常州地區10kV配電網雷擊斷線情況調查及防雷措施分析目錄TOC\o"1-2"\h\u25411常州地區10kV配電網雷擊斷線情況調查及防雷措施分析 156811.1常州地區10kV配網雷擊斷線基本情況 110361.1.1常州雷電活動分布 1293701.1.2斷線部位分析 3228801.1.3導線布置影響分析 4151181.210kV配電網防雷措施對比分析 630911.2.1架設避雷線 6210031.2.2加裝耦合地線 8172721.2.3裝設線路避雷器 966251.2.4降低桿塔接地電阻 11308561.2.5不平衡絕緣 12207681.2.6采用并聯間隙保護技術 13233271.2.7結果分析 151.1常州地區10kV配網雷擊斷線基本情況1.1.1常州雷電活動分布為了分析10kV配電網線路的基本情況，本文選擇國網常州供電公司配電運檢工區10kV配電線路數據進行統計分析。常州地處江蘇省的南部方位，西南方位整體地形高于東北方位，整個江蘇屬于丘陵地形地貌，常州也是如此。整個常州境內河湖眾多，也有一些小丘陵。比如滆湖、天目湖，還有茅山等等。水網密集，地形獨特，且常年有雷雨季，因此發生雷暴的概率較大，一年內的雷暴日近一個月左右，屬于雷暴多發區。圖1.1常州地區雷電活動情況Fig.1.1LightningactivityinChangzhou.根據上圖的數據可知，3月份開春季節到來以后，隨著下雨天數的增多，雷暴日的概率也在增高。7月份是夏季雷雨季節，雷暴日數值最高。過了雷雨季以后，雷暴日又逐漸減少。整體呈一個逐漸上升再逐漸下降的趨勢，最高點在7月份。這也符合雷擊斷線故障發生的時間規律，在制定技術和管理措施時，也應遵照季節性雷害的特點。根據2015-2019年雷擊斷線數據，統計了故障的分布情況，如下圖。圖1.2常州地區雷擊斷線故障分布情況Fig.1.2DistributionoflightningbreakinChangzhou.從圖中可以看出，雷擊斷線故障多發生在武進、新北等周邊鄉鎮地區，特別是武進區的前黃、南夏墅、禮嘉、牛塘以及新北區的春江，屬于雷害重災區。由于這些地區人口密度小，電纜線路少，架空絕緣線路較多，且運行環境周邊高層建筑物較少，環境開闊，利于雷擊現象的產生。而天寧區、鐘樓區等中心城區人口密度大，高層建筑多，且城區電纜線路多，不易發生雷擊導線的現象。1.1.2斷線部位分析2019年共38次雷擊斷線故障中斷線部位的數據統計，發現雷擊斷線部位均在金具連接處和絕緣子支撐處，具體數據如下表所示，數據來源于國網常州供電公司配電運檢工區現場運維記錄。表1.12019年雷擊斷線部位與防雷措施數據Tab.1.1Dataoflightningbrokenlinepositionandlightningprotectionmeasuresin2016.位置無防雷措施防雷絕緣子防雷金具屏蔽線金具連接處5130絕緣子支撐處144011同時分析了2019年15次雷擊斷線的雷擊位置，具體情況如下表。表1.22019年雷擊斷線具體位置Tab.1.2Dataoflightningbrokenlinepositionin2019.線路名稱導線檔距斷線點距最近端桿塔距離東海線42米0.2米石化線51米0米白沙線50米0米莊士線50米0米龍北線78米0米安鎮線45米0米協勤線45米0米城巷線43米0米東海線65米0米雅浦線50米0米天香線55米13米馬安線50米15米前舍線40米20米科技線60米20米前園線60米4.5米從數據中看出，大部分的斷線位置都在導線與桿塔連接處，即金具連接處和絕緣子支撐處。即使安裝了防雷金具，導線也可能在耐張線夾處或者防雷金具穿刺處發生斷線；即使安裝了防雷絕緣子，導線也可能在防雷絕緣子或者普通直線絕緣子處斷裂。因而可以得出結論，無論是否安裝防雷裝置，如果架空絕緣導線發生雷擊斷線，斷線點總是在絕緣最薄弱的點，也就是受力支撐處附近。如今的配電網桿塔上，柱式絕緣子是最常見的，鄉鎮地區的桿塔上大多采用這種絕緣子。后來，為了增加爬電距離，對絕緣子的安裝方式和形狀做了改進，從架線的變成懸掛式。但是這種絕緣子不耐張力，日常導線都存在一定的受外力擴張的影響，不耐張絕緣子會造成絕緣損傷。為了避免這一點，轉角桿塔一般使用的是耐張絕緣子。另外，越靠近絕緣子支撐處或者金具連接處，空氣間隙越小，當線路遭受雷擊時，此處越容易發生擊穿，并產生電弧。雷擊即使沒有直接擊中線路，但受到某些影響因素也會發生擊穿，這個部位距離桿塔半米左右，工頻續流電弧也將固定在絕緣層損傷處燃燒，燒斷絕緣導線。圖1.3絕緣導線雷擊斷線處受力分析Fig.1.3Stressanalysisofinsulatedconductorbrokenbylightning.因此，必須加強架空絕緣導線支撐處的絕緣水平，才能減小雷擊斷線的幾率。比如增加絕緣子片數，或者進行局部絕緣層的加強，在絕緣子或者金具連接處加厚絕緣層，進而提高絕緣水平。1.1.3導線布置影響分析由于目前線路通道的緊張，很多線路采取的是同桿雙回或者同桿多回架設方式，導線的排列方式也不盡相同，通過分析2016年38次雷擊斷線中同塔回路數和導線排列方式，得出了以下結論，數據來源于國網常州供電公司配電運檢工區現場運維記錄。表1.3不同回路數雷擊斷線次數Tab.1.3Timesofbrokenwiresbylightningwithdifferentcircuitnumbers.項目單回路雙回路三回路四回路斷線次數24913百分比63%37%圖1.4多回路線路Fig.1.4Multilooplines.理論上來說，回路數越多，電磁環境越復雜，雷擊斷線概率越大，但是統計數據中單回路的樣本容量大大多于其他回路數的，因此單單通過絕對數量對比不具有可行性。但是目前在常州地區配網中，雙回路及以上同桿線路的通道公里數只占到所有線路長度10%不到，而其雷擊斷線率卻占到所有線路的37%，可見雙回及多回同桿架設線路更容易發生雷擊斷線事故，應著重進行防雷措施的研究。分析2019年單回路架設的絕緣導線斷線數據，如下表所示。表1.4單回路架設絕緣導線斷線與導線布置關系Tab.1.4Relationshipbetweenbrokenwiresandarrangementofinsulatedconductorsinsingle.布置方式斷線次數三角排列12水平排列3分析原因主要是，常州地區10kV單回路架設的絕緣導線多采用三角排列，因此其遭受雷擊的概率也更大；另外，運行經驗表明，水平排列能有效降低導線的平均高度，從而有效降低雷擊概率，對于雷擊概率高的線路和地區能起到很好的效果。分析2019年國網常州供電公司配電運檢工區雙回及多回架設斷線數據如下表所示。表1.5多回路線路斷線情況Tab.1.5Disconnectionofmulticircuitlines.線路名稱導線布置型式斷線位置10千伏英特線雙回路上層三角排列的中相10千伏新禮線雙回路左右垂直排列的上線10千伏桐莊線雙回路左右三角排列的上線中線10千伏前鎮線雙回路左右三角排列的上線中線10千伏龐家線雙回路左右三角排列的下線三根斷10千伏南湖線雙回路左右垂直排列的上線10千伏華陽線雙回路左右垂直排列的上線10千伏東吳線雙回路上層三角排列的上線及邊線10千伏東華線雙回路左右垂直排列的上相10千伏醫療二線四回路上層三角排列的上線10千伏武宜線三回路上層三角排列的邊相10千伏宏城線四回路三角排列的上線和邊線10千伏崔杏線四回路三角排列的上線和邊線統計數據顯示，雙回及以上架設的導線，出現斷線的位置多是線路的上層，三角排列的中相以及垂直排列的上線。其中雙回路架設方式中，由于左右排列（三角、垂直）比上下排列的情況更多，因此雷擊斷線的數量也更多。1.210kV配電網防雷措施對比分析1.2.1架設避雷線避雷線又稱防雷線，位于導線上方，顧名思義即用于保護設備防止雷擊。避雷線的架設過程中需要注意，每個桿塔都應該接地，這樣做的目的是防雷效果更好。避雷線的架設需要滿足以下兩個條件：（1）架空導線本身的絕緣水平影響防雷的效果，因此絕緣設計效果需要良好，同時塔的頂部與相間導線之間應具有足夠高的雷電放電電壓。（2）發生雷擊故障的時候，雷電流會流向大地，這個電流受接地電阻的影響，桿塔的接地電阻值應盡可能的偏小。1. 避雷線的作用（1）串并聯原理中，支路多了，分流作用越明顯。避雷線也是如此，可以有效降低導線發生雷擊時產生的雷電流，減小感應過電壓，桿塔山的電位減小。（2）在配電網中，導線之間存在耦合作用，因此利用耦合導線的原理能夠實現目的，降低導線過電壓。2.避雷線研究分析當配電網發生雷擊線路和雷擊桿塔時，會形成過電壓，這個過電壓會產生電暈，過程中電暈會持續衰減，從而引起絕緣子閃絡，最終發生反擊，這種情況出現的頻率較大。影響閃絡現象的因素有很多，其中，導線和避雷線之間的空氣間隙占有很重要的因素。為了達到要求，可以通過增大這個空氣間隙的距離，以此來避免避雷線和檔距之間發生雷擊現象所引起的起絕緣子閃絡。考慮到防雷效果，發生閃絡以及防反擊能力的綜合水平，一般只研究第一種情況。配網系統中，目前的研究現狀可知，避雷線的作用很明顯，能夠顯著提高線路的耐雷水平。查閱相關理論文獻，研究數據表明，避雷線與導線之間存在耦合效應，這個耦合性能影響感應過電壓的大小，并且和避雷線的高度有關。測試結果表明，感應過電壓的下降程度和避雷線與導線的距離成正相關。具體研究內容如下表1.6所示。表1.6不同情況下的過電壓及耐雷水平Tab.1.6Overvoltageandlightningwithstandlevelunderdifferentconditions.參數未架設避雷線避雷線高度為1.7m避雷線高度為2.6m耐雷水平/kA7.7910.189.67過電壓/kV108.582.3981.88根據表1.1的數據分析可知，不同高度的避雷線會產生不同的過電壓幅值，同時，耐雷水平也有較大差異。未架設避雷線的計算結果要明顯大于架設了避雷線的數據值。在安裝避雷線以后，測得的耐雷水平上升了21.46%，感應過電壓下降24.08%。根據我國目前的相關規定，一般架設在10kV線路的避雷線長度是1-2km，按照整條線路架設的方式，架設在重要地段，避雷線通過限制感應過電壓能有效地提高防雷水平，測試的結果顯示架設和未架設避雷線前后的防雷效果差距大概在20%-30%左右。低壓配電網線路本身絕緣水平低，雷擊現象發生的時候一系列的反擊閃絡效應反而限制了避雷線的使用效果，因此，很少在10KV低壓配電網架空線路中架設避雷線。1.2.2加裝耦合地線配網系統中，安裝避雷線效果不佳，防雷效果相比前者較差。前面提到耦合地線的作用原理，通常通過架設耦合地線來進一步滿足配網架空線路的防雷要求，采取這一措施以后，線路也能防反擊。研究表明，配電網架空線路中架設避雷線，防雷效果并不出色。還有一種方法就是在架空線的導線下方架設耦合地線，耦合地線因其耦合作用，可以有效提升線路的耐雷水平，進而明顯增強線路的防反擊能力。1. 耦合地線的作用（1）配電網的接地電阻對雷電流有影響，前面提到分流原理，架設耦合地線利用這個原理分流，降低導線的雷電流。而雷電流直接影響桿塔的電壓，降低電流即能降低電壓。（2）導線和地線之間存在一定的耦合效應，通過安裝耦合地線能夠增強這個耦合的效果，抑制絕緣子因為雷擊現象而發生閃絡。2. 耦合地線研究分析在配電線路中，架設耦合地線能夠減小雷電流分流時候的分流系數，進而降低桿塔頂部的電位數值。導線和系統接地點零電位的間距會因此縮短，從而防止絕緣子發生閃絡現象。值得注意的是，假設耦合地線的高度為x，和桿塔的水平距離為y，當x、y變大，則過電壓的數值下降越明顯。通過設置一定的前提和數據，來具體闡述這個下降效果。其中，排列方式為雙回直線排列，耦合地線又分為單耦合以及雙耦合，在合適的位置分別架設前面兩種耦合地線。設置一個縱向高度和橫向距離，高度位于導線下方1米處，橫向距離桿塔0.4米左右，完成以上步驟以后，計算這個位置狀態下的耦合系數和感應過電壓降低的百分比數值，具體結果如下表1.7。表1.7耦合地線與相導線之間的藕合系數以及對其感應過電壓降低百分數Tab.1.7Couplingcoefficientbetweencouplinggroundwireandphaseconductorandpercentagereductionofinducedovervoltage.相導線位置耦合系數(雙耦合地線)感應過電壓降低百分數耦合系數(單耦合地線)感應過電壓降低百分數上相導線0.327824.560.2263/0.219817.01/16.49中相導線0.381631.190.2671/0.253321.86/20.71下相導線0.466441.940.3388/0.297630.49/26.79由上表中的數據可知，耦合地線與相導線之間的耦合系數對感應過電壓的下降有很大影響。架設的位置不同，感應過電壓的下降幅度也不同。其中，以雙耦合接地線的變化更明顯，感應過電壓的閃絡概率有一定幅度的下降，大約在15%-40%。綜上所述，耦合接地線能抑制感應過電壓，同時降低因為過電壓而發生閃絡現象的概率。1.2.3裝設線路避雷器當線路遭受雷擊的時候，會發生閃絡現象，為了抑制閃絡，通常會安裝避雷器。避雷器的安裝位置會對抑制效果產生影響，目前的安裝方式是將避雷器與絕緣子并聯，避雷器固定在橫擔上，這是普遍的安裝方法。發生雷擊時，根據作用原理，避雷器先動作，雷電流因為避雷器動作而發生分流，分流效應能夠有效抑制絕緣子閃絡。與之前相比，線路上的電位上升，絕緣子兩側的電位下降從而有效抑制其發生閃絡現象的概率，因此安裝避雷器能夠更好地保護絕緣子。1. 避雷器的作用在低壓配電線路中，安裝避雷器的優點主要有兩點：（1）在發生雷擊塔頂或者避雷線時，線路電流會因避雷器發生分流，這里還涉及到一個分流系數，分流之后會降低絕緣子側面的電位，抑制閃絡發生，起到保護絕緣子的效果。（2）發生雷擊時，避雷器的安裝能夠更好地抑制感應過電壓。在配電網線路中，當發生雷擊故障時，生成的感應過電壓在三相中的幅值大小是相同的，這樣的結果不利于達到防雷的要求。因此，低壓配電線路中，一般采用在三相線路均安裝避雷器的方式，來防止感應雷帶來的影響，同時也能更好的防雷。為了驗證這一結論，建立一個10kV低壓配電線路模型，針對避雷器在三相中不同的安裝相來測試其抑制感應過電壓的具體變化效果。設定一定的參數并且進行仿真，仿真結果如下：發生雷擊時，未安裝避雷器，測試結果顯示原始的單相感應過電壓為265.7kV，裝設避雷器之后測試同樣情景下的同一相的感應過電壓，發現結果變化很大，減小了246.5kV。日本九州電網對此也進行過相關研究，研究結果表明，低壓配電網中，雷擊事故發生的概率和避雷器的總量沒有正相關的因果關系，而應該是和避雷器的安裝密度有關。對此，也進行了具體的研究測試。選定一個10kV的配電線路，定義閃絡電壓的大小為X,桿塔高度為Y,，檔距為Z，設置某一種情境下的參數，如：X=150kV，Y=10m，Z=75m。通過設置的三個數值，來進一步研究，計算目標數值為避雷器安裝的間隔距離和閃絡次數，并建立坐標軸，具體研究結果如下圖1.5所示。圖1.5不同避雷器間距對應的感應過電壓閃絡次數Fig.1.5Inducedovervoltageflashovertimescorrespondingtodifferentarresterspacing.由上圖可知，當檔距個數增大，感應過電壓的次數逐漸減小。因此得出結論：增大檔距個數，能夠有效降低感應過電壓的次數。最直觀的表現為檔距個數從3變成4，閃絡次數下降了81%，充分說明了這個結論的正確性。基于這個研究結果，各國的研究人員又綜合考慮到經濟性和可靠性，判定檔距個數為3時，避雷器防閃絡的效果最好。1.2.4降低桿塔接地電阻線路發生閃絡現象的原因主要有兩點，一是雷擊線路，二是雷電感應過電壓導致的。發生雷擊現象時，會產生雷電流和感應沖擊電流，兩個電流均會流向大地，此時防雷效果的好壞還受接地電阻的影響。1. 接地裝置的作用配電線路本身絕緣水平較低，安裝避雷線并不能可靠的達到防雷效果，因此在低壓配電線路中，一般不通過這種方式來進行防雷。相關研究表明，當發生雷擊塔頂時，采取一些有效措施可以降低塔頂和導線的電位差值，降低這個電位差實質是降低接地電阻（塔桿沖擊電阻），從而達到防雷目的。沖擊電阻由塔桿自身的工頻接地電阻乘以一個估算沖擊系數得到。換個角度來說，接地電阻的功能就是雷電流流入大地的通道通暢程度，減小接地電阻意味著疏通這個通道，使其變得更流暢，用這種方法可有效的達到耐雷水平要求。2. 降低桿塔接地電阻的研究分析雷擊塔頂現象的發生和桿塔本身的高度有關系，配電網因為桿塔高度較低，因此雷擊塔頂發生概率較低。針對雷擊線路展開分析，針對同一條線路，計算安裝避雷器前后且不同接地電阻的情況下的耐雷水平，具體研究結果如下表1.8和表1.9所示。表1.8雷擊線路(有避雷器)的耐雷水平Tab.1.8Lightningwithstandleveloflightningstrokeline(witharrester).絕緣子型號接地電阻30Ω耐雷水平(kA)接地電阻40Ω耐雷水平(kA)接地電阻50Ω耐雷水平(kA)接地電阻60Ω耐雷水平(kA)57-3S10.0419.7409.4419.142XP-79.9579.6599.3589.060PS-1510.2119.9089.6039.301P-2010.45910.1499.8389.527表1.9雷擊線路(無避雷器)的耐雷水平Tab.1.9Lightningwithstandleveloflightningstrokeline(withoutarrester).絕緣子型號接地電阻30Ω耐雷水平(kA)接地電阻40Ω耐雷水平(kA)接地電阻50Ω耐雷水平(kA)接地電阻60Ω耐雷水平(kA)PS-151.5161.5161.5161.516XP-71.3531.3531.3531.353P-201.6781.6781.6781.67857-3S1.4081.4081.4081.408根據上述計算數據可得出以下兩個結論：（1）首先可以明顯的看出，在安裝和未安裝避雷器的情況下，針對不同類型的絕緣子的進行耐雷水平測試，結果有較大差異。（2）安裝避雷器可以反向抑制線路耐雷水平與接地電阻之間的負相關的這個變化關系，使其變化程度小于1個百分點。而對于未安裝避雷器的線路，不受此影響。根據上述分析可以得出結論：改變接地電阻會直接影響避雷器的耐雷水平，但是這個影響程度對于線路總的來說可以忽略。1.2.5不平衡絕緣雷擊現象常常會引起閃絡，其中兩相閃絡發生的概率最大。線路有一定的絕緣水平，每一回線的絕緣水平不同，但這個絕緣水平有一個范圍：（1）絕緣水平相對平衡；（2）絕緣水平存在差異，但差異較小。雙回線各回線路都會因為雷擊發生閃絡，各相閃絡存在于各相，且大都發生在絕緣水平低的那一側。不平衡絕緣：當這個雙回線兩條線絕緣水平因為人為因素而產生不同時，雷擊塔桿時，一般是先讓低絕緣側線路發生閃絡，進一步提高另一條線路的耐雷水平，提高供電可靠性。1. 不平衡絕緣的作用不管是高壓電網(110kV，220kV)還是低壓配電網，同塔雙回線發生雷擊現象時，一般是一回線路跳閘，但更多的是雙回線同時跳閘。運用不平衡絕緣的這個觀點可解決雙回線同跳的問題，主動的讓一回線三相跳閘，增強耐雷水平。這個方法一般運用于高壓電網中，能有效提高供電可靠性。2. 不平衡絕緣的研究配電網線路中，因為桿塔高度和線路的長度的限制，絕緣子的數量不允許大幅度的增加，絕緣子不變動的情況下，要提高絕緣水平，就只能通過改變絕緣子本身來提高線路整體的絕緣水平，從而更好的增強兩相閃絡的效果。表1.10不同絕緣子防雷效果比較Tab.1.10Comparisonoflightningprotectioneffectofdifferentinsulators.絕緣子類型雷擊跳閘率雷擊跳閘降低幅度雙回跳閘率雙回同跳降低幅度玻璃絕緣子7.0350.44%6.3951.42%瓷橫擔絕緣子4.4158.46%1.7360.08%復合懸式棒形絕緣子5.2956.11%4.6757.06%采用不平衡絕緣的方法，對10kV配電網同塔雙回線路的兩相分別采用P15絕緣子和復合絕緣子或者玻璃絕緣子的情況進行分析，探究這種情景下的防雷效果。具體的測試結果如表1.10所示。根據上述數據可知，采用復合絕緣子，雷擊跳閘率最高。綜合比較上述三種不同絕緣子的情況，得出結論：第二種絕緣子的防雷水平最好，跳閘率降低幅度最大。采用不平衡絕緣的方法，可以有效降低雷擊跳閘和雙回同跳的幅度，降低的幅度大概是50%，由此得出結論，不平衡絕緣可以有效提高供電可靠性。1.2.6采用并聯間隙保護技術前面提到的架設避雷線和耦合地線的措施，不能起到有效的防雷效果。為了達到防雷要求，提高供電可靠性，采用一種并聯間隙保護技術。其原理如下：采用一對金屬電極并聯在絕緣子的兩端，這種特殊方法，能夠在絕緣子兩端制造出一個間隙。在發生雷擊現象時，此間隙能夠優先放電，抑制閃絡的發生，保護絕緣子。（1）并聯間隙的作用雷擊線路時，絕緣子兩側的間隙先放電，此時由于雷擊產生的電弧受到外力的作用會熄滅，更好地保護絕緣子。空氣的絕緣特性是短時間自動恢復，而線路的重合閘對時間的要求較高，間隙放電正好滿足短時間故障這個要求，綜合