配电线路防雷对策

摘要 10kV配电线路系电力系统中公里数较长且与用户关联最为密切的电压等级线路。由于众所周知的原因，10kV线路的绝缘水平普遍较低，故其受雷击后极易发生瓷支柱绝缘子爆裂或断线事故。

关键词 配电线路；防雷；对策

中图分类号TM72 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）54-0061-03

0 引言

以防止接地短路事故和公共安全为目的，高压配电线路的绝缘化从1999年开始，经过十几年的时间发展，安阳地区基本完成了配电线路80%的绝缘化。

通过绝缘化，因人身事故和树木接触而引起的接地短路事故急剧减少。而且，通过绝缘化，因雷电以外的原因而引起的断线也大幅度减少。但是，因雷电引起的断线反而增加，在高压配电线路的断线原因中，雷害所占的比例与使用裸导线时相比，使用绝缘导线时增加了40%。此外在绝缘导线断线的情况下，即使导线垂落地面上，由于有绝缘被覆，也不能检测出接地，产生尽管断线还继续送电的可能性，成为公共安全的重大问题。因此，供电公司将配电线路防雷为重要课题对待。

1 配电线路上产生的雷电过电压

1.1 威胁配电线路的雷电过电压的种类

对配电线路的绝缘形成威胁的雷电过电压，有如图1所示的3种雷害原因。

图1

1.2 直击雷

直击雷电过电压是雷直击配电线路时产生的过电压，流入的电流、产生的电压都极其大。其雷电冲击现象，为当电力线上流过急剧的电流时，电流I和在电力线上产生的电压U有如下关系：

过电压U=冲击阻抗Z×雷电流I （1）

线路的冲击阻抗是早些时间给出的流过线路的电流和在线路与大地间产生的电压的关系，由配电线路的形状和距地面高度决定。通常配电线路的相导线，其冲击阻抗为300Ω~500Ω。等价的导体截面越小，冲击阻抗越大。

例如，若20kA的雷电流直接落到配电线路的中间上，在线路两侧流过10kA的电流，若设配电线路的冲击阻抗为500Ω，则根据式（1）计算，产生的雷电过电压极大为5 000kV。

由于5 000kV大大超过高压配电线路的绝缘，故容易使绝缘子放电（绝缘破坏），同理，对于直击雷，即使是小的雷，如果不采取对策，也会导致绝缘破坏。

1.3 感应雷

威胁配电线路绝缘的感应雷是在雷放电的回击过程中产生的。感应雷有以下特征：

感应雷的主要成分是在雷放电的回击过程中产生的。

在配电线路上产生的感应雷电压在距落雷地点最近的点为最大。

雷电流和感应雷电压的极性相反。即负极性雷电流和正极性感应雷电压、正极性雷电流和负极性感应雷电压的组合。

1.4 逆流雷

当雷落到高建筑物时，一部分雷电流流过与该建筑物连接的配电线路，由此电流引起配电线路损害。

由于雷不直接落到配电线路上，故与直击雷不同；由于一部分雷电流流入配电线路，故与感应雷不同，而产生逆流雷时，存在配电线路末端的避雷器烧损事故不断增加，在向无线中继站和电视塔等位于地势较高处的站所供电的配电线路中，若站所侧的接地电阻高，则铁塔落雷时接地电位上升，致使较大雷电流反向侵入。在这些站所中，需确保极低的接地电阻值。

2 配电设备的绝缘特性

50%闪络电压：在多次施加同样波形、相同峰值冲击电压的情况下，将闪络发生的概率为50%的电压值称为50%闪络电压。该值是实验测试的闪络，由升降法或插入法求得。

雷电冲击耐压：即使对试品施加该电压，也不产生绝缘破坏的电压值就是耐压。

2.1 绝缘子和设备的绝缘特性

各种绝缘子和设备的特性，对通常所用的绝缘子，各生产厂家产品均符合国标。其雷电冲击耐压，大致如下：

1）10kV配电线路的雷电冲击耐压为60kV以上；

2）一般串联设备比并联设备的耐压高，下列设备如按雷电冲击耐压能力从高到低顺序排列，则为：高压耐张绝缘子＞高压针式绝缘子＞充气式（真空）开关＞高压熔断器＞柱上变压器。

将串联设备的耐压设计的比高压熔断器和柱上变压器的耐压高的理由，是因为串联设备中的设备的绝缘破坏的影响范围广。

2.2 绝缘子和设备的电压-时间（U-t）特性

图2

图2 在雷电冲击耐压试验中，绝缘子和设备施加将要发生闪络的电压，求出50%闪络电压和标准偏差。

若从50%闪络电压徐徐上升所加的雷电冲击电压，则如图2所示，发生闪络的时间将缩短。将施加的电压峰值（U）和从施加雷电冲击电压开始到闪络的时间（t）之间的关系称为U-t特。

图3

如图3所示，假如在避雷器的U-t曲线时间短的一侧具有急剧上升的A特性，则在施加相当大电压的情况下，最初在设备侧产生闪络，避雷器未起作用。实际上避雷器的放电电压如图3中B特性所示，在所有时间点比设备的闪络电压都低，能起到保护作用，我们可以认为10kV配电设备和避雷器可确保充分协调配合。

3 配电线路的雷害情况

3.1 绝缘部位闪络由工频续流引起的损害

因雷电过电压而使绝缘部位闪络成为引发条件，必然产生雷害事故。但是，从目前先进的制造技术判断，可以认为单以雷电过电压的能量以至发生永久性事故的例子较少。在只有一相配电线路闪络的情况下，在10kV非接地系统，流过的接地电流很小，以至于造成设备破坏的情况较小。因此，在设备产生损坏的情况下，需要考虑的是二相以上的短路而引起工频续流的发生，作为达到二相短路的机理，除同一支持杆中的二相接地或二相短路外，还应考虑不同杆间的二相接地情况。实际上，在不同杆的异相间有不少事故发生的事例。

比较典型有两种情况：1）在配电线路绝缘子部分发生二相以上的闪络，系统流过短路电流，在变电站的保护未来得及动作情况下以致断线，停电损害影响较大。该情况的例子是伴随配电线路绝缘化而增加的断线事故，如果在绝缘导线上产生闪络，则工频电弧点被固定，熔断时间变短，变电站保护难以防止断线；2）在柱上变压器的高压熔断器的负荷侧发生闪络的情况下，由于在续流回路中加入熔丝，故通过熔丝遮断工频续流的可能性较大，因此，仅仅造成该柱上变压器的用户停电。

3.2 由直击雷的能量引起的损害

在雷害中，不一定只是遵循上述绝缘闪络工频续流的过程，有部分事故明显为由直击雷的能量引起的。如：混凝土电杆顶部的破坏，混凝土电杆顶部除雷直击外无电流的通过点，除去机械的原因而引起的破坏，水泥的缺损和剥离，一般可认为是雷电直击的能量引起的；避雷器的烧损事故，也可以认为全部是直击雷引起的。

4 避雷器的防雷

避雷器是装设在电路和大地之间，抑制系统发生的过电压、防止电气设备绝缘破坏的保护装置，一旦发生过电压，就要求其迅速动作，对电压进行抑制，过电压消失后，重新恢复到原来的绝缘状态。

在上世纪九十年代前，避雷器由串联间隙和SiC组合成阀式避雷器是配电线路用避雷器主流。九十年代后，ZnO元件的避雷器成为主流，氧化锌避雷器各方面的性能指标、可靠性都比原阀式避雷器有很大的提高。

4.1 避雷器的性能

作为避雷器的电气，对其特性有几项规定。主要内容如下：

放电开始电压（动作开始电压）

如果从保护效果方面看，则避雷器的放电开始电压以低为好。配电设备的绝缘水平之间的差距越大，就越能提高不同电杆间的保护效果。避雷器的放电开始电压的U-t特性（电压-时间特性）如图3所示，按通常要求，避雷器的U-t曲线不与保护设备的U-t曲线相交，为防止系统中产生的持续性异常放电而使避雷器烧损，放电开始电压多设在该电影值以上。

4.2 限制电压特性（避雷器放电电流-避雷器端子间电压特性）

限制电压是避雷器放电时产生的避雷器端子间的电压，是决定避雷器动作时保护性能的重要特性。

避雷器限制电压特性要素，由于电流和端子间电压（限制电压）无比例关系，故称非线性阻抗。在避雷器放电电流和侵入雷电过电压中有关系式

Ei=ZIa+Ua （2）

式中：Ei为侵入雷电过电压；

Z为线路的冲击阻抗；

Ia为避雷器放电电流；

Ua为避雷器端子电压（限制电压）。

放电容量

尽管因避雷器放电电流引起避雷器元件过热，导致烧损例子并不多，但也不是一点没有。所以避雷器的放电容量，应使用大于2 500A的额定值。

4.3 避雷器的保护范围

雷电过电压的侵入形态是各种各样的，简单的如图4所示，假如过电压从线路左侧侵入。过电压在架空线路上的传播速度接近300m/μs（光速）。从应保护的绝缘子支持点通过过电压，到达电压达到避雷器的时间需要a/300（μs）。即使忽略到达避雷器放电开始时间，由于避雷器的效果，折返到达绝缘子还需要a/300（μs），故至少延时a/150（μs），才能在绝缘子点产生避雷器的效果。在考虑防雷保护时，需要将过电压作为行波处理。

图4

决定避雷器的保护范围的主要因素是雷电过电压的波头陡度，如果雷电过电压的波头长度大于a/150（μs），即使避雷器与保护点的距离较远，也有效果；如果波头长度短，则可保护距离a（m）变短。例如，设波头长度为0.1μs，要使（a/150）＜0.1不等式成立，a应为15m以下。增加避雷器的设置数量方法，可以缩短应保护的绝缘子设备和最近的避雷器之间的距离，是防范直击雷和严重的感应雷等的陡波雷电冲击的对策。

4.4 避雷器的接地

如果避雷器动作，在其接地点流过冲击电流I则在线路上产生因接地电阻R引起的电位上升I・R，施加在保护设备电压的为I・R加避雷器的端子间电压，若该值大，则有可能使应保护设备绝缘闪络，为了防止这种情况，一种方法是尽量降低接地电阻，另外方法是，将保护设备接地和避雷器接地连接在一起，此时，施加在保护设备电压，不叠加I・R的电位上升部分，只叠加避雷器的端子间电压。

5 架空地线的防雷

用于配电线路的架空地线，考虑以下5个方面的效果：

1）利用架空地线与相导线的电磁遮蔽效果抑制感应雷电压；

2）将雷引向架空地线，防止雷直接击向相导线；

3）将直击到架空地线的雷电流分流到与架空地线有一定距离的不同杆塔的接地极，抑制遭雷击杆塔的接地电位上升，防止逆闪络；

4）通过架空地线和相导线的电磁耦合，降低直击雷时的绝缘子间电压，防止闪络；降低避雷器通过电流；

5）通过降低雷直击时和用户设备落雷时，雷电流逆流向供电电源的配电线路的避雷器通过电流，来防止避雷器烧损。

以上5个方面，其中2）、3）、4）是对线路直击雷的对策，这也是经常在输电线路的雷害对策中研究使用，1）感应雷对策，5）是防止因雷电流而烧损避雷器，是在配电线路中较为常见问题。

6 绝缘导线的雷击响应特性

因雷引起绝缘导线断线的起因与裸导线相同，是由于雷电过电压破坏绝缘子和绝缘覆盖的绝缘产生接地。由于10kV系统一般为小接地电流系统，故一相接地时流过的接地电流最大为数安培，大多数可短时间恢复绝缘，一相接地不至于断线。

如果二相或三相发生接地，就会通过金属横担形成相间短路状态，流过数千安培的短路电流，该短路电流引起导线熔断，在绝缘导线中，由于短路电流的流入、流出点固定在最初绝缘破坏时产生的绝缘导线的针孔部，因此，电弧热量集中在针孔部，以致在短时间内断线。通常导致二相断线、三相断线的情况较多，即使一相断线，伴随电弧电流的通过，一般在其他相留下痕迹。

绝缘导线和绝缘子组合的绝缘特性：

由于绝缘子的电容与绝缘导线的电容相比相当小，故在雷电过电压加到配电线路上时，绝缘子和绝缘导线组合的绝缘破坏情况较复杂。在电容小的绝缘子和电容大的绝缘导线的组合中，绝缘子分担的电压变大，首先在绝缘子部位发生闪络，其后绝缘导线是否继续发生闪络，则因条件而异。

裸导线与绝缘导线相比较，雷电冲击电压施加到裸导线的情况下，雷电冲击电压越高，闪络时间越短，且从放电点急速下降到零电压。而在绝缘导线中电压开始缓慢下降，其后，施加电压一定或稍有上升的电压，存在就此持续不发生绝缘破坏，和最终发生大电压降落以致绝缘破坏两种状态。

在绝缘导线中电压开始缓慢下降过程，为绝缘子闪络过程，此时不至于造成击穿绝缘导线被覆盖部分的绝缘破坏。在绝缘子部位放电后，从绝缘子部位放电点向绝缘导线的长度方向开始沿表面放电，在该沿表面放电过程中，大量电荷附在放电路径上，因此，电压波形根据放电情况以各种形态变化，如果通过沿表面放电提供的电荷变大，则施加电压再次上升，破坏绝缘导线。

7 配电线路雷害对策

配电线路的雷害对策的目的。是减少因事故引起的停电时间，以及为了公共安全和减轻维护作业。最近，对应高度产业社会和高度信息时代，防止瞬时电压降低也成为一个重要目的。

配电线路防雷对策主要方法如图5

图5

其实现目的为：

1）以预防雷电过电压方法为主；

2）使因雷电过电压而引起的绝缘闪络次数减少；

3）事故电流（续流）对策；

4）为防止重大事故，限制隔离闪络地点（被害地点）将配电线路停电区间缩小局限化等。

组合这些方法，实现雷害对策。但由于雷的形状，落雷频度因地域而异，且配电设备的形态也因各电力公司而不同，故不能仅用一种方法。过去的防雷方针从以2）为基本方法，辅助采用3）方法来看是比较理想的。4）方法是加强防止随绝缘导线的普及而引起断线的对策。

参考文献

[1][日]横山茂.配电线路雷害对策[M].中国电力出版社.

[2]林智敏，万幸倍.上海城市架空绝缘配电线路防雷的技术措施[J].高电压技术，2004，30(9)：73-74.