1、架空絕緣配電線路綜合防雷措施的應用研究上海兆邦電力器材有限公司1.引言無論國內或國外，在配電線路上，現在都已廣泛地應用了絕緣導線。可以說，配電網的絕緣化，已是一項成熟的技術。但是，絕緣導線在應用過程中，也出現了一些新的問題。其中，最為突出的問題，是遭受雷擊時，容易發生斷線事故。據有關資料的統計，浙江地區到2004年為止，雷擊斷線事故與雷擊跳閘事故約為395次：上海地區使用絕緣導線以來，已造成近百起雷擊閃絡事故。國外也有資料介紹雷擊斷線事故約占總雷擊的96.8%，日本的資料表明，雷擊斷線事故約占配電網絕緣事故得36.8%。 以上一些統計資料表明：雷擊斷線事故，是應用絕緣導線中最突出的一個嚴重問題

2、，這引起國內外防雷工作者們的廣泛注意，并積極開展對等試驗研究工作，并找到許多有效的防治措施。我公司在已有的經驗的基礎上，開展了絕緣配電線路防雷綜合措施的應用研究，取得了較好的成效，現總結介紹如下2線路防雷的基本常識2.1雷電的危害性 雷電引起的過電壓，叫做大氣過電壓。這種過電壓危害相當大。大氣過電壓可分為直接雷過電壓和感應雷過電壓兩種基本形式。 雷電有下列危害：（1） 雷電的機械效應擊毀桿塔和建筑，傷害人畜。（2） 雷電的熱效應燒毀導線、燒毀設備、造成火災。（3） 電的電熱效應產生過電壓，擊穿電氣絕緣、絕緣子閃絡、開關跳閘、線路停電或引起火災、人身傷亡等。根據模擬試驗和運行經驗，平均高度為h米

3、的線路將吸引寬度為5h的雷電擊中線路，所以線路的等值受雷寬度為10h。如果落雷密度Y-0。015次/km²·雷電日，線路經過地區年平均雷電日為T，則100公里長每年的落雷數： N=r·10h/1000×100×T=Y·h·T 次/百公里·年若T=40雷電日/年，則每百公里線路平均落雷次數 N=0.015×40×h=0.6h次/百公里·40雷電日例如，10kv線路，平均高度h=8m線路長度一般小于50公里，平均每年受雷擊數： N=0.6×8×50/100=2.4次 由

4、此可見，配電線路若不采取防雷措施，是不能保證安全的2.2線路防雷中常用的幾個概念 （1）繞擊、反擊和感應雷 線路受雷擊后，絕緣子串二端電壓升高，會引起絕緣子串閃絡，根據雷擊點位置不同，引起雷擊閃絡的原因，基本上有下列三種： 雷擊線路附近的地面，在絕緣子二端產生電磁感應電壓，通常稱為感應雷過電壓。 雷擊塔頂或塔頭附近避雷線，雷電流通過桿塔入地，桿塔電位升高，絕緣子串發生閃絡，當雷擊避雷線擋距中央時，地線電位升高，也可能引起導線、地線間的空氣間隙s閃絡。這兩種現在統稱為反擊。它們都是原來接地的物體（桿塔、避雷器），受雷擊后電位升高，反過來對原來是高電位的導線放電。 雷繞過避雷線，擊中相導線，這種由

5、導線電位升高所引起的絕緣子串閃絡稱為繞擊。在高壓線路中，繞擊與反擊之和就是線路總的雷擊閃絡次數。繞擊和反擊時，雷電直接流過桿塔或導線。因此，這時產生的過電壓又稱為直擊雷過電壓。 圖1 不同的雷擊（2）絕緣子串的沖擊閃絡特性：在雷的沖擊作用下，絕緣子串可能產生沖擊閃絡，絕緣子串的予放電時間不同，其閃絡路徑也不同：tp3S 按最短空氣隔離閃絡：tp=1S，放電沿絕緣子上瓷瓶：tp1S沖擊放電緊貼瓷裙，沿每一瓷裙的上下表面串級閃絡。 沖擊閃絡后，隨后建立的工頻短路電弧將沿沖擊電弧路徑發展，會在瓷裙上留下痕跡。（3）耐雷水平在雷沖擊的作用下，絕緣子串是否閃絡與雷電流的大小及防雷措施的好壞有關，因此可以

6、引入一個叫“耐雷水平的”參景來表示。我們把能引起絕緣閃絡的最小臨界雷電流稱為耐雷水平。耐雷水平是判斷輸電線路耐雷性能的一個重要數據，也稱保護水平。耐雷水平愈高、意味著線路防雷措施愈完善，絕緣子串沖擊閃絡的概率愈小，輸電線路的電壓 等級愈高，其重要性愈大，因而要求有較高的耐雷水平。（4）雷擊跳閘率建弧率前面介紹了雷沖擊時絕緣子串發生沖擊閃絡的過程，雷沖擊電壓過去后，弧道仍有一定程度的游離，在工頻電壓的作用下，將有短路電流流過閃絡通道，形成工頻電弧。雷電壓持續時間很短（100S左右），絕緣子沖擊閃絡時間相應很短，繼電保護來不及動作，所以僅有沖擊閃絡并不會引起開關跳閘只有當沖擊閃絡火花轉變為穩定工頻

7、電弧，才會引起線路開關跳閘，因此一條線路的雷擊跳閘數，不僅與耐雷水平有關，而且與沖擊閃絡之后弧道建立工頻電弧的可能性、也就是建弧率有關，建弧率可用表示： =建立穩定工頻電弧的次數 總的沖擊閃絡次數建弧率的大小，主要與工頻電壓作用下弧道平均場強的大小有關，也和沖擊閃絡是發生在工頻電壓的哪一部分以及弧道的去游離情況有關，如果恰好在u=0發生雷擊，隨后就不會產生工頻電弧，根據實驗及運行經驗，主要與E有關、可按下式計算： =（4.5E0.75-14）×10-2 式中：E絕緣子串的平均運行電壓梯度（千伏 有效值/米）雷擊跳閘率 一條線路的雷擊跳閘次數與線路長度、雷電日的多少、以及防雷措施的好壞

8、有關，為了分析比較二條線路防雷措施的好壞，引入雷擊跳閘率n的概念：每百公里線路、40雷電日，由于雷擊引起的開斷數（重合成功也算一次），稱為該線路的雷擊跳閘率，簡稱跳閘率，跳閘率是衡量線路防雷性能好壞的綜合指標，它可定性地用下式表示： n=N×P1× 式中，N線路上的總落雷數 P1是雷電流幅值等于或大于耐雷水平的概念 建弧率 NP1表示會引起閃絡的雷擊數。所以NP1表示會引出開關跳閘的雷擊次數，即跳閘率2.3線路防雷的基本任務及措施線路防雷的基本任務是采用技術上與經濟上合理的措施，將雷擊事故減少到可以接受的程度，以保證供電的可靠性與經濟性。為此，一般設有四道防線：（1） 不繞

9、擊用避雷線或改用電纜等措施，盡量使雷不繞擊到導線上（2） 絕緣子不閃絡用改善接地或加強絕緣等措施，使避雷線或桿塔受雷擊后，絕緣子不閃絡。（3） 不建立穩定工頻電弧即使絕緣子串閃絡，也要它盡量不轉變為穩定的工頻電弧，開關不跳閘。為此應減少絕緣子的工頻電場強度或者電網中性點采用不接地或經消弧圈地的方式。這樣可使由雷擊引起的大多數單相接地故障能夠自動消除，不致引起相間短路和跳閘。（4） 不中斷電力供應這是最后一道防線，即使開關跳閘也不中斷電力供應。為此，可采用自動重合閘或雙回路，環網供電等措施。因此，在送電線路防雷中，允許有一小部分雷擊引起線路絕緣子閃絡，然后用減少建弧率以及自動重合閘的辦法，把雷害

10、引起的停電事故數減少到可以接受的程度。3.國內外對絕緣導線防止雷擊斷線和雷擊跳閘的研究成果3.1 絕緣導線雷擊斷線的機理分析以前采用裸導線時，當受到雷擊后（包括直接雷和感應雷），會引起線路閃絡。此時，工頻續流引起的電弧由于受到電磁力的作用，使電弧向導線落雷點的兩側迅速流動，雷電流經過開關、變壓器等設備處的避雷器迅速流入大地，或在工頻電流燒斷導線之前，引起跳閘，因而很少發生斷線事故。但是，當絕緣導線遭受雷擊時，情況就完全不同，雷電過電壓引起絕緣子閃絡，并擊穿導線的絕緣層。而擊穿點附近的絕緣物，阻礙了電弧沿著導線表面向兩側移動。因而，電弧只能在擊穿點燃燒。高達數千安培的工頻電弧電流集中在絕緣擊穿點

11、上，并在斷路器跳閘之前很快就把導線熔斷。3.2 國內外防止絕緣導線雷擊斷線和雷擊跳閘的防治措施國內外對防止絕緣導線雷擊斷線進行了許多實驗研究工作，介紹防止措施的資料是很多的，歸納起來，可以總結出以下一些主要措施。（1）架設架空避雷線利用架空避雷線的屏蔽作用來保護輸電線路，是一種傳統的有效方法。該方法的效果較好，而且可以免除維護，但缺點是：a）投資成本較高；b）防止繞擊的效果較差，易使線遭受反擊。（2）安裝氧化鋅避雷器采用氧化鋅避雷器，可以有效地截斷工頻續流，限制雷過電壓和配電線路的感應過電壓。其缺點是：a）保護范圍小；b）全線裝設的投資成本較大（但人行道，大門口等地域根據有關規定不允許全線裝設

12、）；c）必須剝開絕緣層，導致線芯浸水，有可能使導線內部的線芯受腐蝕；d）避雷器閥片長期承受工頻電壓，容易老化。（3）安裝線路過電壓保護器這種線路過電壓保護器，相當于帶有外間隙的氧化鋅避雷器。安裝時，絕緣層不需剝開，在運行中，平時是不承受運行淡雅的，因而使用壽命較長，也可免維護。其缺點是：它僅能防護雷電過電壓。（4）使用鉗位絕緣子 這是一種日本的方法。在絕緣導線固定處剝開絕緣層，架裝引弧放電間隙與特別設計的金屬線夾。當雷擊閃絡時，引發的工頻續流在該金屬線夾與絕緣子下金屬腳間燃弧，直至被線路開關跳閘切斷，從而避免燒傷絕緣子和熔斷絕緣導線。該方法的效果較好，成本也不太高。其缺點是：當雷擊閃絡時，工頻

13、電弧要把電瓷傘裙燒蝕損壞，需及時更換絕緣子；安裝時要剝開絕緣層，易使線芯進水，容易受腐蝕；要定制鉗位金屬線夾配套安裝在各廠各規格的支柱絕緣子上，采購及施工較麻煩。（5）使用穿刺式防弧金具其原理為：將該金具安裝在線路絕緣子附近負荷一側（背離電源側）的絕緣導線上，當雷電過電壓超過一定數值時，在防弧金具的穿刺電極和接地電極之間引起閃絡，形成短路通道，接續的工頻電弧便在防弧金具上燃燒，以保護導線免于燒傷。在單向供電的老線路上采用此產品效果較好，安裝方便，造價相對低一些，而環網供電的線路則需二側安裝造成工程及費用增加和線路不簡潔，鳥類較多地區易受侵襲接地。（6）采用長閃絡避雷器（LFA）研究表明，對于中

14、性點非直接接地的配電系統，當線路的工作電壓與閃絡路徑長度的比值（即電場強度E，E=Uph/L）減小時，由雷電閃絡發展為工頻續流的可能性將大為減小。利用上述的思想，俄羅斯學者提出了采用長閃絡避雷器，解決配電線路絕緣導線的雷擊斷線問題。 （7）加局部絕緣層的厚度從許多絕緣導線遭雷擊后斷線的事故調研，發現了一個十分明顯的規律：斷線的部位，幾乎全部都處于離開絕緣子（100-300）mm范圍之內，如果在這局部范圍內增加絕緣厚度，也可以防止擊穿。但是，這個方法在實際工作中，不易實現。因而，該方法不為人們所采用。4、絕緣配網綜合防雷措施研究通過分析對比，我們開發了一些防雷新產品。這些產品運用于絕緣配網的綜合

15、防雷，已取得了良好效果。現分別介紹如下：4.1 FEG-12/5型防雷支柱絕緣子（穿刺式/非穿刺式）上述介紹的各項措施都能在一定程度上防止雷擊跳閘和減少雷擊斷線事故，但不能從根本上避免雷擊斷線事故。 FEG型防雷支柱絕緣子是新型組合式結構的二合一防雷支柱絕緣子，其絕緣子有很好的絕緣性能和防污穢水平，可適用于10KV架空電力線路中絕緣和支持導線用，而且還具有防止10KV架空絕緣導線雷擊斷線的保護功能。本產品還具有穿刺通電功能，安裝施工極為方便可靠，不需剝開絕緣層可避免線芯進水和腐蝕，同時也極大減輕操作人員的勞動強度。由于把支柱絕緣子和防弧金具合二為一，不受環網供電負荷側（背離電源側）影響，更使線

16、路簡潔美觀并極大地降低了造價。本產品性能可靠，投資少，收效大，為電力部門防止架空絕緣導線雷擊斷線提供了一條經濟有效的途徑本產品分穿刺式和非穿刺式（剝除絕緣層）二種，其主要由絕緣護罩、夾線鋁合金金具、復合絕緣子、引弧棒、和下鋼腳等組成，見示圖1。示圖1其主要特點：見示圖21)引弧棒和夾線金具裝配連接成一體，當雷擊發生時，引弧棒和下鋼腳之間引起閃絡放電，形成短路通道，接續的工頻電弧移動到引弧棒和鋼腳之間燃燒，以保護導線免于燒傷。因引弧棒繞開傘裙并調至最佳放電間隙，放電效果更好并防止燒壞絕緣子傘裙。2) 具有穿刺式的刺齒構造，刺齒可拆卸，剝皮或不剝皮用途可選擇。刺齒采用比鋁強度更高電性能更好的銅材料

17、，表面經過電（滲）鍍處理以防止銅鋁結合時氧化，這樣銅或鋁線路都可使用。穿刺式的不需剝除導線絕緣層，避免線芯進水和腐蝕，安裝施工極為方便，可極大地減輕操作工人的勞動強度。3) 采用復合材料制作的絕緣子比PS-15等電瓷絕緣子的絕緣性能好，并且其爬電距離大，提高了絕緣子的防污穢水平，可滿足廣大用戶對絕緣子的防污穢要求。4) 絕緣護罩采用有硅橡膠材料制成，具有良好的絕緣性能、抗老化性能和阻燃性能。5) 已考慮到防止鳥類對架空導線造成短路危害的獨特結構。示圖24.2防雷支柱絕緣子（保護型）防雷支柱絕緣子（保護型）是為了防止10kv架空絕緣導線雷擊斷線而開發的新產品之一。它主要由保護型金具和復合絕緣子二

18、部分組成，其外形見圖2，3所示防雷支柱絕緣子（保護型）防雷擊斷線的主要作用在于：1）提高絕緣子的放電距離來減少線路雷擊閃絡率；2）通過保護型金具將導線圍繞起形成厚實的保護部件，以防止短路電弧根部的燃燒效應。閃絡時，電弧在保護型金具的厚實部位之間燃燒（見圖3），從而使導線免受損傷。安裝方式與傳統的針式絕緣子基本相同，但需對導線進行適當處理，相應地對應二種方式：1）剝皮型 為了使短路電流從導線流到保護型金具，并在金具外再罩上絕緣罩，這種結構稱為電導型保護方式。這種結構會對導線造成一定損傷。2）電容型 在絕緣導線外皮上纏繞一層導體形成電容，再定位在防雷支柱絕緣子（保護型）上。示圖34.3 玻璃鋼絕緣

19、橫擔雷擊閃絡取決于過電壓值和線路絕緣水平，研究表明雷擊引起的電弧嚴重程度是隨著沿閃絡路徑的電場梯度的降低而降低，因此提高10kv線路的絕緣水平就可使雷擊閃 絡率大為降低，同時，即使發生雷擊閃絡其電弧強度也大為降低。然而由于技術經濟原因，要大幅度提高支柱絕緣子水平較為困難。若將傳統采用的鐵橫擔由具有機械性能好，絕緣強度高的玻璃鋼取代用作支柱絕緣子橫擔（見圖4），則可顯著增加閃絡路徑，從而大幅度提高線路的耐雷水平，減低線路的建弧率而避免了雷擊斷線事故的發生。與此同時，還可為帶電作業贏得更多空間。 示圖4I防雷支柱絕緣子（保護型） II 絕緣橫擔 III 限流間隙4.4 保護型絕緣間隙橫擔玻璃鋼絕緣

20、橫擔的應用固然可減少線路的雷擊跳閘和雷擊斷線問題，但其過強的絕緣可能會將雷電流引向其他設備，造成其他設備的損壞事故，為使線路在遭受高強度雷擊時雷電流有一個釋放通道，我們在線路中采用了保護型絕緣間隙橫擔（見圖4）。保護型絕緣間隙橫擔由火花放電間隙、非線性電阻限流元件、玻璃鋼絕緣橫擔所造成火花放電間隙限制了雷電過電壓幅值，通過放電間隙的調整可控制架空線絕緣閃絡的局部限流元件能夠在瞬間截斷工頻續流，有效的保護了架空絕緣導線。玻璃鋼絕緣橫擔則可在限流元件難以承受高強度雷擊作用時給線路提供一個長閃絡距離的避雷保護，從而抑制工頻續流的產生。4.5 低壓電網的防雷當高壓線路落雷時，避雷器動作在接地電阻上產生

21、了電壓IR，若以5kA和7計算，IR=35KV。這一壓降使接地裝置與低壓側中性點等電位，這時低壓側出線相當于經導線波阻接地。所以電壓降IR基本都加在低壓線圈上，由電磁感應形成逆變換高壓側線圈則按照變壓比的關系感應出高電壓。例如10/38KV的變壓器變比為26。那么在10KV線圈兩端的沖擊電壓將達到26*35=910（KV）由于高壓側線圈出線端的電位受避雷器控制，所以，這910KV高電位完全分布在高壓線圈上，在中性點處達到最大值，可擊穿中性點附近的絕緣，可能擊穿高壓線圈的層間或匝間絕緣，為防止低壓側落雷反擊到一次側，可在低壓出口處裝低壓避雷器，其型號是HY3WR-0.28/1.3（見示圖5）示圖

22、54.6防雷元件試驗為評價防雷元件的防雷效果，我們對上述防雷元件進行了雷擊沖擊閃絡試驗，試驗在華東電力研究院試驗大廳進行。試驗的主要目的在于：（1）觀察放電部位，以了解保護金具防雷擊斷線效果；（2）掌握防雷元件耐雷沖擊水平。試驗情況表明，試驗結果與設計意圖相吻合，各次閃絡均在保護型金具與接地端（或羊角間隙）間發生（見圖2）。經歷數十次沖擊試驗后，絕緣導線無任何損傷。各元件的耐雷水平均有較大幅度提高。有關試驗結果見表2。表2 三種型式防雷元件的50%標準雷電沖擊放電電壓防雷元件型式U50（+）（KV）U50（-）（KV）防雷支柱絕緣子138194防雷支柱絕緣子+絕緣橫擔315441保護型絕緣間隙橫擔 防雷支柱絕緣子+絕緣橫擔+限流間隙220310PS-15瓷絕緣子12117510KV系統絕緣配合要求>75>754.7 防雷措施的綜合應用針對近年來雷電活動較為頻繁，而10KV架空配電線路防雷措施又較為薄弱這一特點，寧波多雷區的江科N104線路