浅谈10kV架空配电线路的防雷保护

洪雪燕+洪泽均

【摘 要】10kV架空配电线路电压等级低，防雷方面和输电线路有很大的不同。本文介绍了10kV架空配电线路的防雷措施

【关键词】10kV架空线路；雷害；防雷；氧化锌避雷器

引言

10kV的配电线路，由于电压等级低，绝缘裕度高、线路短、地处市区或城郊，受高大建筑的屏蔽，遭受直击雷的概率比较低，一般不采取特殊的防雷措施。但是，若在山区或旷野等雷电活动特别强烈的地带，线路遭受雷击的几率高，可能造成绝缘子击穿和导线烧断事故，这时应根据实际情况，采取相应的防雷措施来减少雷害。

1.10kV架空配电线路

10kV架空配电线路有架空裸导线和架空绝缘导线。架空配电线路采用绝缘导线，与裸导线相比，可以减小相间距离，防止相间短路，减少线路走廊，安全性比较好。与电缆相比，投资省、建设快，优点特别明显。但是，绝缘导线也有缺点，就是雷击断线问题。有关资料表明，绝缘导线在运行中，其总故障数为裸导线故障总数的15.3%，故障数大幅下降；其中绝缘导线雷击事故占总事故数的36.8%，而雷击断线率为96.8%。因此，架空绝缘导线雷击断线问题是影响配电网安全运行的主要因素。

架空绝缘导线雷击断线机理：架空绝缘线遭雷击时，雷电过电压导致导线绝缘层击穿，击穿通道通常只有针孔大，但是，当雷电击穿通道转为工频续弧，由于工频续流的能量大，且由于绝缘层的阻碍作用，工频续弧不会在导线表面滑动，而是固定在击穿点燃烧，高温弧根导致导线在断路器跳闸前熔断，熔断点通常在距离线路绝缘子两端30cm的距离内，因为这里的电场最强。

2.架空配电线路的雷害

架空配电线路的雷害有两方面。

一方面是雷直击导线的直击雷。雷直击导线时，产生的直击雷过电压由公式U=100I计算，I为雷电流幅值。10kV线路绝缘的冲击耐压按U50%=100kV来计算，则其耐雷水平的计算I=U50%/100=100/100=1kA，按我国大部分地区雷电流概率分布为lgP=-I/88的公式计算，出现雷电流I≥1kA的概率P=97.4%，也就是说，如果雷直击10kV线路，100次的雷击，10kV架空配电线路绝缘闪络的概率高达97.4%。

另一方面为感应雷过电压。雷击线路附近的物体或雷击线路杆塔，由于电磁感应和静电感应，在线路上感应出的过电压称感应雷过电压。当雷电流I=20kA时，感应雷过电压的计算公式U=Ih/2.6，假设雷电流为I=20kA，杆塔高度h=15m，则感应雷过电压为U=115kV，超过10kV线路的冲击耐压水平100kV，线路绝缘会发生闪络。按照lgP=-I/88的公式计算，当I≥20kA时，P=53%，也就是说，10kV线路遭到感应雷时，线路绝缘闪络的概率大约为53%。

线路附近闪电在配电线路上感应的过电压多数小于300kV。屏蔽物体（如树和建筑物）的高度和离配电线路的距离将影响线路感应雷过电压的大小。

3.架空配电线路防雷害的措施

架空配电线路在防直击雷方面，不架设避雷线，因为配电线路绝缘水平低，如果架设避雷线后，避雷线遭雷击后容易反击，防雷效果不好，况且架设避雷线成本太高。配电线路在防雷方面，主要采取以下措施：

（1）提高线路的绝缘水平

从感应过电压的数值分析结果知道，提高绝缘子的50%放电电压，能大大提高线路的耐雷水平，降低雷击跳闸率，因此建议更换针式支柱绝缘子为柱式支柱绝缘子或采用ZC-185、SC-185瓷横担；尝试使用硅橡胶合成绝缘子。加强局部绝缘（如增加绝缘导线的厚度）。

（2）降低杆塔接地电阻

当雷击杆塔时，雷电流经杆塔接地电阻流入大地，如果杆塔接地电阻高，雷電流在电阻上的压降大，使杆塔绝缘子压降增大，造成反击。

如果是线路避雷器动作，雷电流经杆塔接地电阻入地，如果杆塔接地电阻过大，雷电流在接地电阻上的压降太大，使得导线电位升高，线路绝缘子压降增大，造成闪络。所以降低杆塔接地电阻可以提高线路绝缘的耐雷水平，减小线路雷击跳闸率。

在土壤电阻率低的地区，应充分利用铁塔、钢筋混凝土杆的自然接地电阻。在土壤电阻率高的地区，当采用一般措施难以降低接地电阻时，可用多根放射形接地体，将接地电阻降低到30Ω以下。

（3）中性点不接地或经消弧线圈接地

在雷电活动强烈、接地电阻又难以降低的地区，中性点采用不接地或经消弧线圈接地，消弧线圈可以抵消大部分单相接地电流，当接地电流小于发弧电流时，接地电弧会自动熄灭，故障消除。在两相或三相受雷时，雷击引起第一相闪络并不会引起跳闸，先闪络的导线相当于地线，增加了分流和对未闪络相的耦合作用，使未闪络相绝缘上的电压下降，从而提高了线路的耐雷水平。

因此，10kV架空线常采用三角形排列，顶相做保护线。

（4）线路绝缘子上安装氧化锌避雷器

氧化锌避雷器的工作原理：氧化锌避雷器和线路绝缘子并联，当线路正常工作时，氧化锌避雷器阀片电阻阻值很大，相当于绝缘体，避雷器的存在对线路运行没影响；氧化锌避雷器阀片对电压敏感，当线路电压大于阀片起始动作电压（即U1mA，10kV系统氧化锌避雷器U1mA大约为25kV）时，阀片电阻骤降，阀片导通，把雷电流引入其接地装置，并通过其接地装置向大地泄流，使线路绝缘子压降降低，保护线路绝缘。当雷电过电压降到起始动作电压以下，阀片又截止，恢复绝缘状态，没有工频续流。

氧化锌避雷器的阀片比传统的SiC阀片有更好的非线性，如图所示，阀片在中电场区域非线性系数只有0.015～0.05，比SiC避雷器的0.2小得多，这使得氧化锌避雷器在通过的雷电流变化比较大的区域内保持较稳定、较低的残压，保护效果较好。

4.带外间隙氧化锌避雷器在架空配电线路上的使用endprint

配电线路防雷方面，比起架设避雷线或降低杆塔接地电阻，装设氧化锌避雷器成本要低得多，因此装设氧化锌避雷器是配电线路的主要防雷措施之一。

氧化锌避雷器有带间隙和不带间隙两种，不带间隙的氧化锌避雷器，长期在系统工作电压的作用下，容易老化，阀片如果密封不严会受潮，工作电压下的泄漏电流有功分量产生有功损耗，都会导致阀片劣化。无间隙氧化锌避雷器由于避雷器质量问题或老化，雷击或过电压后击穿，导致线路失地，该类型故障难以查找发现。所以线路上使用的氧化锌避雷器大都是带间隙的。

带外串联间隙的氧化锌避雷器，在线路正常工作的情况下，外间隙可以起到隔离工作电压和阀片的作用。当线路过电压超过外间隙的击穿电压加上避雷器的起始动作电压（即U1mA）时，外串联间隙击穿，同时避雷器导通，把雷电流引入其接地装置，此时线路的电压等于避雷器的残压，当避雷器的残压小于线路绝缘的闪络电压，线路绝缘得到保护。

串联外间隙的氧化锌避雷器其U50%是外间隙的U50%和阀片的U1mA的和，其数值不应低于系统的操作过电压和暂时过电压。

10kV架空导线加装避雷器的基本原则：

（1）对于雷击跳闸率较高的架空裸导线的直线杆，安装以高压导线为电极的外串联间隙避雷器，或安装带高压金具电极的外串联间隙避雷器。

（2）对于雷击跳闸率较高的绝缘导线的直线杆，安装穿刺电极带外串联间隙的氧化锌避雷器。当雷电引起绝缘闪络时，接续的工频短路电流电弧的弧根固定在穿刺电极上燃烧，直至线路断路器跳闸以熄灭工频续流，从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。

（3）对于裸导线或绝缘导线的耐张杆，宜装设带支撑件的外串联间隙氧化锌避雷器。

（4）对于安装带串联间隙有困难的个别杆塔，可安装无间隙的氧化锌避雷器，但应配脱离器，以便在避雷器损坏时自动脱落，防止对线路运行造成影响。

（5）氧化锌避雷器应安装在线路绝缘子的负荷侧，为达到较好的防雷效果，应该整条线路的每基杆塔的每一相都要安装。

（6）对于既有线路，除配电变压器、电缆头，线路开关两侧的杆塔要装设人工接地装置（接地电阻不大于30Ω）外，其他电杆可以不装人工接地装置。新建的线路杆塔要装设人工接地装置，且接地装置要引出接地端子。

5.泉州供电公司直供区配电线路的防雷

2014年～2015年泉州供电公司直供区配网雷击故障情况如表1：

直供区2014年雷击故障102次，涉及60回馈线，架空线路雷击故障率5.01次/百公里，雷击故障率最高为洛江8.3次/百公里，最低为泉港2.48次/百公里。

直供区2015年1-6月雷击故障41次，涉及31回饋线，架空线路雷击故障率2.01次/百公里，雷击故障率最高为洛江3.79次/百公里，最低为泉港0.99次/百公里。

直供区雷击故障主要发生在洛江片区，约占直供区雷击故障一半。

存在问题：泉港土岭片区地形与洛江相似，但架空线路雷击故障率相比洛江及其他区域低。

主要原因：泉港架空线路瓷瓶已全部改造为瓷横担或柱式瓶，线路按照3～5根杆加装一组避雷器。其他洛江、清濛、城区架空线路仍然存在PQ-15T、P-10T老旧瓷瓶，这些瓷瓶外部带电部位与中心铁脚绝缘层间距小，雷击后瓷瓶易击穿。除此，线路防雷设施不足，雷击后线路易跳闸。部分线路避雷器接地电阻不符合要求，避雷器无法起到保护作用。

从以上的分析可知，配电线路采用加强绝缘，安装带外间隙的氧化锌避雷器，降低杆塔接地电阻，都有明显的防雷效果。

6.结束语

福建省地处东南沿海，是雷电活动的高发区，10kV配电网主要承担面向用户输送电能的任务，该网络经过的地区复杂多样，防雷设置应该根据不同地区的雷电活动情况，综合采取防雷措施，不断积累防雷经验，把架空线路的雷害降低到可接受的水平。

参考文献：

[1]洪雪燕、林建军、王富勇编. 安全用电. 中国电力出版社，2008

[2]张力主编. 高电压技术. 中国电力出版社，2008

[3]张红等主编. 高电压技术. 中国电力出版社，2006endprint