王華云，蔡木良，張 宇，安 義，章叔昌，鄭蜀江

（國網(wǎng)江西省科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

江西省是我國雷電多發(fā)的省份之一。頻繁的雷電活動是影響江西電網(wǎng)設(shè)備安全運行的主要因素之一，強大的雷電流可破壞電網(wǎng)設(shè)備的絕緣和機械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電力設(shè)備停運和供電中斷，對國民生產(chǎn)生活帶來影響。江西配網(wǎng)10 kV線路絕緣水平較低，且一般無線路防雷措施，不僅受到直擊雷的影響，同時也會因雷擊地面產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓影響而發(fā)生絕緣子閃絡(luò)。據(jù)統(tǒng)計，雷擊是引起江西配網(wǎng)10 kV線路跳閘的首要原因。因此，開展10 kV線路防雷技術(shù)分析及措施研究對保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要作用，將對配網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、技術(shù)改造等工作具有指導(dǎo)意義。

1 江西配網(wǎng)10 kV線路雷害現(xiàn)狀分析

據(jù)統(tǒng)計分析及現(xiàn)場調(diào)研，江西省10 kV線路雷害有如下特點：

1）雷擊跳閘率高。

2014年1-6月，江西電網(wǎng)10 kV線路跳閘9 698次，其中雷擊跳閘3 694次，占總跳閘的38.02%，雷擊跳閘率高達5.005[次/（百公里·年）]，是引起線路跳閘的首要原因，詳見表1和圖1所示。

表1 2014年1-6月10 kV線路跳閘原因分類統(tǒng)計

圖1 2014年1-6月10 k V線路跳閘原因分類統(tǒng)計

2）瞬時故障多，故障原因存在誤判，故障點查找困難。

2014年3月，宜豐、新干、石城等縣公司配電線路雷擊瞬時故障與雷擊跳閘總次數(shù)之比超過了80%。生產(chǎn)實時管控系統(tǒng)中填報為雷擊故障的部分線路，在雷電定位系統(tǒng)進行雷電數(shù)據(jù)查詢，發(fā)現(xiàn)故障前后20 min內(nèi)線路附近無雷電活動，詳見表2。

表2 2014年1-6月10 k V線路跳閘原因分類統(tǒng)計

線路在雷雨天氣下發(fā)生的瞬時故障，除雷擊的原因外，還可能存在樹障或風(fēng)偏等其他原因。雷擊瞬時故障大部分表現(xiàn)為絕緣子表面閃絡(luò)，沒有明顯故障痕跡，且線路無故障測距裝置，運檢人員進行故障查找時，僅憑肉眼觀察，很難找出故障點，并正確區(qū)分線路跳閘原因。特別是農(nóng)網(wǎng)部分線路路徑長，分支多，故障查找范圍大，線路走廊交通不便，故障查找困難。雷雨天氣線路發(fā)生跳閘，運檢人員憑經(jīng)驗和感覺判斷為雷擊跳閘，使得部分線路跳閘原因存在誤判，制定的改造措施也就缺乏針對性。

3）雷電活動區(qū)域廣，線路雷擊跳閘條數(shù)多，重復(fù)跳閘嚴(yán)重。

2014年1-6月，全省1779條10 kV線路發(fā)生過雷擊跳閘，共計3687次，其中跳閘4次及以上的線路有251條（占比14.1%），該251條線路雷擊跳閘共1299次，占雷擊跳閘總次數(shù)的35.2%，如圖2所示。

圖2 2014年1-6月雷擊跳閘線路條數(shù)統(tǒng)計

2 江西配網(wǎng)10 kV線路雷害原因分析

2.1 10 kV線路基本無防雷措施

目前，江西電網(wǎng)絕大部分10 kV線路建設(shè)時未考慮線路的防雷措施。當(dāng)線路遭受雷擊時，在線路上產(chǎn)生的雷電過電壓會引起線路絕緣子閃絡(luò)。此時，線路可能會發(fā)生跳閘、斷線、設(shè)備損壞等故障。

1）10 kV線路上方有高電壓等級線路跨越或有高電壓等級線路與其同桿架設(shè)時，更易因雷擊而引起線路跳閘。相比10 kV線路而言，高電壓等級線路空間高度更高，更易引雷。10 kV線路絕緣水平遠(yuǎn)低于高電壓等級線路，雷擊高電壓等級線路時，在10 kV線路上會產(chǎn)生較高的雷電過電壓，容易引起線路跳閘。圖3為與110 kV線路同桿架設(shè)的10 kV洪達II線，4號桿曾發(fā)生A、B相導(dǎo)線雷擊斷線。

圖3 10 kV洪達II線與110 kV線路同桿架設(shè)

2）雷電易擊區(qū)的絕緣導(dǎo)線未采取防雷擊斷線措施，雷擊容易引起斷線。架空裸導(dǎo)線雷擊閃絡(luò)時，接續(xù)工頻電弧在電動力的作用下沿著導(dǎo)線向背離電源方向移動，在工頻續(xù)流燒斷導(dǎo)線之前引起斷路器動作；而架空絕緣導(dǎo)線雷擊閃絡(luò)時，絕緣層阻礙了接續(xù)工頻電弧在其表面滑移，高溫弧根被固定在絕緣層擊穿點，在斷路器動作之前燒斷導(dǎo)線。圖4為10 kV南變Ⅰ線、南變Ⅱ線絕緣導(dǎo)線遭雷擊斷線、設(shè)備受損情況照片。

圖4 10 k V南變Ⅰ線、南變Ⅱ線絕緣導(dǎo)線遭雷擊

3）線路雷擊閃絡(luò)后，產(chǎn)生的工頻續(xù)流容易燒壞設(shè)備。當(dāng)兩相接地位于不同橫擔(dān)時，短路電流會在導(dǎo)線、橫擔(dān)、抱箍、桿塔、大地之間形成回路，容易在抱箍與水泥桿接觸位置產(chǎn)生電弧，使得絕緣子炸裂，抱箍斷裂，電桿燒穿。圖5為10 kV歐爾瑪Ⅱ回36號桿遭雷擊情況。

圖5 10 kV歐爾瑪Ⅱ回遭雷擊

2.2 10kV線路絕緣水平低

江西配網(wǎng)，尤其是農(nóng)網(wǎng)10 kV線路直線桿的絕緣配置以P-15型針式絕緣子為主，其U50%沖擊放電電壓較低，耐雷水平差，雷擊閃絡(luò)率高。當(dāng)針式絕緣子老化較為嚴(yán)重或者內(nèi)部存在缺陷時，容易內(nèi)部擊穿，導(dǎo)致炸碎。如10 kV中畈線饒園支線、10 kV歐爾瑪Ⅱ回等線路絕緣子曾遭雷電擊穿。

2.3 配電設(shè)備缺少有效的防雷保護設(shè)施

江西農(nóng)網(wǎng)部分未改造臺區(qū)的配電變壓器低壓側(cè)沒有安裝避雷器，且配電變壓器低壓側(cè)所帶低壓線路長，雷電波容易從低壓線路入侵配電變壓器，引起絕緣擊穿，導(dǎo)致變壓器損壞；部分柱上開關(guān)未安裝避雷器保護或僅在開關(guān)一側(cè)安裝，線路遭雷擊時，容易引起開關(guān)損壞。如圖6所示，10 kV朱坑線鄒陳分干線分界開關(guān)兩側(cè)均未安裝避雷器保護，雷電引起柱上開關(guān)內(nèi)部擊穿。

圖6 10 k V朱坑線分界開關(guān)缺乏避雷器保護遭雷擊損壞

2.4 避雷器接地不規(guī)范

部分設(shè)備防雷保護避雷器與外殼分開接地，雷電流流過時，設(shè)備主絕緣承受的電壓，為避雷器殘壓與雷電流在接地引下線和接地裝置上的壓降之和，可能導(dǎo)致設(shè)備主絕緣擊穿。如10 kV朱坑線潭石林家村公變，雖安裝了避雷器保護，但避雷器接地不規(guī)范，避雷器接地線未與變壓器中性點及外殼直接聯(lián)接，沒有起到保護變壓器的作用，雷擊導(dǎo)致潭石林家村公變內(nèi)部擊穿。

2.5 部分避雷器老化嚴(yán)重

部分避雷器投運年限較長，特別是一些復(fù)合外套無間隙避雷器，老化嚴(yán)重，性能下降，外表很難看出異常，一旦通過雷電流，極有可能擊穿，造成單相接地或相間短路。如10 kV集鎮(zhèn)線黃家臺區(qū)，由于B相避雷器老化，曾發(fā)生避雷器擊穿故障。

3 10 kV線路雷擊跳閘理論與措施分析

3.1 10 kV線路雷擊跳閘機理

配電線路上的雷電過電壓分直擊雷過電壓和雷電感應(yīng)過電壓兩種。直擊雷過電壓由雷云放電擊中架空線路產(chǎn)生，因配電線路絕緣水平低、相間距離小，直擊雷容易造成多相閃絡(luò)。雷電感應(yīng)過電壓由雷電擊中架空線路附近大地或者地面上物體，通過電磁感應(yīng)在線路上產(chǎn)生。三相導(dǎo)線上的雷電感應(yīng)過電壓極性相同、幅值相近，不會直接引起相間短路，但容易引起多相對地閃絡(luò)。

雷電沖擊閃絡(luò)過后，弧道內(nèi)仍有一定程度的游離離子，在工頻電壓的作用下，將有短路電流流過閃絡(luò)通道，形成工頻電弧。當(dāng)雷擊引起線路兩相或三相對地短路，一種情況是相對地電弧通過橫擔(dān)形成相間電弧，另一種情況是相對地電弧在電磁力和熱應(yīng)力的作用下，弧腹向絕緣子負(fù)荷側(cè)的上空漂移，在空中交匯也可能發(fā)展成相間電弧，形成相間短路，使開關(guān)保護動作，線路跳閘。

3.2 絕緣導(dǎo)線雷擊斷線機理分析

當(dāng)架空絕緣導(dǎo)線遭到雷擊后，直擊雷或感應(yīng)雷作用于絕緣導(dǎo)線時，雷電過電壓將擊穿導(dǎo)線的絕緣層，同時導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)。在工頻電壓的作用下可能會形成工頻電弧，此時電弧的弧根因為絕緣層的阻力而不能移動，弧根始終固定在擊穿孔位置。相間短路電流幅值達幾kA至十幾kA，弧根溫度升至幾千度，加之導(dǎo)線自重產(chǎn)生的拉力，芯線瞬間熔化斷開；當(dāng)雷擊引起絕緣線路單相對地短路，由于江西10 kV配電網(wǎng)采用中性點非有效接地方式，允許線路帶單相接地故障運行一段時間，小電流電弧長時間燒灼導(dǎo)線同一位置，也會燒損導(dǎo)線導(dǎo)致斷線。

3.3 不同型號絕緣子耐雷水平分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》，在沒有任何防雷措施的前提下，運用規(guī)程法，對不同型號絕緣子的10 kV線路計算雷擊跳閘率，并進行對比分析。10 kV線路直線桿常用的絕緣子的型號參數(shù)如表3所示。

表3 不同型號絕緣子的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊耐受電壓

以江西省典型農(nóng)網(wǎng)10 kV線路為例，取兩根邊相導(dǎo)線間的距離0.001 km、線路弧垂高度0.008 km，每平方公里·年的落雷個數(shù)為1，運用規(guī)程法計算結(jié)果如表4所示?？芍?，對于10 kV線路，感應(yīng)雷過電壓導(dǎo)致線路跳閘次數(shù)約占雷擊跳閘總數(shù)的80%。

表4 不同型號絕緣子雷擊跳閘率計算結(jié)果

對同條線路在相同的落雷情況下，將P-15型針式絕緣子更換為PS-20（R8ET125）型柱式絕緣子，線路雷擊跳閘率可降低38.6%，其中直擊雷跳閘率可降低30.8%，感應(yīng)雷跳閘率可降低40.8%。因此，通過使用PS-20（R8ET125）型柱式絕緣子提高線路的絕緣水平可有效降低線路雷擊跳閘率。同時，考慮柱式絕緣子額定彎曲破壞負(fù)荷相對較小，建議在直線桿采用PS-20型柱式絕緣子。

除絕緣水平較高之外，柱式絕緣子屬A型絕緣子，為不可擊穿型，其經(jīng)由固體絕緣材料內(nèi)的最短擊穿距離至少等于經(jīng)由絕緣子外部空氣最短干弧距離的1/3（環(huán)氧樹脂澆鑄絕緣子）或1/2（其他有機材料、瓷及玻璃），雷擊不會導(dǎo)致瓷瓶炸碎。而針式絕緣子屬B型絕緣子，其經(jīng)由固體絕緣材料內(nèi)的最短擊穿距離小于經(jīng)由絕緣子外部空氣最短干弧距離的1/3（環(huán)氧樹脂澆鑄絕緣子）或1/2（其他有機材料、瓷及玻璃），運行中容易產(chǎn)生擊穿、損壞現(xiàn)象。因此，用柱式絕緣子替代針式絕緣子可減少雷擊瓷瓶擊穿、炸碎事件。

3.4 配網(wǎng)防雷措施效果分析

3.4.1 防雷措施對比分析

1）優(yōu)先選用帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。在電網(wǎng)正常運行下，避雷器承受工頻電壓，不動作，而在直擊雷或感應(yīng)雷產(chǎn)生的雷電過電壓作用下，避雷器導(dǎo)通，將電流泄放入地。雷電沖擊過后，避雷器本體電阻瞬間變大，絕緣迅速恢復(fù)，工頻續(xù)流被遮斷，因雷電流沖擊閃絡(luò)時間很短（幾十微秒），變電站開關(guān)來不及動作，有效的避免了絕緣導(dǎo)線被燒斷或線路跳閘。建議在配電線路中選用帶外串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。

2）架設(shè)避雷線。避雷線降低直擊雷危害效果明顯，也能有效減小感應(yīng)雷過電壓幅值與來波陡度，但由于10 kV線路耐雷水平較低，極易造成反擊，從而導(dǎo)致線路跳閘。架設(shè)避雷線對于老線路而言，面臨改造較多、投資較大、施工較為困難；對于新線路經(jīng)濟效益也不明顯。

3）安裝穿刺型防弧金具或剝線型放電箝位絕緣子。當(dāng)雷電過電壓超過一定數(shù)值時，在防弧金具的穿刺電極和接地電極之間會引起閃絡(luò)，形成短路通道，接續(xù)的工頻電弧便在防弧金具上燃燒，以保護導(dǎo)線免于燒傷和燒斷。此種方法會降低線路絕緣水平，提高線路雷擊跳閘率，不推薦使用。

3.4.2 安裝避雷器的防雷效果案例分析

1）南昌經(jīng)開區(qū)運維10 kV線路18條，防雷改造后架空絕緣導(dǎo)線、設(shè)備遭受雷擊故障明顯減少，詳見表5。

表5 南昌經(jīng)開區(qū)10 k V線路防雷改造效果對比

2）吉安城禾Ⅰ線、Ⅱ線，通過防雷改造后，雷擊跳閘率大幅下降，詳見表6。

表6 吉安10k V城禾Ⅰ線、Ⅱ線防雷改造效果對比

4 結(jié)論

通過前述分析，可以得出以下結(jié)論：

1）江西省雷電活動強烈，地閃密度高，配網(wǎng)10 kV線路耐雷水平低，且未裝設(shè)有效防雷設(shè)施，這是線路雷擊跳閘率偏高的主要原因。

2）配電設(shè)備缺少有效的防雷保護設(shè)施，如未安裝避雷器保護、避雷器老化、接地不規(guī)范等，是導(dǎo)致配電設(shè)備雷擊損壞的主要原因。

3）提高線路絕緣水平可較大程度降低雷擊跳閘率。

4）通過已采取防雷措施的10 kV線路運行效果來看，安裝避雷器，并改良接地電阻，可以降低線路雷擊跳閘率和減少絕緣導(dǎo)線雷擊斷線。

5 措施與建議

1）提高10 kV線路絕緣水平。柱式絕緣子為不可擊穿型，可避免雷擊瓷瓶炸碎，采用絕緣水平更高的柱式絕緣子（如PS-15/500、PS-20型）替代老舊針式絕緣子（如P-10型或運行10年以上的P-15型），提高線路絕緣水平，降低絕緣子雷擊閃絡(luò)率，減少瓷瓶炸碎等事件。

2）開展10 kV線路防雷改造。考慮線路的重要性、負(fù)荷性質(zhì)，根據(jù)線路走廊地閃密度分布及歷史雷擊故障情況，結(jié)合不同導(dǎo)線類型、多雷擊的微地形區(qū)、大跨越及是否與高電壓等級線路同桿、臨近、交叉跨越等實際情況，對線路雷電易擊區(qū)段桿塔安裝帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，進行防雷改造。

3）優(yōu)化線路路徑。規(guī)劃設(shè)計新線路時，線路路徑盡量避開多雷、強雷區(qū)，如無法避開，可安裝線路避雷器進行保護，條件允許時也可采用電纜下地方式。已建線路進行防雷改造時，除安裝避雷器外，可通過改變線路路徑或電纜下地的方式避開局部多雷擊的微地形區(qū)。

4）10 kV線路雷雨天氣跳閘時，利用雷電定位系統(tǒng)，查詢故障時刻前后10 min內(nèi)，線路走廊1 km范圍內(nèi)落雷情況，判斷線路是否因雷擊跳閘。若查詢范圍內(nèi)存在落雷，則判斷線路可能因雷擊而引起跳閘，運檢人員可對落雷位置附近的線路區(qū)段優(yōu)先進行巡視，查找故障點。

5）在變電站出線第一基桿塔安裝帶接地指示功能的故障指示器，可輔助確認(rèn)發(fā)生單相接地故障線路。在雷擊跳閘頻繁的10 kV線路的分段點、用戶T接處、重要分支線接入點、電纜與架空線路連接處優(yōu)先裝設(shè)故障指示器，輔助查找故障點，減少故障查找時間。

6）加強對設(shè)備保護避雷器的安裝及其接地的維護工作。無有效防雷設(shè)施保護的配電設(shè)備（包括配電變壓器、柱上開關(guān)、電纜等），應(yīng)安裝避雷器并進行接地改造，確保防雷設(shè)施處于良好狀態(tài)。

7）開展避雷器周期性巡檢及診斷試驗工作。在雷雨季節(jié)之前開展避雷器外觀檢查、紅外測溫等巡檢項目，檢查無間隙避雷器本體及電氣連接部位有無異常溫升。避雷器閥片受潮或老化時，會引起整體發(fā)熱或局部發(fā)熱，當(dāng)溫差超過0.5 k時，溫升異常。對溫升異常的避雷器應(yīng)進行直流1 mA下的參考電壓測試和0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流試驗。