配电网架防雷措施研究

周 玲，徐一峰

（1.国网嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000；2.国网苏州供电公司，江苏 苏州 215000）

20 世纪70 年代，我国将各类2.3、3.3、5.2、6 和13.2 kV 等繁杂的中压配电电压统一成10 kV，极大推动了配电网的发展。随着改革开放和经济提升，城市配电网的建设提出了更高要求，我国部分地区结合各个地域实际情况，引入了20 kV 的配电电压等级。虽然20 kV电压等级的线路有着诸多优点，有效解决了当时日益增加的城市电力负荷，促进了社会供电系统的持续稳定运行。但在已建成20 kV 网架的运行来看，还存在着很多难点和问题，例如，在影响20 kV 配网网架安全运行的诸多原因之中，鸟害和雷暴灾害就是其中最主要的2 个原因，20 kV 建设的推广应用和改进完善都需要进一步论证和完善。本文主要论述目前20 kV 设备在雷季的运行情况，分析目前主要的防雷措施，得出防雷设施在实际运行中的优缺点，探讨20 kV 配网已建成区域以及在建区域雷电过电压的防治与初步解决方案，供以后的20 kV 配电网建设作参考。

1 20 kV 网架配电优点及特性

①20 kV 的配电线路供电能力成倍提高，供电半径和供电范围大大增加，将有效缓解城市用电负荷快速发展与配电网供电能力不足之间的矛盾。②能够有效减小变电站布点密度、减少线路廊道，大大节约现有的土地资源。

1.1 节能降耗效益可观

20 kV 的配电线路节能降耗效益可观，以采用相同导线输送相同功率电能为例，20 kV 线路可降低电能损耗75%，明显改善客户端的电压质量。

1.2 节省建设投资

能够节省建设投资，输送同等功率，20 kV 供电线路的有色金属耗量可减少50%，节约建设投资约40%。

1.3 用电大户效益突出

20 kV 的配电线路用电大客户效益十分突出，可为用电容量数百千伏安到几万千伏安的客户提供灵活、经济的接入方案，使供电能力和供电可靠性明显提高等。

1.4 增加变电站供电能力

通过对变电站改造，可较大幅度提高变电站供电能力。通过对线路改造，20 kV 的配电线路可提高线路输送能力，并使线路输送能力与变电站供电能力相匹配。

2 20 kV 网架运行情况分析

国网嘉兴供电公司作为国网公司20 kV 改造试点单位，自2009 年底即按国网公司批复区域对部分10 kV 线路开展了升压改造工作。截至2011 年底，已有包括桐乡、秀洲、海宁和嘉善等地区都有20 kV 配网设备投入正常运行。从2009 年始建的部分20 kV 设备运行至2022 年，总体情况良好，基本实现了20 kV 网架的优点和特性。但是，20 kV 电压毕竟是配网新介入的电压等级，在实际运行中还是产生了许多季节性的运行缺陷，尤以春季的鸟害和夏季的雷害为最。以秀洲分公司为例分析，具体见表1。

2010年底正式投运的20 kV架空线路长度为36.8 km，配变投运128 台，容量53 710 kVA。截至2011年底共发生跳闸9 条次，雷击引起跳闸8 条次，其中7 条次重合成功，雷击引起合闸成功率为87.5%。综观20 kV 线路的运行情况，雷害是影响其正常运行的主要因素之一。但是通过采取有效的防雷措施，提高线路的重合成功率，能使雷害引起的故障损失降低到最小。

3 现有防雷设施应用及优缺点分析

目前配电网架空线路上常用的防雷措施有如下几种：采用氧化锌避雷器、安装防弧金具、安装带间隙氧化锌避雷器、采用绝缘横担、架设耦合地线或架空地线等，与接地装置相配合达到架空线路防雷的效果。

3.1 各类氧化锌避雷器

在配电线路上安装避雷器来防护过电压是最常见的防雷措施，通常与接地装置相配合。

优点：氧化锌避雷器是一种性能良好的防雷保护装置，具有良好的通流容量和抑制过电压的能力。目前多采用带脱落装置避雷器，易于故障脱落和查找。

缺点：只对线路的点（杆）起到防雷保护作用，而不是线段，防雷保护保护范围小。目前20 kV 避雷器均无带脱落装置，不能起到故障隔离作业的作用，同时给故障查找带来一定的难度。容易老化，需周期性对其做工频电压试验，故障调换和维护成本较高。

3.2 防弧金具

主要是防止架空绝缘导线雷击断线用穿刺型防弧金具能定位雷电冲击放电路径，疏导工频电弧弧根，起到了保护绝缘导线免于雷击断线的作用。目前主要安装在变电所出口段和绝缘线支线上。

优点：防弧金具结构简单，金具无需接地。

缺点：安装时有损绝缘导线表面绝缘层，因20 kV绝缘导线绝缘层较厚，穿刺线路安装工艺要求较高。安装精度相对较高（一般间隙控制在12～15 cm 之间），同时间隙会随着导线初伸长、弧垂的变化而变化，不能完全起到防雷引弧的作用。发生导线断线等故障后，需对穿刺线夹等进行重新拆除和安装，造成抢修时间延长。经济性不够，多回路安装成本较大。由于防弧金具本身防雷功能较为单一，且安装要求高，目前已逐步减少使用量。

3.3 带间隙氧化锌避雷器

此防雷金具是防弧金具的升级版，也是防弧金具和氧化锌避雷器的组合体，理论上可以有效防止绝缘导线断线和雷击线路后的跳闸故障。

优点：结构简单，能有效防止绝缘导线断线，对防跳闸故障有一定作用。且避雷器在平时运行时为不带电，使用寿命大大延长。

缺点：安装时有损绝缘导线表面绝缘层，因20 kV绝缘导线绝缘层较厚，穿刺线路安装工艺要求较高。安装精度相对较高，同时间隙会随着导线初伸长、弧垂的变化而变化，不能完全起到防雷引弧的作用。经济性不够，多回路安装成本较大。

3.4 架空地线（架设耦合地线）

在保证安全距离的情况下，在绝缘导线的上方或下方架设架空（耦合）地线，使其对三相导线均起到屏蔽的作用，并通过感应避雷线的分段接地，且离绝缘导线很近，使绝缘导线附近的电磁场发生改变。当雷击线路时，绝缘导线上感应雷电压显著降低，从而降低了线路的雷击闪络概率和绝缘导线的雷击断线率。

优点：能有效降低雷电的冲击波及感应雷过电压，降低线路雷击故障概率。经济性较好，成本轻，尤其是在双回路及以上安装避雷线成本比安装防雷金具轻得多，且不破坏导线表面结构。每基电杆都进行有效接地，通过避雷线形成一张接地网，降低接地电阻，有效引雷入地。

缺点：对直击雷、绕击雷无效。对老旧线路采用此种方式安装会降低导线高度。在新建线路上使用需采用更高一级的电杆。

3.5 绝缘横担

结合20 kV 线路建设，采用具有机械强度高、绝缘性能好的玻璃钢绝缘横担，加大现有线路绝缘导线的线间距离和绝缘保护，以降低雷击建弧率。

优点：若将其用作支柱绝缘子横担，则可显著增加闪络路径，从而大幅度提高线路的耐雷水平，降低线路的建弧率而基本避免了雷击断线事故的发生。

缺点：新建或改造中投入成本较高，且由于绝缘横担长期暴露在阳光下，会降低绝缘性能，材料易老化，所以对绝缘横担需进行周期性调换。

4 20 kV 架空线路的防雷技术应用策略及效果分析

4.1 20 kV 架空线路的防雷措施选择

在配网系统中，20 kV 架空线路防雷主要是防止在雷击过电压以后导致线路设备故障（如：架空绝缘导线雷击断线、用户设备损坏及次生灾害等）以及影响到上一级的电网。防止雷击过电压影响到上一级的电网通常有变电所内自动重合闸以及所外避雷器相配合，一般都能得到很好的解决。而要解决雷击引起的本线设备故障通常比较困难，所以从20 kV 与10 kV 线路形式区别出发进行分析，可以得出20 kV 线路抗感应雷过电压有所增强，同时外绝缘水平更接近于或等于35 kV线路，这给20 kV 架设架空（耦合）地线带来有利条件，在忽略不计直击雷的情况下，从理论上20 kV 架空地线防雷效果将要好于10 kV 架空地线，如图1、图2 所示。

图1 35 kV 避雷线典型设置方式

图2 20 kV 架空地线设置方式

同时20 kV 架空线路线间距离小于35 kV，所以经过计算单回20 kV 架空线路可以只设置一根架空地线，线路的保护角一般取20～30°。架空地线主要是起到耦合作用，在20 kV 线路遭受感应雷击过电压时，绝缘子所承受的过电压为导线和架空地线之间的过电压，小于感应雷击过电压，也就是说，架空地线的存在起到了一定的屏蔽作用，降低了绝缘子的过电压水平，耦合系数越大，则导线和架空地线间绝缘子上所承受的电压越小，可以有效防止感应雷对配电线路的危害。

耦合系数的计算：设k为导线，j为耦合地线，k′、j′为地下对称点。进过计算耦合系数K可以达到0.387 9（数值越高越好），且架空地线安装在顶相导线上方要稍好于安装于顶相导线下方。可按下面公式算出

综上所述，20 kV 防雷方面避雷器作为基本防雷措施，考虑改造成本施工难度，干线部分将以加装架空地线为主。

4.2 20 kV 架空线路的防雷策略

4.2.1 干线部分

目前，20 kV 主干线路基本采用185、240 mm2绝缘导线，因导线的绝缘层较厚，达到6～7 mm，且按照国内现有的生产水平，导线绝缘层与导线存在一定的偏心率，一般的穿刺型避雷间隙和金具无法有效对其穿透，或者穿透过度伤及导线，因此在20 kV 主干线的架设上建议基本不使用穿刺型防雷金具。通过实践，结合分析存在的优缺点，在20 kV 主干线上主要以架设架空避雷线（架设耦合地线）方式为主，干线上使用的设备（如柱上负荷开头、电缆穿越）主要以在其两侧加装20 kV 避雷器为主，加装避雷器。

架设架空（耦合）地线时，每基电杆均需装设接地设备，按通常的线路排列方式，同杆双回线路利用项相横担或加装顶铁的方式，在架设导线的同时加装架空（耦合）地线，以GJ-35 钢绞线为佳。为起到最佳的雷击保护效果，在对架空避雷线的安装设计时要考虑保护角，即根据导线的排列方式，确定导线与架空避雷线的安全距离。

因每基电杆都装设接地装置，考虑到地形和土壤的电阻率，需要逐基对电杆的接地体进行接地电阻测量，接地电阻以不大于10 Ω 为宜。

4.2.2 支线部分

20 kV 的支线导线基本采用70～120 mm2的绝缘导线，因部分支线的档距较短，耐张段档数少，多为1—3档，所以不宜采用架设架空（耦合）地线的方式（耐张段档数多可考虑采用架空地线方式）。宜采用安装穿刺型避雷间隙、氧化锌避雷金具等。同时，为有效隔离雷击引起的过电流，可在大支线开头侧安装重合装置，使故障隔离在支线范围内，避免因雷击引起整条20 kV 线路故障。因此，在20 kV 的支线上宜采用装设带间隙氧化锌避雷器+带重合断路器为佳。

4.2.3 配电变压器台区部分

20 kV配变台区防雷形式基本与10 kV相同；20 kV配变桩头侧及低压出现侧相应安装高低压避雷器；20 kV侧安装跌落式熔断器，选择合理的熔丝相配置；同时为提升接地效果建议安装方形接地体将配变台区围绕。

4.2.4 绝缘横担部分

绝缘横担多以环氧树脂为基体，无碱玻璃纤维为增强材料，经过玻璃钢拉挤工艺成型，并经二次加工而制成，如图3 所示。主要有良好的介电性能和很高的机械强度、便于带电作业、具有辅助防雷功能的特点。采用绝缘横担可有效提高导线和电杆间的绝缘水平，减小导线遭受雷击后的建弧率，从而整体减小绝缘导线的断线率。

图3 绝缘横担

4.3 20 kV 架空线路的防雷技术应用效果分析

嘉兴市秀洲区地处雷害多发区域，每年雷暴天气以及雷击故障在嘉兴市范围内处在相对较高的水平。20 kV 架空线路2010 年底正式投运以来，未发生线路断线事故，线路故障重合成功率要略高于10 kV 线路，总体故障情况在可接受范围内。但随着20 kV 线路的投运年限逐步增加，还有需要进一步分析上述防雷策略的效果。

4.4 远景架空线路下地改造

20 kV 线路虽然有着较多的优点，但同时也存在一定的局限性，比如改造难度大，接地方式还不完善等，这对20 kV 线路防雷有一定的影响，所以在今后的改造中还是需要优先考虑电缆网的建设，将现有的城市20 kV 架空线路逐步下地，这样才能使20 kV 防雷得到很好的解决。

5 结束语

随着20 kV 配电网的推广应用，其设备的生产制造技术将获得长足发展。网架的安全、健康运行将受到越来越多的关注。本文对于20 kV 架空配电线路防雷技术进行初浅的分析和探讨，给20 kV 架空线路的设计和建设提供部分依据。同时，也希望在不断的总结、提升中发现更多简便、有效的防雷措施，为20 kV 网架的优质、安全、可靠运行提供更强的保障。