷擊。

2 配電網頻發故障原因分析

2.1 配電網與輸電線路的防雷區別

輸電線路防雷研究已經很很熟，線路跳閘率明顯降低，而配電線路防雷時會照搬輸電線路防雷的經驗。但由于輸電線路與配電線路的差異如表2 所示，對于配電網防雷應針對技術特點制定差異化的防雷手段。配網需要保護的范圍很廣，要完全消除雷電事故很難，配網雷電過電壓的保護原則是盡量降低雷害事故。對于避雷器，主網避雷器主要防止地電位反擊，配網避雷器主要防護感應雷過電壓[1-2]。

2.2 配電線路感應過電壓分析

據統計，文成在配電線路的運行中90%的設備故障和線路跳閘都是感應雷過電壓引起的，而由直擊雷引起的則不足10%，應用電磁場分析計算感應雷過電壓（見圖3）。設雷擊點O 架空線正下方地C 點的水平距離為S（m）；雷電流幅值I（kA），導線離地高度為hd（m）。

圖3 感應雷過電壓計算示意圖

通過分析可得，線路感應雷過電壓公式為：

由式（1）可知，雷電感應過電壓的幅值Ug與雷電主放電電流的幅值I和導線離地高度hd成正比，與雷擊地面點至導線間的距離S成反比。文成桿塔大部分是15 m 水泥桿，計算hd取15 m，表3 為距離線路較近的不同雷電流下感應過電壓的計算結果。

文成地區大部分線路仍有使用針式絕緣子或柱式絕緣子，其絕緣耐受電壓均為150 kV 左右。當絕緣子運行時間久，瓷質絕緣子式隨著表面污穢的增加，其閃絡電壓三年下降5%左右，絕緣耐壓仍在140 kV 左右，從感應雷過電壓幅值表中可以看出，10 kV 線路發生閃絡造成故障的概率極大，防感應雷擊是文成配電線路的重點。

表2 輸電線路和配電線路雷電防護對比

表3 感應雷過電壓幅值表

3 文成配電線路典型故障

3.1 絕緣子雷擊損壞

配電線路中，因絕緣子污穢后，雷擊更容易引起閃絡，閃絡后引起線路多點接地的永久故障時有發生。有時巡線人員停電登桿仔細檢查才能發現傘裙出現不同程度破損，有微小裂縫，表面存在放電痕跡。或因為絕緣子對所支撐的線路受力不均勻時造成支撐絕緣子向一側傾斜，出現閃絡和擊穿的現象，雷擊引起的低值或零值絕緣子并不能及時更換存在各種隱患。在天氣情況良好時劣質絕緣子不會影響線路的正常運行，但是雷雨季節時，瞬時短路電流可能將引起絕緣子過熱爆炸。在文成轄區的配電網線路中，因為絕緣子閃絡或爆炸造成的事故占了相當一部分，給當地的電網線路安全運行造成了嚴重影響[3-4]。圖4 為絕緣子雷擊損壞圖。

圖4 絕緣子雷擊損壞圖

3.2 配網臺區和臺區避雷器成為薄弱環節

對文成地區配電變壓器的調研情況分析，在對配電變壓器高壓側往往安裝了無間隙避雷器，低壓側大部不安裝避雷器。部分低壓架空線路長分布范圍廣，極易遭受感應雷過電壓的影響。這樣設計的臺區，當低壓線路產生感應雷過電壓時傳導到配電變壓器的低壓側，并通過變比耦合給高壓側。這種雷電過電壓通過低壓側影響到高壓側的過程被稱為正變化過程。另又避雷器因高壓架空線路無其他保護措施，變壓器高壓側的無間隙避雷器成為線路的泄流池，這時避雷器極易過載損壞，如圖5 所示。在同時序多次雷擊中，變壓器也可能遭到絕緣擊穿。這種雷擊損壞我們稱為“逆變換”，逆變換過電壓是因為配電變壓器高壓側被雷電波侵入，引起了避雷器動作，同時在接地電阻上流過大量的沖擊電流，進而產生壓降，當這個壓降作用在低壓繞組的中性點上，使中性點電位升高，而當低壓線路較長時低壓線路就相當于波阻抗接地。通過解剖變壓器能看到變壓器擊穿往往是低壓繞組絕緣部分受損，如圖6 所示。

圖5 臺區避雷器損壞

圖6 配電變壓器內部損壞

3.3 接地引下線存在的問題

接地引下線是連接電氣設備與接地體的金屬導體。在對文成地區的調研中發現，文成地區的接地引下線存在3 個問題。第一，長期未檢查，銹腐嚴重的沒及時更換；第二，避雷器接地點與變壓器外殼及變壓器中性點沒有統一連接，導致接地引下線對雷擊電流與避雷器引線的瞬態電壓與避雷器的殘壓疊加，避雷器雖然動作，變壓器還是被擊穿；第三，接地引下線有些使用帶絕緣外皮的鉛線，鉛芯內部折斷后不易被發現，兩側連接頭易被銹蝕，個別在埋入土中與接地體連接處產生電化學腐蝕甚至斷裂，使避雷器接地線形同虛設，防雷設備沒有起到相應的保護作用[5]。

4 傳統防雷裝置效果分析

4.1 純空氣間隙型防雷裝置

復合鉗位絕緣子如圖7 所示。絕緣子根部的金具是壓接的，是靠金具與有機芯棒的彈性變形及摩擦力實現聯接的。在工頻續流電弧的灼燒下，金具會膨脹，絕緣子抗彎曲負荷能力會大大下降。同時，其型式試驗并沒做高溫度下的抗彎試驗。線路絕緣水平是絕緣子干弧距離及濕閃距離的綜合體現。而濕污閃更多地是因電場不均勻所致。防弧線夾及現有的鉗位絕緣子為了確保間隙先放電而絕緣子不閃絡，間隙必須小于絕緣子的干弧距離。這是以犧牲絕緣子干弧距離和耐雷水平為代價的。這樣線路有可能雷擊不斷線，但線路耐雷水平、耐污閃水平更低，同時雷擊跳閘率會相應的增加。

此外，帶針刺線夾的鉗位絕緣子針刺的長度公差及導線絕緣層厚度公差不易控制。這容易造成針刺未刺穿絕緣層，雷擊時仍形成針孔并斷線；或者針刺過長會夾傷導線。當然，以夾持的方式固定導線并不合理。在長期的機械力作用下，往往導線容易在夾持部位處斷裂。現有的防弧線夾如圖7 所示，使用時局部剝開絕緣層，存在眾多的密封和絕緣缺陷。長期運行后水份會沿剝離處漫漫滲入至導線內部，容易在線路弧垂最低點處積聚水份并形成電化學腐蝕，運行至六七年后會發生腐蝕斷線事故。

圖7 復合鉗位絕緣子

圖8 穿刺式防雷線夾

4.2 帶外間隙避雷器

常見的絕緣子旁并聯安裝帶外間隙避雷器（見圖9），其實是無間隙金屬氧化物避雷器高壓端加上環型電極與絕緣導線保持一個空氣間隙不與導線直接連接，保護絕緣導線。進行了大量的應用后，運行經驗表明，由于平均風力較大，尤其在每年的臺風季節，其間隙距離容易因外力因素發生改變，要么使間隙距離變大，從而防雷失效或危害絕緣子；要么使間隙距離變小和鳥鼠災害則增加線路跳閘次數。由于應用效果不佳，目前圓環電極過電壓保護器已逐步拆除。

圖9 空氣間隙避雷器

5 文成地區配網防雷措施分析

5.1 文成防雷改造技術方向

配電架空線路雷擊時，空氣被擊穿和電離，空氣變為導電，雷電流過后系統工頻電流會沿空氣電離通道而下，工頻續流進一步電離空氣，直到開關跳閘，空氣電離通道才能復合。空氣間隙存在無法熄弧的可能，使用氧化鋅電阻片才能有效限制工頻續流，從而能防雷擊斷線，降低雷擊跳閘率。為了防雷裝置運行故障不影響送電，應選用帶外串間隙的防雷裝置。為了安裝、維護方便不受風偏、鳥害、環境污染影響和使用壽命長，宜采用外串間隙避雷器、絕緣子、運行故障指示一體組合裝置[6]。

5.2 配網防雷新技術產品

采用新型防雷技術即可變比例鉗位避雷絕緣子，其實是固定外串聯間隙避雷器當絕緣子使用。在正常工作電壓下，絕緣子外套內的非線性電阻呈高電阻狀態，絕緣子頂部導線與故障狀態指示器之間是絕緣的，隔離線路工頻電壓。在雷電流下，氧化鋅失效故障狀態指示器和導線之間的空氣擊穿，非線性電阻片呈低阻狀態，雷電流通過非線性電阻片入地，非線性電阻片將雷電流的電壓限制在故障狀態指示器至絕緣子下端之間的空氣擊穿電壓以下。雷電流過后，非線性電阻片呈高阻狀態，限制工頻續流。圖10 為可變比例鉗位避雷絕緣子原理和實物圖。

圖10 可變比例鉗位避雷絕緣子原理和實物圖

5.3 應用案例

以雙桂H982 線、仰山H884 線、上塘H901 線為試點安裝可變比例鉗位避雷絕緣子，桿塔采用三相逐相安裝，線路段采用水泥桿塔自然接地沒有另設立人工接地體。截止2019 年9 月底，文成公司3 條全線更換避雷絕緣子的10 kV 線路，停電時戶數同比下降1 873.398，其中雙桂H982 線同比下降74.67%、仰山H884 線同比下降53.63%、上塘H901 線同比下降78.34%，平均下降69.19%。

圖11 文成公司3 條10 kV 安裝防雷絕緣子線路時戶數變化

6 結論

本文通過對文成地區的配網情況調研，并對配網雷擊故障的原因進行了分析，對文成地區配網架空線路和室外臺區雷害進行研究和實施防雷改造，篩選易擊線路或易擊線路段逐基逐相安裝可變比例鉗位避雷絕緣子進行試點應用。運行數據顯示，文成地區設備雷擊故障明顯下降，線路跳閘大幅度降低，安裝的避雷絕緣子桿塔附近未發生安全事故，表明避雷絕緣子采用自然接地能夠滿足防雷運行要求。避雷絕緣子線路防雷方式安裝簡單，無需裝調試，相對于眾多的傳統防雷方式更具經濟效益、更適合推廣。