论电网10 kV配电线路防雷的措施

〔摘 要〕 本文阐述了电网10 kv 配电线路容易因过电压造成绝缘事故。分析了配电线路出现大气过电压的主要原因，针对配电线路不同装置的特点，给出了相应的防雷措施和防雷设备等，提高了配电网的防雷害水平。

〔关键词〕 配网防雷；主要原因；防雷措施

10 kV 配电网具有分布广、设备多、绝缘水平低的特点，容易因过电压造成绝缘事故。目前，10 kV 线路以架空线路为主，线路地处旷野，易受雷击。在配网故障中，雷击造成的故障占总数的30 % ～ 40 %，严重威胁着电网的安全可靠运行。因此，对配电线路应采取必要的防雷措施。

1 线路出现大气过电压的原因

配电线路出现大气过电压的原因主要有2 种：一是雷直击于线路引起的，称为直击雷过电压；另一种是雷击于线路附近地面，由电磁感应所引起的，称为感应过电压。而配电线路上出现的感应过电压约占85 %，直击雷过电压约占15 %。

1.1 雷击于线路附近大地时线路上的感应过电压

当雷击于线路附近大地时，由于电磁感应在线路导线上产生感应过电压，同时由于雷云放电的起始阶段存在着向大地发展的先导放电过程，线路处于雷云与先导通道的电场中，又由于静电感应，沿导线方向的电场强度将导线两端与雷云异号的正电荷吸引到靠近先导通道的一段导线上，成为束缚电荷。导线上负电荷由于电场的排斥作用而使其向两端运动。当雷云对线路附近地面放电时，首先导致通道中的负电荷被迅速中和，使导线上被束缚的正电荷得到释放而沿导线向两侧运动，形成感应过电压，也称为感应过电压静电分量。同时，雷电通道中的雷电流在通道周围空间建立强大的磁场，磁场的变化也使导线感应很高的电压。

由于感应过电压的静电分量和电磁场产生很高的感应电压会破坏线路设备的绝缘，引起导线对地闪络，或者两相( 或三相) 同时对地闪络，从而形成相间闪络事故。

规程建议，当雷击点离线路的距离S > 65 m 时，感应过电压的最大值Ug 可按下式计算：

式中，Ug 为感应过电压的最大值，kV ；I 为雷电流幅值，kA;hd 为线路导线的高度，m ；S 为雷击点离线路的距离，m。

当线路有避雷线时，导线上的感应过电压为:

式中，K 为避雷线与导线的耦合系数。假设一条10 kV 线路导线高度为15 m，雷电流10 kA，K=0，计算可得感应过电压Ug.d =58 kV。

1.2 雷击于线路杆塔时导线上的感应过电压

雷击杆塔时，由雷电通道所产生的电磁场的迅速变化，将在导线感应出与雷电流极性相反的过电压。规程建议，对高度40 m 以下无避雷线的线路，感应过电压最大值Ug.α 使用下式计算:

式中，α 为感应过压系数，kV/m，基数值等于以kA/s 计算的雷电流平均陡度，即α=I/2.6。假设雷电流为10 kA，导线高度15 m，则可计算得到Ug.a=58 kV。上述分析表明，不论雷击是发生在线路附近大地上还是线路杆塔上，引起的感应过电压基本相同，即 Ug.d ≈ Ug.a。

对于10 kV 线路，由于线路的悬挂高度较低，当雷电流为10 kA 时，一般感应过电压不高。为保证线路的可靠性，选用的绝缘子装置的冲击电压应大于U50 %=60 kV。

2 10 kV 线路配电装置的防雷措施

防雷工作的重点应主要放在：

(1) 确定配电线路雷电事故的影响范围；

(2) 确定防雷保护的程度；

(3) 制定各种防雷措施。

10 kV 配电线路由于杆塔较低，雷电流一般在

10 kA 以下，其防雷措施介绍如下。

2.1 终端杆塔防雷

根据雷电流陡波的折射与反射的原理，线路末端断开时反射波等于入射波，当波到达开路末端时全部磁场能量将转变为电磁量而使电压上升1 倍，因此在线路末端必须要安装避雷器。

2.2 同塔多回路架设的线路防雷

同塔多回路架设的线路由于采用相同的绝缘水平，建议在多回路线路适当位置加装避雷器。同时，为避免雷击时对相邻线路造成反击，宜采用不平衡绝缘方式。当同塔架设的多回路线路选择一回路绝缘子的耐压比其他回路低些时，雷击时绝缘子耐压低的线路时会先闪络，闪络后相当于地线，从而增加了对其他回路的耦合，提高了耐雷水平。

2.3 架空绝缘导线防雷

架空绝缘导线线路遭受雷击后，直击雷过电压或感应过电压作用于导线，引起绝缘子闪络并击穿导线绝缘层。由于被击穿的绝缘层呈针孔状，接续的工频短路电流电弧受周围绝缘的阻隔，弧根只能在针孔处燃烧，在极短的时间内导线就会被整齐地烧断。事实显示，架空绝缘导线雷击断线大部分发生在绝缘子与导线固定处，且都是整齐被烧断的。

防范架空绝缘导线雷击断线的方法主要有堵塞和疏导2 种。堵塞就是阻止雷击闪络后工频续流起弧；疏导就是将绝缘子附近的绝缘导线局部裸线化，使工频电弧弧根转移，从而保护导线免于烧伤。具体方法和措施如下。

(1) 安装架空地线和避雷器等避雷装置，用以限制雷电过电压和分流雷电能量。

① 架空地线主要防止直击雷，对于10 kV 架空线路其效果不是非常明显，而且安装架空地线需要对现有的杆塔进行大规模改造甚至重新组立，增加了施工的难度和成本。

② 安装避雷器是比较容易实现的方法之一。与输电线路相比，配电线路需要保护的范围更广，很难完全消除配电线路的雷击故障。研究表明，安装避雷器的密度与限制雷电感应过电压的水平成正比关系，所以如果要消除配电线路的雷电事故，必须每基杆塔的每相都要安装避雷器。对于镇区内的线路，如果只单纯限制雷电感应过电压事故，则避雷器的安装密度可以降低至每200 ～ 360 m 线路每相安装避雷器。

安装的避雷器可以采用带串联间隙的架空配电线路复合外套避雷器。当雷击线路后，避雷器间隙击穿，雷电流经过间隙避雷器大地，从而保护了绝缘导线。其具体做法是将避雷器与绝缘子并联安装。首先将不锈钢电极装配到一起，并套装到避雷器螺栓上；将绝缘支架与不锈钢电极装配到一起并套装到绝缘子的螺杆上；将避雷器接地侧的支架接到绝缘子的螺杆上。然后调整放电间隙( 即调整不锈钢电极在避雷器高压端螺栓上的位置以及接地电极的安装位置) ，使绝缘导线与不锈钢电极之间的距离控制在设计要求的范围内，且不锈钢电极至绝缘子螺杆的距离不小于50 mm，对杆塔的接地电阻要求控制在30 Ω 以下。

(2) 局部增加绝缘厚度，或采用长闪络路径避雷装置，延长闪络路径，导致电弧容易熄灭。

雷电过电压作用在配电线路上，当绝缘子的绝缘水平低于过电压峰值时，配电线路将发生闪络。闪络后是否产生工频续流引起短路故障，取决于线路的额定电压、闪络路径的长度、发生闪络的时刻以及雷电流强度、线路参数等。其中线路的工作电压Uph(kV) 及闪络路径的长度L(m) 是最重要的因素。对于中性点非直接接地配电系统，当工作电压与闪络路径长度的比值即电场强度(E=Uph/L) 减少时，由雷电闪络发展为工频续流的可能性将大为减小，当E=7 ～ 10 kV/m 时，由雷电闪络发展为工频续流的可能性基本为零，即建弧率为零。

(3) 采用新型结构的绝缘子。在绝缘子与导线联接处，剥离局部绝缘导线的绝缘层，使电弧能够在剥离部分滑动，而不是固定在某一点烧蚀。为此该绝缘子应设计为带有灭弧外间隔的，以便在雷电过电压作用时，能够切断工频续流，防止续流烧断导线。

(4) 在架空绝缘导线上安装防弧金具。该办法需要破坏绝缘导线的绝缘层。一是对于辐射型线路，将导线的绝缘层由绝缘子轴线起向负荷侧剥离100 ～ 150 mm，在剥离段负荷侧端部加装1 个厚重的铝合金线夹。当雷击引起绝缘子闪络后，工频续流电弧在电动力的作用下迅速沿着被剥离的导线段向防弧线夹处移动，且弧根固定在防弧线夹上燃烧。二是对于环网线路，将绝缘子两侧的导线绝缘层分别剥离100 ～ 150 mm，剥离段的两侧端部都加装防弧线夹。当雷击引起绝缘子闪络后，工频续流电弧在电动力的作用下迅速沿着剥离导线段向背离电源方向的防弧线夹处移动，且弧根固定在防弧线夹上燃烧。

2.4 2 条线路交叉跨越防雷

当2 条线路交叉跨越时且上面一条线路受雷击时，可能会击穿空间造成2 条线路同时跳闸。另一种情况，当10 kV 线路跨越110 kV 以上线路时，由于110 kV 线路易受雷击产生感应过电压，对10 kV线路放电而引起其跳闸。

由于交叉处存在空气间隙，其冲击绝缘强度低于各线路对地的冲击绝缘强度。如果交叉处或附近受雷击时，可能使交叉处的空气间隙击穿，致使2条相互交叉的线路同时跳闸。若交叉点距最近杆塔的距离超过40 m 时，建议在距交叉点最近端的杆塔上加装避雷器。另外，线路交叉档两端的绝缘不应低于其邻档的绝缘。交叉点应尽量靠近上下方线路的杆塔，以降低雷击交叉档时交叉点上的过电压。10 kV 线路之间应尽量避免交叉跨越，同级电压线路相互交叉或与较低电压等级线路及通信线路交叉时的交叉垂直距离不得小于表1 所列的数值。

表1 不同电压等级对应的最小交叉垂直距离

2.5 架空线路与电缆线路的连接防雷

电力电缆应根据其本身结构特点和与其他电气设施连接的要求，按照不同电压等级采取不同的防雷方法。当与架空线连接时，根据设计规范和运行规程的要求，所有的户外电缆头处都要装设避雷器，电缆屏蔽层在两侧要可靠接地。运行维护中应保持防雷装置的有效接地。

2.6 配变台架防雷

为防止由于变压器熔断器熔断后配变台架失去避雷器保护，避雷器宜装在高压熔断器之前。另外，还可以利用配变进线绕成直径100 mm、10 匝的电感线圈，利用电抗器的原理阻止雷电波入侵，对配变实施多重保护。按规程规定，总容量为100kVA 以上的配变，其接地装置的接地电阻不应大于4 Ω，每个重复接地装置的接地电阻不应大于10 Ω ；总容量为100 kVA 及以下的变压器，其接地装置的接地电阻不应大于10 Ω，每个重复接地装置的接地电阻不应大于30 Ω，且重复接地不应少于3 处。另外，需要拆除的配变台架需连同引下线一同拆除。

配变台架的角铁横担使用接地引下线可靠接地，也是防止雷击损坏绝缘子的有效办法。配变两侧都要装设避雷器。

2.7 柱上断路器和隔离开关防雷

因柱上断路器和隔离开关的绝缘水平比线路绝缘子低，应在这些设备两端装设避雷器，且接地电阻要小于10 Ω。

2.8 多雷区的线路防雷

对于处于多雷区的架空线路，线路较长时可在线路中间位置加装氧化锌避雷器，改善杆塔接地电阻和杆塔电感，或架设耦合地线。对于个别高的杆塔建议装设避雷器保护，减小雷击对线路的危害。

3 几种绝缘子电气特性的比较和选择

目前，10 kV 线路上正在使用的耐雷水平较高的绝缘子主要有：棒形针式绝缘子(PSQ-15T)、盘形悬式绝缘子串(XP-7) 和胶装瓷横担(S-210)。这几种绝缘子的有关电气特性比较如表2 所示。从以上几项参数的比较可以看出，悬式绝缘子和胶装瓷横担的耐雷击水平较好，而针式绝缘子的耐雷击水平则稍逊。因此，建议把多雷区配电线路上的针式绝缘子换成胶装瓷横担或悬式绝缘子，增大导线对杆塔的空气间隙，进一步提高配电线路的耐雷击水平。由于玻璃悬式绝缘子比陶瓷悬式绝缘子有更优的自恢复能力，建议在多雷地区配电线路上尽可能采用玻璃悬式绝缘子。

表2 几种绝缘子的电气特性比较

4 结束语

10 kV 配网的防雷措施要从设计阶段就开始进行详细地分析；要根据各地的实际情况，选用质量可靠的电气设备和可靠性高的防雷设备，真正按照等电位的原则，充分做好符合要求的共用接地网，综合考虑防雷措施。只有这样，配电线路和设备才能避免遭受雷击的危害。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。