10kV架空配電線路防雷技術(shù)與措施

10kV架空配電線路防雷技術(shù)與措施摘要：本文主要分析了絕緣導(dǎo)線雷擊斷線原因,對(duì)10kV架空絕緣配電線路防雷措施進(jìn)行了探討，可供同行參考。關(guān)鍵詞：10kV配網(wǎng)；架空絕緣導(dǎo)線；防雷措施Abstract:Thispapermainlyanalysesthelinebrokencausedbylightningstrikingofinsulationwire,andexploresthelightningprotectonmeasuresof10kVaerialinsulationdistribution,whichisavailableforreference.Keywords:10kVdistributionnetwork;aerialinsulationwire;lightningprotection0前言 10kV配電線路在電網(wǎng)中的地位極為重要，一旦雷擊損壞，將直接影響主網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，造成嚴(yán)重的后果，因此要求有可靠的防雷措施。10kV配電線路路徑多建于空曠地帶或山上,由于暴露在自然中，極易受到外界的影響和損害,主要是受到雷擊故障的困擾。尤其是雷雨季節(jié),經(jīng)常因雷害事故而造成大面積停電,嚴(yán)重地影響了配電線路的安全、可靠運(yùn)行。我國電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,多雷地區(qū)線路雷擊跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的40%～70%。因此,如何切實(shí)有效地制定及改善配電線路的防雷措施,已經(jīng)成為確保線路安全、可靠運(yùn)行的重要工作之一。1雷擊斷線外部原因分析1.1雷電活動(dòng)強(qiáng)烈 惠州地區(qū)為多雷區(qū)，年雷暴日數(shù)在70天左右，雷電活動(dòng)十分頻繁，配電線路每年遭受雷擊的次數(shù)是很高的，對(duì)其應(yīng)及時(shí)采取有效的防雷措施。另外，地區(qū)土壤電阻率較小，在土壤電阻率較小的地區(qū)，雷擊的概率較大，這是由于靜電感應(yīng)的作用，在雷電先導(dǎo)放電階段，地中的感應(yīng)電流沿著電阻率較小的路徑流通，使地面電阻率較小的區(qū)域被感應(yīng)而積累了大量與雷云相反的電荷，而雷電自然就朝電阻率較小的地區(qū)發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)抽樣測(cè)得的土壤電阻率見表1（季節(jié)系數(shù)取2.0）。表1某10kV配電線路沿線土壤電阻率抽樣測(cè)量表1.2線路耐雷水平低 線路為景觀線路，相間距離小，結(jié)構(gòu)緊湊，且線路上所用絕緣子均為P15型，耐雷水平低，線路遭受雷擊后容易發(fā)生閃絡(luò)，易引發(fā)絕緣導(dǎo)線斷線事故。該10kV配網(wǎng)線路的耐雷水平按式（2）進(jìn)行計(jì)算： （2）式（2）中，U50%為絕緣子串的U50%沖擊閃絡(luò)電壓，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得該線路中所用P15型絕緣子的U50%沖擊閃絡(luò)電壓約為91.56kV；β為避雷線分流系數(shù)，這里該值取1；k為避雷器耦合系數(shù)，此處該值為0；Lgt為桿塔電感，桿塔的電感取0.84mH/m，則Lgt=0.84×10=8.4μmH；hd為絕緣導(dǎo)線懸掛平均高度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研取10m，Rch為桿塔平均接地電阻，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果，該值取15Ω。將這些值代入到式（1）可得該配電線路的耐雷水平為IL=4.15kA。而雷擊時(shí)產(chǎn)生的雷電流一般為幾萬安培，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該線路的耐雷水平。所以該線路遭受雷擊時(shí)極有可能發(fā)生閃絡(luò)。1.3現(xiàn)有防雷措施不足 根據(jù)線路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的情況，該10kV配網(wǎng)由于是新建線路，線路上沒有安裝任何的防雷裝置，也沒有采取其它任何防雷措施，當(dāng)線路遭受雷擊時(shí)，得不到有效的防雷保護(hù)，很容易使得線路發(fā)生閃絡(luò)進(jìn)而發(fā)生絕緣導(dǎo)線雷擊斷線事故。2雷擊斷線的微觀機(jī)理分析 關(guān)于架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究，得出的結(jié)論也基本一致,認(rèn)為是在雷擊閃絡(luò)通道上建立的工頻續(xù)流電弧固定在一點(diǎn)燃燒導(dǎo)致絕緣導(dǎo)線斷線。筆者認(rèn)為，架空絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的根本原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性原因，為極短時(shí)間內(nèi)熱過程與力過程綜合作用的結(jié)果，與絕緣導(dǎo)線的本身質(zhì)量關(guān)系不大。首先，線路除轉(zhuǎn)角塔使用耐張絕緣子外，其余桿塔仍大量使用柱式絕緣子，受外力及內(nèi)部張力的影響，靠近桿塔兩側(cè)的絕緣導(dǎo)線容易出現(xiàn)剪切疲勞，造成絕緣層損傷，因而即使雷擊發(fā)生在線路附近地面，沒有直接擊中架空絕緣導(dǎo)線形成擊穿孔，受絕緣層損傷的影響，工頻續(xù)流電弧也將固定在絕緣層損傷處燃燒，燒斷絕緣導(dǎo)線，這樣就可以說明為什么絕緣導(dǎo)線斷線處多出現(xiàn)在靠近桿塔的一端（斷線處離桿塔約0.5m）。另外，絕緣導(dǎo)線斷口之所以呈現(xiàn)整齊，類似金屬脆性斷裂的特點(diǎn)，是因?yàn)榘殡S著工頻續(xù)流電弧燃燒燒熔絕緣導(dǎo)線的熱過程，同時(shí)由于電位差所形成的電弧通道產(chǎn)生的電磁推力Fn（F′n為電流交變所產(chǎn)生的反向拉力）和由導(dǎo)線本身重力形成的軸向張力在工頻續(xù)流電弧燃燒處互相作用的力過程，絕緣導(dǎo)線在被燒熔的過程中，由于力的作用而被迅速拉斷，形成了整齊的斷口形貌，絕緣導(dǎo)線斷口處受力分析見圖1。圖1絕緣導(dǎo)線雷擊斷線處受力分析圖 考慮到配電線路發(fā)生雷電過電壓閃絡(luò)，特別是在兩相或三相之間發(fā)生閃絡(luò)后，便啟動(dòng)繼電保護(hù)加以動(dòng)作，但絕緣導(dǎo)線仍發(fā)生了斷線事故，筆者通過計(jì)算和分析導(dǎo)線的熔斷時(shí)間和繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間來做進(jìn)一步研究。 10kV線路改造時(shí)采用的絕緣導(dǎo)線型號(hào)為JKLYJ/Q-240絕緣導(dǎo)線，該型號(hào)導(dǎo)線的工作溫度θW=90℃、短路時(shí)導(dǎo)線最高允許溫度θW=250℃，導(dǎo)體截面積S=240mm2。導(dǎo)體短路時(shí)發(fā)熱量Qk按式（3）計(jì)算： （3）式（3）中，S為導(dǎo)體截面積，這里取240mm2；Aw為與導(dǎo)線的工作溫度及材料有關(guān)的參數(shù)，根據(jù)相關(guān)資料可得當(dāng)θW=90℃時(shí)，Aw≈0.7×106J/（Ω·m4）；Ah為與短路時(shí)導(dǎo)體最高溫度及導(dǎo)體材料有關(guān)的參數(shù)，查閱相關(guān)資料可得θh=250℃，Ah≈1.6×106J/（Ω·m4）。將這些已知數(shù)據(jù)一同代入式（2），可得Qk≈5.184×108J/Ω。 導(dǎo)體的熔斷時(shí)間按式（4）計(jì)算： （4）式（4）中，I∞為穩(wěn)態(tài)短路電流，此處取短路校驗(yàn)時(shí)的最大短路電流15.5kA；Qk為式（2）中計(jì)算的大的結(jié)果，將Qk≈5.184×108J/Ω代入到式（3）中計(jì)算可得導(dǎo)線熔斷時(shí)間teq≈1.83s。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)程，10kV配電線路發(fā)生相間短路故障時(shí)，繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)當(dāng)包括主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，考慮到該10kV配電線路的具體實(shí)際情況和繼電保護(hù)裝置的靈敏性，為了防止線路擴(kuò)大事故，繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間選擇2s左右，這樣由于導(dǎo)線熔斷時(shí)間小于繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，當(dāng)10kV配電線路遭受雷擊發(fā)生閃絡(luò)形成短路故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置來不及動(dòng)作，從而必然發(fā)生絕緣導(dǎo)線斷線事故。3預(yù)防絕緣導(dǎo)線雷擊斷線的措施 根據(jù)以上對(duì)絕緣導(dǎo)線雷擊斷線事故原因和機(jī)理的分析，得出要預(yù)防此類事故的發(fā)生，必須及時(shí)切斷由雷電流引起的工頻續(xù)流，在電弧到達(dá)絕緣損傷處前對(duì)其進(jìn)行放電，并適當(dāng)調(diào)整配電線路結(jié)構(gòu)，減小由于導(dǎo)線剪切疲勞所引起的絕緣層損傷。3.1提高線路絕緣水平 提高線路絕緣水平可以使得由感應(yīng)過電壓引起的工頻續(xù)流因爬距較大而無法建弧，從而保護(hù)絕緣導(dǎo)線不被燒傷。具體的做法有以下2種： （1）根據(jù)該10kV配電線路的具體實(shí)際情況可以適當(dāng)增加絕緣子片數(shù)，有選擇性地將P15型絕緣子換成P20型絕緣子，提高線路的耐雷水平，由試驗(yàn)可知該P(yáng)15絕緣子的U50%放電電壓約為91.56kV，P20絕緣子的U50%放電電壓約為180.25kV，將P15型絕緣子換成P20型絕緣子將顯著提高該10kV配電線路的耐雷水平。 （2）可嘗試采用加強(qiáng)架空絕緣導(dǎo)線局部絕緣的方法，即在絕緣導(dǎo)線靠近絕緣子的端部加厚絕緣，使放電只能從加強(qiáng)絕緣邊沿處擊穿導(dǎo)線，產(chǎn)生沿面閃絡(luò)，利用沿面閃絡(luò)可提高線路的沖擊放電電壓。線路絕緣水平的提高也將明顯地降低感應(yīng)雷過電壓造成配網(wǎng)線路發(fā)生閃絡(luò)的概率，提高供電可靠性。3.2安裝線路避雷器 10kV配電線路具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絕緣水平低的特點(diǎn)，一般不裝設(shè)避雷線。通常采取的防雷措施是安裝線路避雷器，限制入侵波過電壓的幅值，將雷電流泄入大地，從而防止絕緣導(dǎo)線雷擊斷線，因此可在該10kV配電線路的易擊段安裝線路避雷器，并且對(duì)加裝避雷器的線路附近桿塔設(shè)計(jì)接地裝置來保證避雷器的泄流效果，降低雷電沖擊電阻、減小線路遭受感應(yīng)雷以及直擊雷時(shí)的雷電過電壓峰值，進(jìn)一步保證配電線路及設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。3.3安裝引弧跳線 為防止絕緣導(dǎo)線斷線事故的發(fā)生，關(guān)鍵是切斷工頻續(xù)流，加速熄弧。因此可在絕緣子兩側(cè)，橫擔(dān)下方安裝引弧跳線，并使得跳線與橫擔(dān)的間隙小于絕緣子上方導(dǎo)線與橫擔(dān)的間隙，以便將電弧引到橫擔(dān)與跳線之間，這樣就相當(dāng)于對(duì)橫擔(dān)產(chǎn)生屏蔽作用，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知磁場(chǎng)將改變電弧中電子的方向，有利于熄弧。3.4調(diào)整絕緣子安裝結(jié)構(gòu) 在滿足電網(wǎng)三相平衡的前提下，可適當(dāng)調(diào)整絕緣子的安裝結(jié)構(gòu)，增大絕緣導(dǎo)線與柱式絕緣子之間的夾角，從而減小由于絕緣導(dǎo)線剪切疲勞所引起的絕緣層損傷，保護(hù)絕緣導(dǎo)線的絕緣層。3.5整定繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間 根據(jù)該10kV配電線路的實(shí)際運(yùn)行情況，可對(duì)該10kV線路上運(yùn)行的繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行重新整定，適當(dāng)縮小繼電保護(hù)裝置的主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，從而保證在絕緣導(dǎo)線熔斷之前，繼電保護(hù)裝置能迅速動(dòng)作，防止絕緣導(dǎo)線斷線事故的發(fā)生。4結(jié)論 （1）通過對(duì)該10kV配電線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，并計(jì)算出該10kV配電線路每年遭受雷擊的次數(shù)和耐雷水平，從配電線路走廊沿線的雷電活動(dòng)情況、現(xiàn)有防雷措施等方面分析了該10kV配電線路發(fā)生絕緣導(dǎo)線雷擊斷線事故的宏觀原因。 （2）通過對(duì)絕緣導(dǎo)線斷線事故的微觀機(jī)理進(jìn)行分析與研究，指出阻礙工頻續(xù)流電弧在導(dǎo)線上滑移的因素不僅僅只有雷電直擊在絕緣導(dǎo)線上形成的擊穿孔，另外由于導(dǎo)線剪切疲勞所引起的絕緣層損傷也是一個(gè)重要因素，并進(jìn)一步計(jì)算和分析絕緣導(dǎo)線的熔斷時(shí)間和繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間，對(duì)兩者進(jìn)行比較得出絕緣導(dǎo)線遭雷擊必發(fā)生斷線事故。 （3）結(jié)合該10kV配電線路的實(shí)際情況，提出了提高線路絕緣水平、安裝線路避雷器、整定繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間等有效的防護(hù)措施，實(shí)際應(yīng)用效果表明，這些防護(hù)措施能有效解決該條10kV配電線路遭雷擊頻繁發(fā)生斷線事故的問題，同時(shí)這些防護(hù)措施對(duì)同地區(qū)其他配電線路的防雷改造具有指導(dǎo)性