配電網架防雷措施研究

周 玲，徐一峰

（1.國網嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；2.國網蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000）

20 世紀70 年代，我國將各類2.3、3.3、5.2、6 和13.2 kV 等繁雜的中壓配電電壓統一成10 kV，極大推動了配電網的發展。隨著改革開放和經濟提升，城市配電網的建設提出了更高要求，我國部分地區結合各個地域實際情況，引入了20 kV 的配電電壓等級。雖然20 kV電壓等級的線路有著諸多優點，有效解決了當時日益增加的城市電力負荷，促進了社會供電系統的持續穩定運行。但在已建成20 kV 網架的運行來看，還存在著很多難點和問題，例如，在影響20 kV 配網網架安全運行的諸多原因之中，鳥害和雷暴災害就是其中最主要的2 個原因，20 kV 建設的推廣應用和改進完善都需要進一步論證和完善。本文主要論述目前20 kV 設備在雷季的運行情況，分析目前主要的防雷措施，得出防雷設施在實際運行中的優缺點，探討20 kV 配網已建成區域以及在建區域雷電過電壓的防治與初步解決方案，供以后的20 kV 配電網建設作參考。

1 20 kV 網架配電優點及特性

①20 kV 的配電線路供電能力成倍提高，供電半徑和供電范圍大大增加，將有效緩解城市用電負荷快速發展與配電網供電能力不足之間的矛盾。②能夠有效減小變電站布點密度、減少線路廊道，大大節約現有的土地資源。

1.1 節能降耗效益可觀

20 kV 的配電線路節能降耗效益可觀，以采用相同導線輸送相同功率電能為例，20 kV 線路可降低電能損耗75%，明顯改善客戶端的電壓質量。

1.2 節省建設投資

能夠節省建設投資，輸送同等功率，20 kV 供電線路的有色金屬耗量可減少50%，節約建設投資約40%。

1.3 用電大戶效益突出

20 kV 的配電線路用電大客戶效益十分突出，可為用電容量數百千伏安到幾萬千伏安的客戶提供靈活、經濟的接入方案，使供電能力和供電可靠性明顯提高等。

1.4 增加變電站供電能力

通過對變電站改造，可較大幅度提高變電站供電能力。通過對線路改造，20 kV 的配電線路可提高線路輸送能力，并使線路輸送能力與變電站供電能力相匹配。

2 20 kV 網架運行情況分析

國網嘉興供電公司作為國網公司20 kV 改造試點單位，自2009 年底即按國網公司批復區域對部分10 kV 線路開展了升壓改造工作。截至2011 年底，已有包括桐鄉、秀洲、海寧和嘉善等地區都有20 kV 配網設備投入正常運行。從2009 年始建的部分20 kV 設備運行至2022 年，總體情況良好，基本實現了20 kV 網架的優點和特性。但是，20 kV 電壓畢竟是配網新介入的電壓等級，在實際運行中還是產生了許多季節性的運行缺陷，尤以春季的鳥害和夏季的雷害為最。以秀洲分公司為例分析，具體見表1。

2010年底正式投運的20 kV架空線路長度為36.8 km，配變投運128 臺，容量53 710 kVA。截至2011年底共發生跳閘9 條次，雷擊引起跳閘8 條次，其中7 條次重合成功，雷擊引起合閘成功率為87.5%。綜觀20 kV 線路的運行情況，雷害是影響其正常運行的主要因素之一。但是通過采取有效的防雷措施，提高線路的重合成功率，能使雷害引起的故障損失降低到最小。

3 現有防雷設施應用及優缺點分析

目前配電網架空線路上常用的防雷措施有如下幾種：采用氧化鋅避雷器、安裝防弧金具、安裝帶間隙氧化鋅避雷器、采用絕緣橫擔、架設耦合地線或架空地線等，與接地裝置相配合達到架空線路防雷的效果。

3.1 各類氧化鋅避雷器

在配電線路上安裝避雷器來防護過電壓是最常見的防雷措施，通常與接地裝置相配合。

優點：氧化鋅避雷器是一種性能良好的防雷保護裝置，具有良好的通流容量和抑制過電壓的能力。目前多采用帶脫落裝置避雷器，易于故障脫落和查找。

缺點：只對線路的點（桿）起到防雷保護作用，而不是線段，防雷保護保護范圍小。目前20 kV 避雷器均無帶脫落裝置，不能起到故障隔離作業的作用，同時給故障查找帶來一定的難度。容易老化，需周期性對其做工頻電壓試驗，故障調換和維護成本較高。

3.2 防弧金具

主要是防止架空絕緣導線雷擊斷線用穿刺型防弧金具能定位雷電沖擊放電路徑，疏導工頻電弧弧根，起到了保護絕緣導線免于雷擊斷線的作用。目前主要安裝在變電所出口段和絕緣線支線上。

優點：防弧金具結構簡單，金具無需接地。

缺點：安裝時有損絕緣導線表面絕緣層，因20 kV絕緣導線絕緣層較厚，穿刺線路安裝工藝要求較高。安裝精度相對較高（一般間隙控制在12～15 cm 之間），同時間隙會隨著導線初伸長、弧垂的變化而變化，不能完全起到防雷引弧的作用。發生導線斷線等故障后，需對穿刺線夾等進行重新拆除和安裝，造成搶修時間延長。經濟性不夠，多回路安裝成本較大。由于防弧金具本身防雷功能較為單一，且安裝要求高，目前已逐步減少使用量。

3.3 帶間隙氧化鋅避雷器

此防雷金具是防弧金具的升級版，也是防弧金具和氧化鋅避雷器的組合體，理論上可以有效防止絕緣導線斷線和雷擊線路后的跳閘故障。

優點：結構簡單，能有效防止絕緣導線斷線，對防跳閘故障有一定作用。且避雷器在平時運行時為不帶電，使用壽命大大延長。

缺點：安裝時有損絕緣導線表面絕緣層，因20 kV絕緣導線絕緣層較厚，穿刺線路安裝工藝要求較高。安裝精度相對較高，同時間隙會隨著導線初伸長、弧垂的變化而變化，不能完全起到防雷引弧的作用。經濟性不夠，多回路安裝成本較大。

3.4 架空地線（架設耦合地線）

在保證安全距離的情況下，在絕緣導線的上方或下方架設架空（耦合）地線，使其對三相導線均起到屏蔽的作用，并通過感應避雷線的分段接地，且離絕緣導線很近，使絕緣導線附近的電磁場發生改變。當雷擊線路時，絕緣導線上感應雷電壓顯著降低，從而降低了線路的雷擊閃絡概率和絕緣導線的雷擊斷線率。

優點：能有效降低雷電的沖擊波及感應雷過電壓，降低線路雷擊故障概率。經濟性較好，成本輕，尤其是在雙回路及以上安裝避雷線成本比安裝防雷金具輕得多，且不破壞導線表面結構。每基電桿都進行有效接地，通過避雷線形成一張接地網，降低接地電阻，有效引雷入地。

缺點：對直擊雷、繞擊雷無效。對老舊線路采用此種方式安裝會降低導線高度。在新建線路上使用需采用更高一級的電桿。

3.5 絕緣橫擔

結合20 kV 線路建設，采用具有機械強度高、絕緣性能好的玻璃鋼絕緣橫擔，加大現有線路絕緣導線的線間距離和絕緣保護，以降低雷擊建弧率。

優點：若將其用作支柱絕緣子橫擔，則可顯著增加閃絡路徑，從而大幅度提高線路的耐雷水平，降低線路的建弧率而基本避免了雷擊斷線事故的發生。

缺點：新建或改造中投入成本較高，且由于絕緣橫擔長期暴露在陽光下，會降低絕緣性能，材料易老化，所以對絕緣橫擔需進行周期性調換。

4 20 kV 架空線路的防雷技術應用策略及效果分析

4.1 20 kV 架空線路的防雷措施選擇

在配網系統中，20 kV 架空線路防雷主要是防止在雷擊過電壓以后導致線路設備故障（如：架空絕緣導線雷擊斷線、用戶設備損壞及次生災害等）以及影響到上一級的電網。防止雷擊過電壓影響到上一級的電網通常有變電所內自動重合閘以及所外避雷器相配合，一般都能得到很好的解決。而要解決雷擊引起的本線設備故障通常比較困難，所以從20 kV 與10 kV 線路形式區別出發進行分析，可以得出20 kV 線路抗感應雷過電壓有所增強，同時外絕緣水平更接近于或等于35 kV線路，這給20 kV 架設架空（耦合）地線帶來有利條件，在忽略不計直擊雷的情況下，從理論上20 kV 架空地線防雷效果將要好于10 kV 架空地線，如圖1、圖2 所示。

圖1 35 kV 避雷線典型設置方式

圖2 20 kV 架空地線設置方式

同時20 kV 架空線路線間距離小于35 kV，所以經過計算單回20 kV 架空線路可以只設置一根架空地線，線路的保護角一般取20～30°。架空地線主要是起到耦合作用，在20 kV 線路遭受感應雷擊過電壓時，絕緣子所承受的過電壓為導線和架空地線之間的過電壓，小于感應雷擊過電壓，也就是說，架空地線的存在起到了一定的屏蔽作用，降低了絕緣子的過電壓水平，耦合系數越大，則導線和架空地線間絕緣子上所承受的電壓越小，可以有效防止感應雷對配電線路的危害。

耦合系數的計算：設k為導線，j為耦合地線，k′、j′為地下對稱點。進過計算耦合系數K可以達到0.387 9（數值越高越好），且架空地線安裝在頂相導線上方要稍好于安裝于頂相導線下方。可按下面公式算出

綜上所述，20 kV 防雷方面避雷器作為基本防雷措施，考慮改造成本施工難度，干線部分將以加裝架空地線為主。

4.2 20 kV 架空線路的防雷策略

4.2.1 干線部分

目前，20 kV 主干線路基本采用185、240 mm2絕緣導線，因導線的絕緣層較厚，達到6～7 mm，且按照國內現有的生產水平，導線絕緣層與導線存在一定的偏心率，一般的穿刺型避雷間隙和金具無法有效對其穿透，或者穿透過度傷及導線，因此在20 kV 主干線的架設上建議基本不使用穿刺型防雷金具。通過實踐，結合分析存在的優缺點，在20 kV 主干線上主要以架設架空避雷線（架設耦合地線）方式為主，干線上使用的設備（如柱上負荷開頭、電纜穿越）主要以在其兩側加裝20 kV 避雷器為主，加裝避雷器。

架設架空（耦合）地線時，每基電桿均需裝設接地設備，按通常的線路排列方式，同桿雙回線路利用項相橫擔或加裝頂鐵的方式，在架設導線的同時加裝架空（耦合）地線，以GJ-35 鋼絞線為佳。為起到最佳的雷擊保護效果，在對架空避雷線的安裝設計時要考慮保護角，即根據導線的排列方式，確定導線與架空避雷線的安全距離。

因每基電桿都裝設接地裝置，考慮到地形和土壤的電阻率，需要逐基對電桿的接地體進行接地電阻測量，接地電阻以不大于10 Ω 為宜。

4.2.2 支線部分

20 kV 的支線導線基本采用70～120 mm2的絕緣導線，因部分支線的檔距較短，耐張段檔數少，多為1—3檔，所以不宜采用架設架空（耦合）地線的方式（耐張段檔數多可考慮采用架空地線方式）。宜采用安裝穿刺型避雷間隙、氧化鋅避雷金具等。同時，為有效隔離雷擊引起的過電流，可在大支線開頭側安裝重合裝置，使故障隔離在支線范圍內，避免因雷擊引起整條20 kV 線路故障。因此，在20 kV 的支線上宜采用裝設帶間隙氧化鋅避雷器+帶重合斷路器為佳。

4.2.3 配電變壓器臺區部分

20 kV配變臺區防雷形式基本與10 kV相同；20 kV配變樁頭側及低壓出現側相應安裝高低壓避雷器；20 kV側安裝跌落式熔斷器，選擇合理的熔絲相配置；同時為提升接地效果建議安裝方形接地體將配變臺區圍繞。

4.2.4 絕緣橫擔部分

絕緣橫擔多以環氧樹脂為基體，無堿玻璃纖維為增強材料，經過玻璃鋼拉擠工藝成型，并經二次加工而制成，如圖3 所示。主要有良好的介電性能和很高的機械強度、便于帶電作業、具有輔助防雷功能的特點。采用絕緣橫擔可有效提高導線和電桿間的絕緣水平，減小導線遭受雷擊后的建弧率，從而整體減小絕緣導線的斷線率。

圖3 絕緣橫擔

4.3 20 kV 架空線路的防雷技術應用效果分析

嘉興市秀洲區地處雷害多發區域，每年雷暴天氣以及雷擊故障在嘉興市范圍內處在相對較高的水平。20 kV 架空線路2010 年底正式投運以來，未發生線路斷線事故，線路故障重合成功率要略高于10 kV 線路，總體故障情況在可接受范圍內。但隨著20 kV 線路的投運年限逐步增加，還有需要進一步分析上述防雷策略的效果。

4.4 遠景架空線路下地改造

20 kV 線路雖然有著較多的優點，但同時也存在一定的局限性，比如改造難度大，接地方式還不完善等，這對20 kV 線路防雷有一定的影響，所以在今后的改造中還是需要優先考慮電纜網的建設，將現有的城市20 kV 架空線路逐步下地，這樣才能使20 kV 防雷得到很好的解決。

5 結束語

隨著20 kV 配電網的推廣應用，其設備的生產制造技術將獲得長足發展。網架的安全、健康運行將受到越來越多的關注。本文對于20 kV 架空配電線路防雷技術進行初淺的分析和探討，給20 kV 架空線路的設計和建設提供部分依據。同時，也希望在不斷的總結、提升中發現更多簡便、有效的防雷措施，為20 kV 網架的優質、安全、可靠運行提供更強的保障。