基于绝缘导线雷击断线机理的防雷装置研究与应用

张孟涛 叶明友 许萌 蔡文宇 陈晓忠

摘 要：10kV架空裸导线路绝缘水平低，很容易遭受雷击引起绝缘子闪络断线事故。本文通过收集10kV架空线路的跳闸数据，现场勘察地形地貌特征，选择典型的地点进行直击雷防护措施研究。通过软件仿真计算，将各种防护装置模型嵌入到选择的线路中，提出最优的直击雷防护措施。采用一种不接地、而且老化后不影响线路安全运行、能合理的配合计数器的一种防雷装置来实施。

关键词：防雷 雷击 避雷器 防雷决策 落雷指标

中图分类号：TM863 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

1 概述

10kV架空裸导线路绝缘水平低，很容易遭受雷击引起绝缘子闪络断线事故，10kV绝缘导线容易遭受雷击断线。据有关资料的统计，浙江地区到2004年为止，雷击断线事故与雷击跳闸事故约为395次：上海地区使用绝缘导线以来，已造成近百起雷击闪络事故。国外也有资料介绍雷击断线事故约占总雷击的96.8%，雷击断线事故约占配电网绝缘事故的36.8%。以上资料表明：雷击断线事故是应用绝缘导线中最突出的一个严重问题，这引起我们的广泛注意，并积极开展对等试验研究工作，为提高供电可靠性、降低停电时间，减少雷击对电气设备的损坏，本文结合当地电网实际情况做好绝缘导线雷电防护措施是显得非常重要。

当前阶段，大多数的配电线路不具备较高的绝缘水平，不仅仅在直击雷的作用下存在安全隐患，而且在感应雷的作用下也会出现雷害事件。但是，避雷器仅仅能够保护配电设备及配电线路进出线，无法通过增加安装数量来实现其作用。如果在配电线路上增加避雷器的安装数量，不仅成本高，而且在运行维护方面存在较大困难，且一旦避雷器出现损坏，就会对配电网的正常运行产生威胁，因此，在配电网的安全运行过程中，防雷问题尤为重要。因输配电线路所经过的地形较为复杂，不管是在山区内，还是在江河、丘陵等地区，均存在较大的雷击危险。因长期运行，输配电线路上的瓷绝缘子经常变成“劣值”绝缘子，导致其绝缘效果明显减弱，加之许多山区杆塔接地的电阻均较高，导致“反击”的现象频繁发生。“反击”现象一旦发生，在雷电流与工频电流的作用下，绝缘子非常容易被炸掉，进而导致断线事件的发生。当前阶段，为达到防污闪的目的，大量应用合成绝缘子，但是此类绝缘子耐雷水平相对较差，在雷电天气，极易出现闪络。而对于硅橡胶合成绝缘子而言，因其不均匀的电位分布极易导致雷击闪络的发生。闪络发生过程中，在工频电流与雷电流的作用下，容易导致铝制金具喷铝、烧熔，对绝缘子产生严重损坏。为避免绝缘子被损坏，必须采取保护措施。在发生雷击事件时，一旦雷电流与工频电流经过绝缘子，必然会对绝缘子产生严重损坏，再加上其绝缘结构为气体与固体的交界面，容易被电场畸变与绝缘子表面污秽所影响，进而导致雷电建弧率发生一定程度的增高，甚至损坏绝缘子，进而导致线路发生跳闸现象，或发生断线等事故。

结合国内外常用的10kV绝缘导线防雷经验及措施，通过收集10kV架空线路的跳闸数据，现场勘察地形地貌特征，选择典型的地点进行直击雷防护措施研究。通过软件仿真计算，将各种防护装置模型嵌入到选择的线路中，提出最优的直击雷防护措施。采用一种不接地、而且老化后不影响线路安全运行、能合理的配合计数器的一种防雷装置来实施。根据上述综合比较，线路雷击闪络保护装置有比较好的应用价值。

雷击闪络保护装置是通过电阻片及电容层间介质、放电球隙、等电位连接金具、安装金具等元件组成。线路闪络保护装置是新一代的高科技配网线路防雷产品，里面采用非线性伏安特性良好的电阻片及脉冲电容层间介质组合而成，它是替代过去避雷器的新一代产品。

雷击闪络保护装置是该课题从事电力系统高电压专业技术人员经过大量的高电压试验及现场线路遭受雷击的机理、线路雷击断线、跳闸过程进行分析而设计的。当线路有雷击过电压达到球隙阈值电压时，球隙开始放电，引起闪络保护装置本体迅速动作，保护装置动作后将线路过电压钳到绝缘子不闪络的电压范围内，此时闪络保护装置放电线圈将雷电波头电荷短路放电，线路过电压消失后，闪络保护装置外球隙恢复到原来状态，系统正常运行。此保护装置主要用在线路防雷击断线、跳闸及其他电气设备遭受雷击的防护，此闪络保护装置不用接地装置及接地引下线高阻运行即可。

鉴于传统过电压保护装置的运行现状，线路运行人员旨在通过最新设计研发技术对传统过电压保护装置的限流元件进行技术革新，重点开展过电压保护装置中避雷器性能参数的研究、过电压保护装置中串联间隙性能参数的研究、安装过电压保护装置对限制配电线路雷电感应过电压作用的研究、过电压保护装置安装密度的研究、过电压保护装置保护效果的研究、以及架空线路雷电过电压保护装置保护性能的仿真实验，为以后雷电防护治理方案提供指导性意义。

2 主要研究内容

本研究结合山区10kV线路的普遍性特点，构建了一套基于的山区10kV线路的防雷技术的评估决策体系。

主要内容如下：

（1）基于雷电密度分布的雷害风险评估

构建雷害风险评估模型，按年度雷击密度、环境类型、雷击频度，评估线路跳闸风险，其中，把环境类型分为平地型，山谷型、山顶型、山波形；不同的环境类型给预不同的权重。

（2）基于EGM模型高程对各种杆塔进行风险评估

通过EGM高程分别对地线屏蔽弧、边相暴露弧、地面屏蔽弧进行距离计算与叠加分析，给出各杆塔的易雷击量化评估。

（3）防雷决策模型

依据雷击量化评估结果，构建基于绝缘子冲击放电限值、接地电阻阻值的防雷决策矩阵。

防雷决策矩阵包括防雷产品、安装手段、成本费用等要素

（4）基于杆塔风险评估结果对线路进行治理

结合线路风险评估与杆塔风险评估结果，查询防雷产品矩阵，给出决策方案。

3 成果推广及产业化存在的一些问题

（1）配电线路防雷突出问题主要体现在线路绝缘子雷电冲击放电电压幅值较大，绝缘水平过高，加之线路杆塔和配电变压器的接地电阻值较高，当线路遭受雷击时，雷电波在线路中得不到及时的衰减，雷电流不能有效入地，造成线路雷击跳闸事故。同时，线路绝缘子存在质量缺陷，当配电线路遭受雷电过电压时，劣质绝缘子易发生闪络、爆炸等事故，造成线路跳闸；（2） 配电线路交叉处垂直距离不足和低压接户线的防雷措施存在空白；（3） 变电站在直击雷防护方面，虽有采取避雷针这种有效的防护措施，但是避雷针接地电阻值偏高，容易造成反击事故。在雷电侵入波的防护上，由于线路和变电站的绝缘配合存在不匹配加之线路的绝缘水平过度的提高，造成高能量的雷电波在变电站才能得以完全的释放，造成主变压器和避雷器及其他设备的绝缘损坏；（4） 配电设备防雷措施存在不足，配电变压器和柱上开关仅一侧加装避雷器，造成配变和开关的绝缘击穿和线路跳闸；（5） 辅助的防雷措施如接地装置存在严重的腐蚀断裂现象，使得配电设备和杆塔“失地”，造成设备接地电阻值较大，雷击造成局部电位升高，造成雷害事故；（6） 配电网运行缺乏维护和预防性试验（如接地导通试验）有时监管不到位，造成配电网存在大量的雷害事故隐患。

参考文献

[1] 王茂成，邹洪英，吕凤文，吕永丽，王茂旭 10kV绝缘导线雷击断线机理分析和措施的研究 山东电机工程学会学术年会， 2006

[2] 陈维江，李庆峰，来小康，李国富，蔡国雄 10kV架空绝缘导线防雷击断线用防弧金具研究《电网技术》， 2002， 26（9）：25-28