基于实际雷电参数的10kV 架空绝缘线路防雷分析

何建林，张 电，刘渝根，田金虎

（1.重庆市电力公司江北供电局，重庆 401147;2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044;3.重庆市电力公司检修分公司，重庆 400039）

0 引言

架空绝缘导线以其安全、可靠、经济、建设维护方便等优势在城市配电网中得到广泛应用。但研究及实际运行经验均显示:架空绝缘导线雷击易断［1－2］。1969 ～1971 年日本全国中压配电线路，绝缘导线雷击断线率为96.8%［1］;1974～1975年两年间美国PP＆L公司所属线路50%的事故是由于雷电过电压引起的，绝缘线路共发生雷击断线事故397次［3］;重庆江北供电局2005～2007年三年间10kV架空绝缘配电线路共发生雷击事故46起，其中断线12起，雷击断线率达26.09%。

不同地区因地形、气候等条件差异，雷电活动情况、线路遭受雷击事故也有很大的差异，因此采用绝缘导线的输电线路的防雷工作，应根据线路所经地区的实际雷电活动情况结合运行经验采取有针对性的措施［4］。

笔者参考国内外现有防雷措施的成功经验，结合重庆电网雷电定位系统(LLS)收集雷电参数，分析感应过电压作用下10kV架空绝缘导线雷击闪络情况，结合线路实际运行情况，提出适合于10kV架空绝缘线路的综合防雷措施。

1 雷电参数

根据 DL/T620 －1997［5］，在过电压计算时，多雷区雷暴日为40;地面平均落雷密度为0.07次/(km2·d);年平均雷暴日大于20的地区，雷电流幅值概率分布公式为:

式中:I为雷电流幅值，kA。

架空配电线路分布广，所经地区气候条件差异很大，如不考虑线路实际经过地区的雷电活动情况，完全依照规程显然不能够全面、有效地指导线路防雷工作。

利用雷电定位系统对重庆江北供电局辖区范围内的雷电活动收集显示:2001～2007年7年间，重庆市江北区共发生落雷13938次，其中负极性落雷占93.4%。年平均雷电日数为81.9，平均每个雷电日有3.138个雷电小时，地面平均落雷密度达到了0.1104次/(km2·d)。其雷电流幅值分布直方图如图1所示。

图1 雷电流幅值分布直方图

根据雷电定位系统收集参数可以看出，重庆市江北区雷电活动强烈，超过了多雷区的一般水平，地面落雷以负极性为主。根据统计地面落雷主要集中在50kA以下，占总落雷的 83.99%;幅值超过100kA的落雷仅占3.74%。根据规程建议雷电流幅值概率分布规律，确定雷电流幅值概率分布公式为:

根据收集雷电参数通过拟合确定系数a=0.0261，b= －64.8185。由式(1)、(2)绘制雷电流幅值概率曲线如图2所示，从图中可以看出，拟合公式(2)满足雷电流概率分布规律。

图2 雷电流幅值概率曲线

2 感应过电压计算

低压配电线路由于绝缘水平低、分布广，感应过电压引起的雷害故障次数明显增加，有研究表明，10kV架空配电线路由雷击引起闪络或故障的主要因素不是直击雷过电压，而是感应雷过电压，感应雷过电压引起的雷击故障超过90%［6-7］。当雷击线路附近大地时，在输电线路三相同时产生感应过电压，往往发生两相或三相绝缘子同时闪络，而10kV配电网在单相绝缘发生闪络而短路接地时，断路器不会跳闸，只有在两相或三相同时闪络接地时，才会引起断路器跳闸。而实际断线事故中，线路一般不是一相断线，而是两相或三相同时断线，因此，引起线路断线的主要原因应是雷击线路附近大地时，在导线上产生的感应过电压使得线路绝缘发生两相或三相同时闪络而引起的［8］，10kV配电线路防雷的重点应是感应雷。

雷击导线附近大地时，当雷击点与导线水平距离S大于65m，且远大于导线高度h时，导线上的感应电压为［9］:

式中:I为雷电流幅值，kA;h为导线悬挂的平均高度，m;k为感应过电压系数，Ω。当S不满足“S＞65m，S≫h”时，导线上的感应过电压为:

感应过电压系数k的值可根据线路实测结果和模拟试验来确定，我国规程建议，当S＞65m时，取k=25Ω，前苏联则取30Ω;国内也有学者通过对试验结果进行统计分析得出取为32.1Ω［9］，本文计算时采用规程建议值。

将Ui取为绝缘子的50%雷电冲击放电电压值U50%，由式(3)可以得到引起绝缘闪络的最小雷电流幅值为:

由式(1)(2)可以得到幅值超过Imin的雷电流，击于距离导线S的位置时，引起导线绝缘闪络的概率P(Imin)。因此，每100km线路每年因感应雷作用引起绝缘闪络的次数为［10］:

式中:Smax=25hImax/U50%，m;Imax为最大雷电流幅值，kA;Td为年平均雷暴日;γ为地面平均落雷密度，次/km2·d;a、b 为系数。

3 线路雷击闪络率计算分析

根据实际统计，重庆江北供电局2001～2007年10kV架空配电线路雷击跳闸情况如表1所示，线路绝缘子主要采用P20型针式绝缘子。

表1 10kV线路雷击跳闸统计

计算条件，导线对地高度取为12m，线路绝缘子采用P20、P15针式绝缘子和PS15柱式绝缘子，其50%正、负极性雷电冲击放电电压分别为310kV和220kV、200kV 和175kV、及206kV 和145kV［10］。Imax分别取为60kA、80kA、100kA、120kA。雷电参数分别取规程规定值和实际值由式(6)有正、负极性雷击引起线路闪络概率如表2、表3所示。

根据雷电定位系统统计正极性落雷占6.6%，负极性落雷占93.4%由表2、表3可以求出每100km线路每年因雷击引起的绝缘闪络次数如表4所示。

分析比较表1～4可以看出:江北局10kV架空绝缘导线雷击跳闸率较高，年平均雷击跳闸率为5.7647次/(100km·a)，最高时达到了12.3549次/(100km·a);由于绝缘子负极性50%雷电冲击放电电压高于正极性雷电冲击放电电压，因此地面落雷为正极性时的雷击闪络率低于负极性落雷时的雷击闪络率;根据统计，地面落雷以负极性为主，因此总的线路雷击闪络率与负极性落雷时的计算结果相近。在最大雷电流均值(Imax)取为100kA，采用P20型针式绝缘子时，按规程规定的雷电参数计算得到，10kV架空绝缘导线绝缘子闪络概率与实际雷击跳闸率在同一量级上，用实测值计算得到的绝缘子闪络率约为实际跳闸率的2倍。而对于10kV配电线路引起线路雷击跳闸的条件是:雷击引起线路绝缘闪络，并建立稳定的工频电弧且形成相间短路。由于单相接地短路时线路不跳闸，因此线路雷击跳闸率n=N·η，η(小于1)为引起相间闪络建弧率，η=(4.5E0.75－14)×10－2。其中，E为跳闸在相间闪络后产生的平均电场强度，kV［1］。依照上式对P20、P15、PS15三种绝缘子的建弧率进行估算，其建弧率分别为0.4412、0.2781、0.5980，因此雷击跳闸率n应为(0.3～0.6)·N，可见本文采用实际雷电活动情况来分析计算10kV架空绝缘导线雷击闪络率比采用规程规定值计算更贴近实际情况。

表2 正极性雷击时绝缘子闪络概率计算值

表3 负极性雷击时绝缘子闪络概率计算值

表4 雷击闪络概率计算值

4 综合防雷措施

为防止10kV架空绝缘导线雷击断线，降低雷击跳闸率，目前采用的防雷措施主要有安装串联外间隙氧化锌避雷器、穿刺型防弧金具、防雷支柱绝缘子、绝缘横担等。

4.1 支柱绝缘子配合穿刺型防弧金具

近年来国内各大城市应用较多的穿刺型防弧金具，防止雷击断线效果好，而且防弧金具成本低，安装维护方便［11］。

通过雷电冲击伏秒特性试验得到FHJ型穿刺防弧金具与柱式绝缘子伏秒特性如图3所示。从图中可以看出FHJ型防弧金具能够在绝缘子闪络之前放电，从而使电弧在金具上释放能量燃烧，减少绝缘导线断线事故的发生。

图3 PS－15支柱绝缘子与FHJ型防弧金具伏秒特性

重庆江北供电局于2007年在辖区10kV易发生雷击断线线路安装支柱绝缘子配合穿刺型防弧金具120只做试验，如图4所示，经过近三年的跟踪观察，线路经历了雷雨季节的考验，没有发生一起跳闸事故，说明穿刺型防弧金具发挥了预期的作用。下一步可以根据运行经验对易发故障段线路大面积地安装防弧金具。

图4 支柱绝缘子配合穿刺型防弧金具实际应用

4.2 串联外间隙氧化锌避雷器

研究及运行经验均表明，线路普通避雷器不但能够提高直击雷作用下的线路耐雷水平，而且能够有效抑制感应过电压［12］。但是装设线路避雷器仅仅只能提高线路耐雷水平，降低雷击闪络率，不能杜绝雷击断线事故的发生，而且避雷器长期承受工作电压，容易老化。

针对线路型避雷器的这一缺陷，近年来出现了一种新型防雷保护装置，即带串联外间隙的氧化锌避雷器［13～14］，这种避雷器在正常情况下避雷器不承受工作电压的作用，避雷器寿命增长，而且检修容易，当有雷电过电压作用时，避雷器能够提高线路耐雷水平，降低绝缘闪络概率，而且外间隙起到引弧的作用，即使绝缘闪络，接续的工频电弧也不会集中在一点燃烧，防止绝缘导线断线事故的发生。即使避雷器完全老化失效，串联间隙还能起到防弧金具的作用。

保证电力系统安全、可靠运行的同时要考虑到经济成本。普通避雷器能够有效提高线路耐雷水平，但是避雷器的保护范围小，基本需要每基安装，采用带外间隙的线路避雷器弥补普通避雷器的不足，同时节约安装成本，还能防止导线雷击断线，经济效果明显。

因此，配电线路的防雷工作，根据实际运行经验在线路易击段，重要供电线路(如变电站进线段)，以及耐张杆等不适宜采用防弧金具等防雷措施的杆塔，可以通过每基杆塔安装串联外间隙氧化锌避雷器，提高线路耐雷水平并防止绝缘导线雷击断线，在其它线路段每基安装穿刺型防弧金具综合利用，能有效防止绝缘导线雷击断线。

5 结论

(1)利用雷电定位系统能够有效收集线路所经地区雷电参数，确定实际雷电活动情况，为输电线路的防雷工作提供帮助。

(2)对于10kV配电线路进行防雷计算分析时，采用线路所经地区雷电参数实测值，比规程规定值计算结果更贴近实际，能够更好的反映实际雷击跳闸情况。

(3)采用支柱绝缘子配合穿刺型防弧金具，防弧金具能够有效放电、引弧，避免绝缘子闪络及断线事故的发生。

(4)10kV架空绝缘线路防雷，可以根据线路实际情况，结合运行经验充分利用各种防雷措施，对易击段、重要线路段及不易改造的耐张杆可以每基安装串联间隙氧化锌避雷器、增加绝缘子片数;对其它线路段可以采用穿刺型防弧金具，不但能够提高供电可靠性，而且成本较低。

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