10kV架空配電線路防雷技術與措施

10kV架空配電線路防雷技術與措施摘要：本文主要分析了絕緣導線雷擊斷線原因,對10kV架空絕緣配電線路防雷措施進行了探討，可供同行參考。關鍵詞：10kV配網(wǎng)；架空絕緣導線；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)的安全可靠運行，造成嚴重的后果，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,嚴重地影響了配電線路的安全、可靠運行。我國電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計數(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雷電活動強烈 惠州地區(qū)為多雷區(qū)，年雷暴日數(shù)在70天左右，雷電活動十分頻繁，配電線路每年遭受雷擊的次數(shù)是很高的，對其應及時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，這是由于靜電感應的作用，在雷電先導放電階段，地中的感應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)場抽樣測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，易引發(fā)絕緣導線斷線事故。該10kV配網(wǎng)線路的耐雷水平按式（2）進行計算： （2）式（2）中，U50%為絕緣子串的U50%沖擊閃絡電壓，根據(jù)實驗可得該線路中所用P15型絕緣子的U50%沖擊閃絡電壓約為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為絕緣導線懸掛平均高度，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研取10m，Rch為桿塔平均接地電阻，根據(jù)現(xiàn)場測量的結(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。而雷擊時產(chǎn)生的雷電流一般為幾萬安培，遠遠大于該線路的耐雷水平。所以該線路遭受雷擊時極有可能發(fā)生閃絡。1.3現(xiàn)有防雷措施不足 根據(jù)線路現(xiàn)場調(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，當線路遭受雷擊時，得不到有效的防雷保護，很容易使得線路發(fā)生閃絡進而發(fā)生絕緣導線雷擊斷線事故。2雷擊斷線的微觀機理分析 關于架空絕緣導線雷擊斷線的機理，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量的研究，得出的結(jié)論也基本一致,認為是在雷擊閃絡通道上建立的工頻續(xù)流電弧固定在一點燃燒導致絕緣導線斷線。筆者認為，架空絕緣導線雷擊斷線的根本原因為結(jié)構(gòu)性原因，為極短時間內(nèi)熱過程與力過程綜合作用的結(jié)果，與絕緣導線的本身質(zhì)量關系不大。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，燒斷絕緣導線，這樣就可以說明為什么絕緣導線斷線處多出現(xiàn)在靠近桿塔的一端（斷線處離桿塔約0.5m）。另外，絕緣導線斷口之所以呈現(xiàn)整齊，類似金屬脆性斷裂的特點，是因為伴隨著工頻續(xù)流電弧燃燒燒熔絕緣導線的熱過程，同時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，絕緣導線斷口處受力分析見圖1。圖1絕緣導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，特別是在兩相或三相之間發(fā)生閃絡后，便啟動繼電保護加以動作，但絕緣導線仍發(fā)生了斷線事故，筆者通過計算和分析導線的熔斷時間和繼電保護動作時間來做進一步研究。 10kV線路改造時采用的絕緣導線型號為JKLYJ/Q-240絕緣導線，該型號導線的工作溫度θW=90℃、短路時導線最高允許溫度θW=250℃，導體截面積S=240mm2。導體短路時發(fā)熱量Qk按式（3）計算： （3）式（3）中，S為導體截面積，這里取240mm2；Aw為與導線的工作溫度及材料有關的參數(shù)，根據(jù)相關資料可得當θW=90℃時，Aw≈0.7×106J/（Ω·m4）；Ah為與短路時導體最高溫度及導體材料有關的參數(shù)，查閱相關資料可得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。 導體的熔斷時間按式（4）計算： （4）式（4）中，I∞為穩(wěn)態(tài)短路電流，此處取短路校驗時的最大短路電流15.5kA；Qk為式（2）中計算的大的結(jié)果，將Qk≈5.184×108J/Ω代入到式（3）中計算可得導線熔斷時間teq≈1.83s。 根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗及相關規(guī)程，10kV配電線路發(fā)生相間短路故障時，繼電保護的動作時間應當包括主保護動作時間和失靈保護動作時間，考慮到該10kV配電線路的具體實際情況和繼電保護裝置的靈敏性，為了防止線路擴大事故，繼電保護動作時間選擇2s左右，這樣由于導線熔斷時間小于繼電保護動作時間，當10kV配電線路遭受雷擊發(fā)生閃絡形成短路故障時，繼電保護裝置來不及動作，從而必然發(fā)生絕緣導線斷線事故。3預防絕緣導線雷擊斷線的措施 根據(jù)以上對絕緣導線雷擊斷線事故原因和機理的分析，得出要預防此類事故的發(fā)生，必須及時切斷由雷電流引起的工頻續(xù)流，在電弧到達絕緣損傷處前對其進行放電，并適當調(diào)整配電線路結(jié)構(gòu)，減小由于導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，從而保護絕緣導線不被燒傷。具體的做法有以下2種： （1）根據(jù)該10kV配電線路的具體實際情況可以適當增加絕緣子片數(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，由試驗可知該P15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）可嘗試采用加強架空絕緣導線局部絕緣的方法，即在絕緣導線靠近絕緣子的端部加厚絕緣，使放電只能從加強絕緣邊沿處擊穿導線，產(chǎn)生沿面閃絡，利用沿面閃絡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雷過電壓造成配網(wǎng)線路發(fā)生閃絡的概率，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)絡結(jié)構(gòu)復雜，絕緣水平低的特點，一般不裝設避雷線。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，并且對加裝避雷器的線路附近桿塔設計接地裝置來保證避雷器的泄流效果，降低雷電沖擊電阻、減小線路遭受感應雷以及直擊雷時的雷電過電壓峰值，進一步保證配電線路及設備的安全穩(wěn)定運行。3.3安裝引弧跳線 為防止絕緣導線斷線事故的發(fā)生，關鍵是切斷工頻續(xù)流，加速熄弧。因此可在絕緣子兩側(cè)，橫擔下方安裝引弧跳線，并使得跳線與橫擔的間隙小于絕緣子上方導線與橫擔的間隙，以便將電弧引到橫擔與跳線之間，這樣就相當于對橫擔產(chǎn)生屏蔽作用，根據(jù)電磁感應定律可知磁場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，可適當調(diào)整絕緣子的安裝結(jié)構(gòu)，增大絕緣導線與柱式絕緣子之間的夾角，從而減小由于絕緣導線剪切疲勞所引起的絕緣層損傷，保護絕緣導線的絕緣層。3.5整定繼電保護裝置動作時間 根據(jù)該10kV配電線路的實際運行情況，可對該10kV線路上運行的繼電保護裝置的動作時間進行重新整定，適當縮小繼電保護裝置的主保護動作時間，從而保證在絕緣導線熔斷之前，繼電保護裝置能迅速動作，防止絕緣導線斷線事故的發(fā)生。4結(jié)論 （1）通過對該10kV配電線路進行現(xiàn)場調(diào)研，并計算出該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)生絕緣導線雷擊斷線事故的宏觀原因。 （2）通過對絕緣導線斷線事故的微觀機理進行分析與研究，指出阻礙工頻續(xù)流電弧在導線上滑移的因素不僅僅只有雷電直擊在絕緣導線上形成的擊穿孔，另外由于導線剪切疲勞所引起的絕緣層損傷也是一個重要因素，并進一步計算和分析絕緣導線的熔斷時間和繼電保護裝置的動作時間，對兩者進行比較得出絕緣導線遭雷擊必發(fā)生斷線事故。 （3）結(jié)合該10kV配電線路的實際情況，提出了提高線路絕緣水平、安裝線路避雷器、整定繼電保護動作時間等有效的防護措施，實際應用效果表明，這些防護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，同時這些防護措施對同地區(qū)其他配電線路的防雷改造具有指導性