配电线路防雷措施及保护效果分析

福建永福电力设计股份有限公司 吴龙伟

配电网具有数量多、分布广等特征，且大部分配电线路都是暴露于室外环境下，导致配电线路遭受雷击现象时常发生。在配电线路方面存在线路电压等级低、线路总长度长、线路拓扑结构复杂等问题，此外配电线路的绝缘性较差，一旦遭受雷击线路损坏的几率较高，在雷防护方面需要引起高度重视。一旦线路直接造成雷击，在雷电流的作用下线路对地阻抗会产生巨大电位差、出现绝缘子闪络。当线路周边出现落雷，配电线出现电磁感应导致过电压会瞬间升高，致使绝缘结构被破损，引发火灾及设备损坏等一系列安全事故。

相比于发达国家，我国配电网起步较晚、建设不足，由于雷电等恶劣气候影响引发的配电网安全事故接连发生，由雷击导致跳闸率显著提高。据统计，在所有事故中由雷电引发的事故率占比50%以上，因此，加强配电线路雷电防护、保证供电系统可靠性、降低雷电带来的经济损失，是我国电力企业面临的首要问题。

1 配电线路防雷措施及保护效果分析

1.1 雷击对配电线路的影响

按雷击性质有直击雷和感应雷两种类型。直击雷即当空间电荷集中在一起形成雷电云，雷电流随空气流动遇到配电线路时在配电线路上产生过电压，通过线路经杆塔或直接经变电站设备击穿绝缘形成放电通道放电；当感应雷雷击中配电线路周边的物体时产生静电感应，导致配电线路上积累大量电荷，从而产生感应电压。雷电流击中配电线路时会产生高压效应、电流热效应和机械效应，当雷电击中线路时电压瞬间升高，高压冲击电力设备直接击穿绝缘体，致使设备发生短路、起火、爆炸等安全事故；同时电流的瞬间变大还会引发配电线路过热，致使线路熔化、引发火灾；线路被击中时，在大电流下使得配电线路间产生强大磁场力，超过了配电线路承受范围，导致线路发生损坏。

1.2 提高线路绝缘水平

提高线路绝缘水平是提升配电线路防雷性能的基础。传统绝缘材料由于本身耐候性差，导致随着时间的推移性能也逐步降低，耐雷击性能也会下降。在新材料、新技术的高速发展下，配电线路的绝缘水平得到显著提升。芳纶复合材料就就是一种代表性的新型材料，芳纶是一种高性能的合成纤维，具有轻质、高强、热持久稳定、耐酸、耐强特性，还有优异的阻燃性和电气绝缘性能，极限氧指数大于29%，制备的绝缘纸击穿电压可高达100000V/mm。

现阶段，配电线路的横担型式及性能特点如下：铁横担+绝缘子。主要由铁横担和各种绝缘子组合而成，具有通用性强特征，适用于大多地形以及不同类型的杆塔，不足之处是绝缘水平较低，抗雷水平低。

玻璃纤维复合材料横担。主要由玻璃纤维与树脂复合而成，具有高强、电绝缘、防腐蚀等特性，但存在的问题是重量大、难安装、通用性不强，目前只能用于直线杆塔上，局限性大；芳纶复合材料横担。具有高强、耐高温、轻质等特点，有效弥补玻璃纤维复合材料横担的不足，还方便带电作业。

通过将芳纶复合材料横担应用于实际工程中，可提高在配电线路上的绝缘水平，有效解决高污染区域绝缘子闪络问题。沿海城市属绝缘子闪络高发区，通过利用芳纶复合材料横担可显著提高绝缘水平，完善防雷措施。同时，配电线路采用复合材料绝缘横担，使得绝缘距离、线间距均增大，为开展带电作业提供了有利条件，极大地保证了施工人员的安全性。

1.3 线路避雷器保护分析

对雷害较重地区已基本采用安装线路避雷器方式来进行配电线路的雷电防护，利用避雷器电阻的非线性特性来对绝缘子串进行保护，降低雷击跳阐率。线路避雷器的安装方式对防雷效果有重要影响，其与杆塔绝缘子串的并联安装方式主要有三种：雷电过电压先作用于线路避雷器，再作用于杆塔绝缘子串；雷电过电压同时作用于线路避雷器和杆塔绝缘子串；雷电过电压先作用于杆塔绝缘子串后作用于线路避雷器。由于杆塔自身条件会限制避雷器的安装方式，在实际工程中大多会选择第三种安装方式。其中，线路避雷器与杆塔绝缘子串并联距离通常在1~3m左右。该种方式存在的问题是，当雷电直击杆塔或绕击导线时，对于波头陡度较高的雷电过电压极易导致直接造成杆塔绝缘子串闪络，降低避雷器保护效果甚至丧失保护功能。

一直以来避雷器绝缘配合问题是关键问题，现阶段大多配电网中避雷器与绝缘子通常是独立设计、安装，因此在应用过程中暴露出许多问题。研究人员展开了新型防雷复合绝缘子的研究设计工作，主要是通过在内部放置氧化锌材料改变其电场分布，其抗弯性能可达3kN，满足实际运行要求（2.38kN），还通过模拟仿真对防雷性能进行了分析，通过幅值65kA波形4/10μs电流冲击复合绝缘子，当雷击于距离杆塔65m处时，其最大耐受直击雷为-35kA、感应雷为-147kA。

1.4 避雷线保护分析

架设避雷线是目前电力系统中应用较多的一项防雷技术，避雷线材料多采用铝包钢绞线和钢绞线，避雷线的主要作用是通过线→杆塔→大地释放电荷，安装避雷线是降低配电线路面遭受雷电冲击的重要防护措施。

在架设避雷线工程中保护角的设计十分关键，通常保护角的确定范围是要根据保护角与雷电绕击率间的关系确定，首先，保证导线的最低处距离地面不小于6.5m，避雷线架设高度要保证导线与避雷线满足足够的电气安全距离。以10kV的配电线路为例，当增大避雷线的保护角耦合系数随之提高，线路的耐雷水平也得到了一定的提升，但增大保护角又会增加雷电绕击的概率，增大了绝缘导线遭受雷击的概率，因此要科学设置保护角，过大或过小都不利于提高整体防雷效果。

避雷线安装完成后要还要做好定期安全检查工作，检查避雷线是否存在绣蚀、断丝现象，若避雷线弛度过大还需重新拉紧，同时要做好接地电阻的检测工作，要保证接地电阻值小于10Ω，保证避雷线起到良好的防雷作用。

2 防雷措施保护效果因素分析

2.1 外部环境因素的影响

在分析防雷措施保护效果时还要考虑到外部环境因素影响，通常环境条件不同时防雷效果方面也存在一定的差异。配电线路在遇到雷电袭击时，环境因素是雷电过电压类别的主要决定者。通常架空线路的高度都在十米左右，当线路所处周边环境有大量植物或较高的建筑物时，雷电不易直接击中线路或杆塔，大多数故障都是由于感应雷过电压造成，鉴于此，可通过从考虑阻挡感应雷过电压的方面开着手开展防雷保护工作，如可在适宜位置安装避雷器减小跳闸率。但当线路位于山区地带时周边不存在高层建筑物，这就会加大线路落雷的几率，针对该问题可通过强化线路绝缘、设置避雷线等办法来提升线路防雷保护能力。

2.2 土壤电阻率和杆塔接地电阻的影响

土壤电阻率大小是影响接地电阻的关键因素，通常土壤电阻率偏大接地电阻也会较大，当线路周边土壤电阻率偏大时感应雷过电压就会增高，耐雷水平也会降低，加大了跳闸率。通过安装避雷器来限制感应雷过电压，仅能解决对应位置的绝缘子闪络问题，其余未安装避雷器位置处的绝缘子依然易发生闪络，对于未装避雷器的杆塔上，当接地电阻大于10Ω时也会发生绝缘子闪络，如接地电阻较大时可通过适当增大避雷器的安装密度来进行弥补、或是采取有效措施来降低接地电阻，如向土壤环境中添加降阻剂、利用自然接地体、人工换土或利用石墨烯等新型材料来降低接地电阻。可见，在进行线路壁避雷器设置及架设避雷线的过程中，合理控制杆塔接地电阻尤为重要。

2.3 配电线路防雷措施改进意见及建议

对配电线路进行防雷设计时，对于位于特殊区域易遭受雷电强度大、直击雷害较为严重的线路杆塔，可考虑在其雷电绕击侧边相导线或两边相导线安装线路避雷器，防止直击雷危害线路。线路避雷器要采用科学的安装方式，可借助计算机技术做好前期设计工作，确定合适的安装数量和适宜的安装位置，在选择线路避雷器时还要考虑落雷密度、能量吸收能力、路避雷器自身的重量、覆冰重量等，不单是向以往凭借工程经验大量选取单一类型的防雷装置，应从防雷性能和技术经济两方面着手考虑，科学安装防雷装置。

积极将新材料、新技术、新装置应用于配电线路防雷工程中，考虑将新型防雷复合绝缘子应用于防雷设计中；同时采用高效降阻新技术，科学运用石墨烯等高性能材料来降低接地电阻，以期发挥高效、持久的降阻作用。

3 结语

做好配电线路的防雷保护工作是保证电力系统安全稳定运行的基础，是保证社会安定有序运行的关键，电力企业应高度重视配电线路的安全性，做好线路的雷电防护工作，结合工程实际情况，有针对性的采用适宜的防雷措施。

与此同时，电力企业及相关研究机构还应在防雷设计研究方面加大研发经费的投入。一方面，在防雷评估技术方面，要对雷电参数、线路本体特征及环境因素对防雷性能影响展开系统研究；另一方面，在雷电防护措施方面，充分结合工程经验、实验验证、仿真模拟评估防雷措施的有效性；与此同时，加强新型防雷技术和材料的研发和应用，关注小型化、智能化、高压化及直流线路避雷器的开发，提升配电线路的防雷性能，助力电力系统的高质量发展。