10kV配电架空绝缘导线的雷击断线问题及对策

1.概　述 

　　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，不仅在雷直击导线和塔顶时会闪络引起跳闸，而且在雷电击中周边的树木或建筑时，因感应电压过高也会导致闪络。 
　　目前我国大、中城市10kV配电线路采用绝缘导线作为架空配电线路的愈来愈多，有效地解决了裸导线难以解决的走廊和安全问题，与地下电缆相比具有投资省，建设快的优点，但也带来了一些新的技术问题，其中之一就是绝缘导线在运行中的雷击断线。上海市区自80年代末开始使用绝缘导线以来，至目前10kV城网已基本绝缘化。近期上海地区雷电活动频繁，已造成数十起配电线路雷击闪络事故，绝缘导线遭雷击断线事件也时有发生。表一摘要了上海市区供电公司近三年雷击线路跳闸统计情况（图1为03年8月2日黄陂南路30#杆遭雷击断线一组实物照）。因此，对绝缘线路固有的雷击断线问题决不能等闲视之，本文针对这一问题综合有关资料就雷击断线问题从原理上进行分析并提出一些经济有效的对策。 
 

2.雷击断线原理 

　　2.1雷击断线的原因 

　　10kV配电线路在设计上“先天不足”的耐雷水平，难以承受直接雷和感应雷的作用。当裸线遭受雷击发生闪络时，由于电动力关系，数千安培的工频续流电弧向负荷端移动直至保护动作，不会造成导线严重烧坏。绝缘导线则不同，在击穿点的周围存在绝缘，阻碍电弧的移动，使弧根停留在一点燃烧，此时即使将继电器跳闸时间调整到最小，导线也将被几千安的短路电流所损伤，断线事故的发生仍然难以避免。 

　　2.2高层建筑的屏蔽效应 

　　市区的各种高层建筑的屏蔽对减少直接雷的发生非常有效。但高层建筑的引雷作用却增加了邻近线路感应过电压的发生。据国外资料统计，配电线路感应雷占 80%，感应雷的放电电流通常小于1kA，感应过电压的幅值约可达200～300kV。如此高的过电压幅值对10kV线路来说是难以承受的。这也就说明了表一统计数据35kV线路跳闪率远低于10kV线路的原因。 

　　2.3影响10kV绝缘导线雷击断线的因素 

　　线路绝缘水平与建弧率 
　　当雷击作用于绝缘子,绝缘子的闪络取决于过电压值和线路绝缘水平.电弧产生的几率取决于多个参数:额定线电压U2、闪络路径L、雷冲击发生的时刻、雷电流的大小和线路参数等。在这些参数中主要决定于沿闪络路径的运行电压平均梯度。 
　　E=U2/√3·L 
　　L——闪络长度，m 
　　建弧率是随着E的降低而降低的。通过对电弧火花放电过程的数据分析得到结论，E≤7～10kV/m时，建弧率为零。 
　　工频短路电流与雷电产生的热量 
　　造成电弧熔断绝缘导线的热量与电弧作用时间有关，电弧电流产生的热量： 
　　Q=I2Rt 
　　I——电弧电流 
　　R——电弧电阻 
　　T——作用时间 
　　假定雷电波波头时间为2μs，雷电幅值为1kA；工频短路电流作用时间为0.2s，短路电流亦为1kA。则按上式公式计算可知工频续流产生的热量将比雷电流产生的热量大10000倍。由此可见感应过电压是雷击断线的诱因，而工频续流则是造成绝线导线断线的决定因素。 
　　研究雷击断线的原理主要目的是确定闪络部位并采取相应措施，使线路结构更为完善。 

3、对策 

　　在10kV线路中全线装设无间隙避雷器的防雷效果是不言而喻的。但是这得增加较大的投资，同时，大量地和架空线并联的无间隙避雷器将使架空线的运行可靠性不可避免地由于附加设备可能出现的故障而降低了。装设雷击线，可使雷电流迅速从避雷线上释放。雷击时导线上只产生感应过电压，具有较好的防雷效果。但因10kV线路绝缘强度较低，感应雷仍能引起闪络而发生雷击断线事故。故避雷器可减少雷击断线事故，但不能杜绝雷击断线事故。而下述几种方案不失为防止雷击断线经济有效措施。 

　　3.1采用玻璃钢绝缘横担 

　　雷击闪络取决于过电压值和线路绝缘水平，研究表明雷击引起的电弧严重程度是随着沿闪络路径的电场梯度的降低而降低的，因此提高PS-15绝缘子的绝缘水平就可使雷击闪络率大为降低，同时，即使发生雷击闪络其电弧强度也大为降低。然而由于技术经济原因，要大幅度提高支柱绝缘子的绝缘水平较为困难，目前上海地区大量使用的玻璃钢熔丝横担具有机械强度高、绝缘性能好等优点。若将其用作支柱绝缘子横担（见图2），则可显著增加闪络路径，从而大幅度提高线路的耐雷水平，减低线路的建弧率而基本避免了雷击断线事故的发生。 

    3.2采用保护型绝缘间隙横担 

　　玻璃钢绝缘横担的应用固然可减少线路的雷击跳闸和雷击断线问题，但其过强的绝缘可能会将雷电流引向其他设备，造成其它设备的损坏事故，为使线路在遭受高强度雷击时雷电流有一个释放通道，我们在线路中采用了保护型绝缘间隙横担（见图3）。 

　　保护型绝缘间隙横担由火花放电间隙，非线性电阻限流元件。玻璃钢绝缘横担所造成。火花放电间隙限制了雷电过电压幅值，通过放电间隙的调整可控制架空线绝缘闪络的位置。限流元件能够在瞬间截断工频续流，有效地保护了架空绝缘导线。玻璃钢绝缘横担则可在限流元件难以承受高强度雷击作用时给线路提供一个长闪络距离的避雷保护，从而抑制工频续流的产生。 

3.3采用保护型金具柱式绝缘子 

　　保护型金具柱式绝缘子，防雷击断线的主要作用在于：1）提高绝缘子的放电距离来减少线路的雷击闪络率；2）通过保护型金具将导线围绕起来形成厚实的部件，以防止短路电弧根部的燃烧效应。闪络时，电弧在保护型金具的厚实部分之间燃烧（见图4），而使导线免受损伤。 

　　3.4低压电网的防雷 

　　低压用电线路绝缘水平低，最易发生事故。因此，对低压用电线路的防雷保护要充分重视。我们在变压器出口处电缆定位支架上安装了穿刺型无间隙氧化锌避雷器（见图5）。 

　　3. 5采用NXL型耐张线夹 

　　绝缘导线在法国、日本、澳大利亚等国家20世纪60年代初开始采用，已经有40多年的经验，根据有关资料，日本90年代初将架空裸绞线大部分更换为架空绝缘线。线路的雷击断线事故也增加，雷击闪络发生在两相或三相之间，工频电流往往集中在绝缘层的击穿点上，从而使绝缘导体在断路器跳闸前熔断。装夹不剥皮耐张线夹的架空绝缘线在以下情况下容易发生绝缘皮蠕变或损伤： 
　　在张力作用下 
　　发生振动情况下 
　　受到雷击情况下 
　　损伤的部位大都发生在电杆上的绝缘线固定之处，距电杆200～500毫米，城网绝缘线防雷，一般采用安装避雷器的方法，或选装防雷击断线型的支柱绝缘子及防雷击断线型的耐张线夹。 
　　耐张金具的选用对断线事故的发生有一定的影响，一种是剥皮的NXL型的耐张线夹，另几种是不剥皮的NXJ型和NLL型耐张线夹。NXL楔型（剥皮）耐张线夹的优点有以下三点：一是考虑防雷和应力集中引起的断线以及绝缘层蠕变引起的滑线。不剥皮线夹，耐张夹持处为硬塑胶两块楔型夹板，夹板处绝缘导线的绝缘皮，因产生的握力使绝缘层蠕变破坏，再加上它的线夹壳体结构有平行尖锐角会产生感应过电压，引起雷击断线。原因二是非直接雷击导线。由于地面或树木被雷击的反击电压在导线上，不剥皮线夹与导线是绝缘状态，绝缘导线承受很高的残压而击断导线。剥皮线夹由于是厚实的金属体，起到水库容量及散热的作用，承受的残压由耐张线夹自身承受，这和在直线针式绝缘子上安装带间隙的避雷器或安装长闪络避雷器是同等道理。三是，当我们用剥皮耐张线夹和不剥皮耐张线夹在 240mm2绝缘导线上分别做试验，在拉力逐渐加大的情况下，剥皮的NXL型楔型耐张线夹始终没有抽筋的现象，直到拉力超过3.5吨时，导线才被破坏。而不剥皮的NXJ型耐张线夹，当拉力达到1.7吨时，绝缘外皮就与铝芯线分离，发生抽筋现象。国际上很多绝缘线路设计规程上明确规定绝缘导线安装耐张线夹时必须剥皮。（见图6） 

4、防雷措施的综合应用 

　　针对近年来我市雷电活动较为频繁，而10kV配电线路绝缘又较为薄弱这一特点，我们在市区供电公司所辖地区对防雷薄弱的线路采用上述措施进行了防雷改造，改造中采用了下述原则。 
　　1）旷野地区在原电杆上设避雷线，以防直击雷的侵袭。 
　　2）采用绝缘导线保护型绝缘子取代原PS-15绝缘子以适当提高绝缘子的雷电冲放电压并降低工频建弧率。同时，在闪络时将电弧引向绝缘子金具有利于散热可避免绝缘导线断线。 
　　3）在线路重要位置采用玻璃钢绝缘横担取代原有的铁横担，以加强绝缘。 
　　4）在线路重要设备处安装保护型绝缘间隙横担。保护型绝缘间隙横担在线路中具有控制闪络位置、释放雷电流、保护邻近设备等诸多功能，在配电线路防雷中具有重要作用。 
　　5）用NXL型耐张线夹取代原有的NXJ、NLL、NLD型耐张线夹以以防直击雷和过电压引起的雷击断线。 
　　通过防雷措施的综合应用，我公司10kV配电线路防雷能力有了较大提高。如虬18线路在防雷改造前二年中均遭雷击断线，而改造后已经历了二个雷季的考验，均未发生雷击断线现象。这一事例说明我公司防雷措施是较为成功的。目前，我司已计划将上述措施加以推广，以保证设备可靠供电，满足用户需求。 

5、结束语 

　　虽然10kV架空线路雷击跳闸不可避免，但只要领导重视、措施到位，绝缘导线的雷击断线问题是可以得到较好地解决的。