配网10KV架空线路综合防雷方案浅析

2012-07-12三峡电力职业学院

电子世界 2012年13期

三峡电力职业学院袁帅

配网10KV架空线路综合防雷方案浅析

三峡电力职业学院袁帅

雷电对10kV绝缘架空线路有很大的危害性，配电网防雷的目的是避免雷击断线，并使线路因雷击跳闸的次数减少到最低限度、达到配电线路设备的损害几率最小。本报告从技术上的可行性与经济上的合理性，提出防止绝缘导线雷击断线、跳闸的措施，将雷击事故减少到可以接受的程度，以保证供电的可靠性与经济性。

配网；架空线路；防雷方案

自1752年富兰克林利用风筝引雷，并发明避雷针后，人们意识到避雷针实际上就是引雷针，引导雷电通过避雷针进行放电，并让雷电流沿避雷针的接地引下线入地泄放。随着大量的研究试验以及长期的运行经验表明，避雷针的保护范围有限，不能用于架空线的防雷保护。

一、综合防雷方案比较

方案一：在架空线上方架设避雷线。其原理是引雷，但由于存在绕击因素，架空避雷线往往不能完全把雷电引到避雷线上，导致受其保护的架空线仍有可能遭受雷击。

方案二：架空导线上直接安装避雷器。这是一种有效的防雷方法，避雷器一端与架空导线连接，另一端接地。当架空导线未遭受雷击时，避雷器是一个高电阻；当架空导线遭到雷击时，避雷器被雷电波尖峰击穿而呈低电阻，雷电流通过避雷器及与地连接的横担入地泄放，当雷电波尖峰过后，避雷器阻抗上升，架空导线与地之间恢复断开状态。

避雷器遭到雷击后，有可能损坏出现开路或短路状态。如果避雷器发生短路，可能导致架空导线通过短路的避雷器接地，造成电源跳闸；并且避雷器长期和带电架空线连接，产生的泄漏电流易使避雷器芯片老化而损坏。由于以上原因，避雷器的应用也受到了限制。

方案三：采用有间隙的避雷器。为了防止避雷器因短路损坏而造成的跳闸事故，采用有间隙的避雷器，但由于间隙小，不能从根本上克服避雷器因短路造成的跳闸。

方案四：采用防弧线夹或防雷支柱绝缘子。这是解决架空绝缘导线雷击断线最经济有效的方法，选择此类产品应注意其穿刺结构、引弧棒设计以及间隙设计，在安装时也应特别注意。

采用防弧线夹或防雷支柱绝缘子虽然能解决架空绝缘导线雷击断线，但并不能减少跳闸，主要是由于防弧线夹或防雷支柱绝缘子不能迅速断弧，必须要经过四、五个工频周期才能断弧。

方案五：采用带阻雷体的多功能防雷器与现有SC-15氧化锌避雷器结合的方式进行综合防雷。采用此方案，既可有效防止架空绝缘导线雷击断线问题，又可降低因雷击跳闸率，大大减小了雷击对线路、设备的侵害。

二、有效防雷方案分析

（一）带阻雷体的多功能防雷器

（1）原理

多功能防雷器由绝缘子、刺齿、引弧棒、阻雷体组成，其结构如图1所示。

多功能防雷器，其实质相当于一个带外间隙的避雷器，阻雷体的接雷端与引弧棒之间有空气间隙，阻雷体另一端与电杆横担直接连接。由于阻雷体与架空导线间存在空气间隙，空气间隙未被雷电击穿前，阻雷体呈高阻，当架空导线受到雷击，电位升高后，引弧棒的放电端电位也随之升高，当引弧棒放电端与阻雷体的支撑板之间的电位差达到击穿空气间隙电压值时，阻雷体导通呈低阻，雷电流通过阻雷体，并通过阻雷体的接地端泄放雷电流。此过程中阻雷体消耗了雷电的能量，因而起到防雷的作用。

表1 普通避雷针垂直布置试验结果

表2 阻雷体垂直布置试验结果

引弧棒与阻雷体之间的续流是由架空线的电位维持的，而架空线是工频电压，当电压波形过零时，不能维持续流从而导致断弧，从阻雷体的接弧到断弧的时间越短，电源端的断路器跳闸可能性就越小，并且引弧棒与阻雷体的间隙越小，接弧的作用也将越好。如果两者之间的间隙过大，阻雷体不起接弧作用，架空导线就有可能在薄弱处被雷电击断。

引弧棒与阻雷体之间的间隙距离无标准可依，此间隙设计取决于架空导线的接地制式、架空导线的额定电压、阻雷体的规格。

（2）横担接地

安装多功能防雷器的横担是否需要加设接地装置？在探讨这一问题前，我们先来了解一下10kV架空线的混凝土电杆的接地情况。

由南京师范大学吴薛红、南京工学院濮天伟、廖德利编著的《防雷与接地技术》中指出：“架空线路采用铁塔、钢筋混凝土杆时，如果发生相线与杆塔短接，会有触电的危险发生，此时应根据不同的接地系统采取相应的接地措施。”

中华人民共和国电力工业部DL/T601－1996《架空绝缘配电线路设计技术规程》的条文：

10.1 中压绝缘线路，在居民区的钢筋混凝土电杆宜接地，铁杆应接地，接地电阻均不应超过30Ω。

12.0.1 无避雷线的lkV～10kV配电线路，在居民区的钢筋混凝土电杆宜接地，金属管杆应接地，接地电阻均不宜超过30Ω。

上述规定都是从防触电考虑的，防止架空线断线后断头与电杆相接触造成混凝土电杆带电，人畜触及而发生危险。

10kV配电线路有不接地和小电阻接地两种系统，采取埋地电缆配电的10kV线路，其电源系统是小电阻接地系统，一旦发生接地短路，故障电流很大，因此混凝土电杆要求接地；采取架空配电的10kV线路，其电源系统采取不接地系统，当发生单相接地短路时，由于线路对地电容很小，因此故障电流很小，即使断路相碰及混凝土电杆，触碰该混凝土电杆也不会发生触电事故，因此电源系统采取不接地时，混凝土电杆也不接地。

虽然10kV不接地系统的架空线的混凝土电杆不要求接地，但并不反对接地。专家强调：要利用混凝土杆内的钢筋作为接地引下线。在混凝土电杆根部引出接地体或接地螺栓，接地体或接地螺栓与混凝土杆的钢筋焊接成一体，电杆的横担与接地体或接地螺栓通过杆身内部钢筋连接。应注意的是，预应力钢筋混凝土电杆不允许利用其钢筋作接地引下线，若需要接地时，应沿杆身另挂一根接地引下线。

雷云在架空线上空时，混凝土电杆不论是否接地，都会产生感应电荷，当架空线遭受雷击后，架空线与横担之间的静电电位差达到击闪电压，则空气被击穿短路，产生拉弧。雷电是瞬时的，拉弧续流能量则是架空线的电压提供的，当交流电压过零点时则可能出现断弧。

在引弧棒与横担之间串联一个阻雷体，雷击瞬间虽雷电流很大，但随着阻雷体阻抗的逐渐恢复，泄放电流将大大下降，接闪时产生的危害也大为减少。

讨论到这我们可以知道：雷云和混凝土电杆及横担的感应电荷之间的放电，与电杆是否接地无关；阻雷体能降低放电速度，减小放电电流，进而减少断路器的跳闸次数。

（3）闪络试验

在击闪回路中串连一个阻雷体后，是否会影响防雷效果？下面的闪络试验证明：击闪回路中串连阻雷体后，防雷效果更好了。

1）不串阻雷体的闪络试验

本次试验是在国网高压研究院户外冲击试验场进行的。首先把一根1.5m高的富林克林避雷针置于雷云板的下面，雷云板离地6m，如图2所示。

通过20次的试验，富兰克林避雷针两次不发生闪络，试验结果如表1所示。

根据富林克林避雷针的原理，在图2和表1的布置和试验下，击穿时间越短，避雷针的性能越好，由表1可知：最短的击穿时间为85μs，但是有两次不发生闪络，即避雷针不起作用。

2）阻雷体性能试验

为了试验阻雷体的阻雷性能，把富兰克林避雷针和阻雷体处于同一环境，如图3所示。试验结果如表2所示。

上面试验中串有阻雷体的避雷针没有发生闪络。图2中富兰克林避雷针距离雷云板距离为4.5m（6—1.5=4.5），图3中富兰克林避雷针距离雷云板距离只有4m（7.5—3.5=4），距离雷云板近了0.5m，更容易击穿闪络，但由于处在阻雷体的保护下，富兰克林避雷针只有两次发生了闪络，显然阻雷体的作用十分明显。

上述试验证明：避雷针中串接阻雷体，可降低接闪电流，不发生闪络，同时又不影响其保护作用。

阻雷体是多功能防雷器的关键部件，起到泄放架空线中的雷电流，降低击闪电流的作用，因此对架空线防雷击断线和跳闸起到极其重要的意义。

（二）氧化性避雷器

氧化性避雷器是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体非线性电阻元件，其电阻对电压较敏感，当电压达到一定数值时，电阻迅速导通。由于其良好的导雷电流功能而被广泛应用于10kV配电线路上。目前我国配网中大部分使用的是氧化锌避雷器作为线路防雷的主要手段，但由于安装接地等原因，目前还难以实现在每基杆塔上设置氧化性避雷器。

三、防雷产品的选用及经济性评价

1.防雷产品选用

目前生产防弧线夹、防雷支柱绝缘子、氧化性避雷器的厂家较多，但质量差别较大，因此应在质量达标的前提下再进行经济性比较。

（1）产品必须具有企业标准，产品供应商应提供经上级单位批准的企业标准；

（2）产品必须具有国家级测试机机构出具的试验报告；

（3）具有专利证书的产品优先考虑采用；

（4）必须具有用户报告。

2.经济性评价

目前我国配电网线路主要防雷手段为每条线路的首末两端、配网设备安装处、并根据运行情况多雷区配网线路设有避雷器，避雷器主要选用SC-15kV的氧化性避雷器，由于氧化性避雷器需要装设接地装置才能起到迅速将雷电流导入大地，减少雷电对线路、设备的损伤。从理论上讲，最好是每基杆塔都装有氧化性避雷器，且每组避雷器的接地电阻都应小于10Ω才能有效的保护整条线路，但每组避雷器成本及运行维护量等实际情况考虑是比较能以实现的，目前每组氧化性避雷器单价一般为360元，接地系统一般为12000元（包括工时费），安装我局10kV架空线路142条，平均每条线路杆塔估算按50基计算，全部运用氧化性避雷器的费用为8775.6万元，改造费用过高且维护量增大，从经济性角度考虑是入不付出的。如用带有阻雷体的多功能防雷器与氧化性避雷器合理组合使用，按整条线路进行防雷计算，带有阻雷体的多功能防雷器单价为：490元（其具备线路绝缘子及避雷器的功能，用于非耐张杆），现假设50基杆塔中直线塔为35基杆塔使用多功能防雷器，其余采用氧化锌避雷器，则可计算得：15×142×（360+12000）=2632.68万元，35×142×（490+5000-6×70）=2519.79万元，总费用为5152.47万元，可减少3623.13万的投资。