有关配电线路防雷保护的研究

【摘要】针对配电线路常发生雷击断线事故，从而进行防范措施探讨，以求提高配电网安全运行水平。

【关键词】配电线路；雷击；防雷措施；配电设备

1.前言

配电线路运行数据表明，配电线路雷害事故频繁发生，严重危害了配电网的供电可靠性和电网安全，影响人民群众的生产、生活用电。因此，结合配电线路运行与雷害发生情况，研究配电线路的防雷保护措施具有相当重要的工程实际意义

2.线路防雷的概述

2.1 雷电的危害性

雷电引起的过电压，叫做大气过电压。这种过电压危害相当大。大气过电压可分为直接雷过电压和感应雷过电压两种基本形式。雷电有下列危害：

(1)雷电的机械效应——击毁杆塔和建筑，伤害人畜。

(2)雷电的热效应——烧毁导线、烧毁设备、造成火灾。

(3)电的电热效应——产生过电压，击穿电气绝缘、绝缘子闪络、开关跳闸、线路停电或引起火灾、人身伤亡等。

2.2 线路防雷的意义及措施

线路防雷的意义是采用技术上与经济上合理的措施，将雷击事故减少到可以接受的程度，以保证供电的可靠性与经济性。为此，一般设有四道防线：

(1)不绕击——用避雷线或改用电缆等措施，尽量使雷不绕击到导线上

(2)绝缘子不闪络——用改善接地或加强绝缘等措施，使避雷线或杆塔受雷击后，绝缘子不闪络。

(3)不建立稳定工频电弧——即使绝缘子串闪络，也要它尽量不转变为稳定的工频电弧，开关不跳闸。为此应减少绝缘子的工频电场强度或者电网中性点采用不接地或经消弧圈地的方式。这样可使由雷击引起的大多数单相接地故障能够自动消除，不致引起相间短路和跳闸。

(4)不中断电力供应——这是最后一道防线，即使开关跳闸也不中断电力供应。为此，可采用自动重合闸或双回路，环网供电等措施。

因此，在送电线路防雷中，允许有一小部分雷击引起线路绝缘子闪络，然后用减少建弧率以及自动重合闸的办法，把雷害引起的停电事故数减少到可以接受的程度。

3.绝缘导线防止雷击断线和雷击跳闸的研究成果

3.1 绝缘导线雷击断线的机理分析

以前采用裸导线时，当受到雷击后(包括直接雷和感应雷)，会引起线路闪络。此时，工频续流引起的电弧由于受到电磁力的作用，使电弧向导线落雷点的两侧迅速流动，雷电流经过开关、变压器等设备处的避雷器迅速流入大地，或在工频电流烧断导线之前，引起跳闸，因而很少发生断线事故。

但是，当绝缘导线遭受雷击时，情况就完全不同，雷电过电压引起绝缘子闪络，并击穿导线的绝缘层。而击穿点附近的绝缘物，阻碍了电弧沿着导线表面向两侧移动。因而，电弧只能在击穿点燃烧。高达数千安培的工频电弧电流集中在绝缘击穿点上，并在断路器跳闸之前很快就把导线熔断。

3.2 防止绝缘导线雷击断线和雷击跳闸的防治措施

国内外对防止绝缘导线雷击断线进行了许多实验研究工作，介绍防止措施的资料是很多的，归纳起来，可以总结出以下一些主要措施。

(1)放电绝缘子

也称放电绝缘子或钳位绝缘子。

日本东京电力公司采用放电钳位绝缘子以防止绝缘导线雷击断线。即在绝缘导线固定处剥离绝缘层，加装特殊设计的金属线夹。当雷电闪络引发工频续流时，工频续流在该金属线夹上燃弧直至线路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。

(2)架设架空避雷线

利用架空避雷线的屏蔽作用来保护配电线路，是一种传统的有效方法。该方法的效果较好，而且可以免除维护，在空旷地区同杆架设架空避雷线对配电架空绝缘线路进行屏蔽保护，架空绝缘线上的感应电压将降低(1-k)倍，k为避雷线与导线之间的耦合系数乘以冲击系数。

缺点：1)投资成本大。2)雷击架空避雷线后容易造成反击闪络/定位高度较低的雷电先导容易产生绕击闪络：仍然可能引发工频续流熔断绝缘导线。3)防止绕击的效果较差，易使线遭受反击。

(3)保护间隙

保护间隙将电弧拉长，使电网电压不能维持电弧燃烧，是一种最简单的灭弧装置。

缺点：1)间隙不能切断雷电流之后的工频短路电流，必须借助于自动重合闸配合来切断电弧。2)间隙电压扰动将影响电能质量。3)间隙放电可能导致线圈形式的设备陡波击穿。

4.配电线路防雷保护

每100km线路的年落雷次数N=γTd[次/(100km·年)]=0.07××40=0.28（b+4h）

γ落雷密度[次/(雷暴日·km2)]；b两避雷线间距离，m；h避雷线平均对地高度，m；Td雷暴日数

4.1 配电线路耐雷性能的若干指标

4.1.1 耐雷水平(I)

它的定义是：雷击线路时，其绝缘尚不至于发生闪络的最大雷电流幅值或能引起绝缘闪络的最小雷电流幅值，单位为kA。根据技术——经济综合比较的结果，我国标准规定的各级电压线路应有的耐雷水平值(通常指雷击杆塔的情况)和超过该耐雷水平的雷电流出现的概率列于下表。可见即使是电压等级很高的线路，也并不是完全耐雷的，仍有一部分雷击会引起绝缘闪络。lgP=-（我国一般地区）=-(我国少雷地区)

各级电压线路应有的耐雷水平见表1。

4.1.2 雷击跳闸率(n)

它是指在雷暴日数Td＝40的情况下、100km的线路每年因雷击而引起的跳闸次数，其单位为“次／(100km·40雷暴日)”。当然，实际线路长度上不可能正好是100km，线路所在地区的雷暴日数也不可能正好是40，但为了评估处于不同地区、长度各异的配电线路的防雷效果，就必须将它们都换算到某一相同的条件下(100km，40雷暴日)，才能进行比较。

单是雷电流超过了线路耐雷水平，只会引起冲击闪络，只有在冲击闪络之后还建立起工频电弧，才会引起线路跳闸。由冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率称为建弧率(η)，它与沿绝缘子串或空气间隙的平均运行电压梯度有关，可由下式求得

η=（4.5E0.75-14)×10-2

式中：E—绝缘子串的平均工作电压梯度(有效值)，kV／m。

对中性点有效接地系统

E=

对中性点非有效接地系统

E=

式中：Un—线路额定电压(有效值)，kV；

l1—绝缘子串长度，m；

l2—木横担线路的线间距离，m。

若为铁横担或钢筋混凝土横担线路，l2=0。如果E≤6kV(有效值)／m，得出的建弧率很小，可取≈0。

4.1.3 雷击跳闸次数

n=N（gP1+PαP2）η=0.28（b+4h）（gP1+PαP2）η

g—击杆率；P1—超过反击耐雷水平I1的雷电流出现概率；Pα—绕击(直击)率；P2—超过绕击耐雷水平I2的雷电流出现概率

4.2 线路雷害事故发展过程及防护措施

配电线路雷害事故的发展过程及相应的防护措施可利用下图中的图解加以说明。

只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起长时间停电事故。这里扼要介绍一下现代配电线路上所采用的各种防雷保护措施：

4.2.1 避雷线(架空地线)

沿全线装设避雷线直到目前为止仍然是110kV及以上架空配电线路最重要和最有效的防雷措施，它除了能避免雷电直接击中导线而产生极高的雷电过电压以外，而且还是提高线路耐雷水平的有效措施之一。在110～220kV高压线路上，避雷线的保护角α大多取200～300；在500kV及以上的超高压线路上，往往取α≤150。35kV及以下的线路一般不在全线装设避雷线，主要因为这些线路本身的绝缘水平太低，即使装上避雷线来截住直击雷，往往仍难以避免发生反击闪络，因而效果不好；另一方面，这些线路均属中性点非有效接地系统，一相接地故障的后果不象中性点有效接地系统中那样严重，因而主要依靠装设消弧线圈和自动重合闸来进行防雷保护。

4.2.2 降低杆塔接地电阻

这是提高线路耐雷水平和减少反击概率的主要措施。杆塔的工频接地电阻一般为10-30Ω，具体数值可按表2选取。

在土壤电阻率ρ≤1000Ω·m的地区，杆塔的混凝土基础也能在某种程度上起天然接地体的作用，但在大多数情况下难以满足上表中接地电阻值的要求，故需另加人工接地装置。必要时还可采用多根放射形水平接地体、连续伸长接地体、长效土壤降阻剂等措施。

5.结束语

综合上述，对于防止架空配电线路导线雷击断线措施是多种多样的，各有优缺点，采取了在架空配电线路安装过压保护器措施，有效地防止雷击断线事故发生，保证配电网安全运行。

雷击断线是绝缘导线特有的问题，应引起足够重视并采取相应的措施；通过加强绝缘和加装防雷支柱绝缘子或保护型绝缘间隙横担等新产品的应用并采用”疏导”和”堵塞”相结合的防雷措施的综合应用，能有效地减少雷击闪络概率，避免雷击断线发生。雷电是一个古老而又复杂的自然现象，单纯依靠某项保护措施难以解决绝缘配网的防雷问题，必须采取综合防雷措施才能有效的防止雷击事故发生。以上介绍的综合防雷措施经实际应用证明具有明显的架空绝缘导线防雷和防止雷击后导致绝缘导线断线的效果。

参考文献

[1]段建华.对配电线路防雷保护措施的探讨[J].城市建设理论研究,2012(7).

[2]建筑物防雷设计规范.GB50057-94.

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