10kV架空线路雷击断线分析及解决措施的探讨

10kV架空线路雷击断线分析及解决措施的探讨黄敏;李俊华;何治安【摘要】介绍了10kV架空线路雷击断线的机理，分析了从化供电局典型雷害事故的原因，汇总了雷击断线的因素.针对从化供电局六个供电所的实际情况，提出了防止雷击断线的措施，给从化供电局下一阶段的防雷工作指明了方向.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷)，期】2016(045)011【总页数】5页(P109-113)【关键词】输电线路;雷击断线;防雷措施【作者】黄敏;李俊华;何治安【作者单位】广州供电局有限公司从化供电局广东广州510900;广州供电局有限公司从化供电局，广东广州510900;广州供电局有限公司从化供电局，广东广州I510900【正文语种】中文【中图分类】TM752+.5从化属于亚热带季风气候，地形属于半丘陵山区，雷电活动剧烈而密集，尤其是每年的4-9月份。相对于主网而言，10kV配电线路绝缘水平低，易受直击雷和感应雷的危害［1］。统计数据表明90%以上雷电过电压为感应雷过电压，配网系统遭受雷击所造成的线路及设备的损坏及其衍生的损失相当惨重，严重时不仅危害公民人身安全，还会影响供电可靠性，对正常的社会生产、生活和供电企业带来严重影响［2］。截止到2012年，广州从化供电局10kV架空线总长1918.95公里，其中裸导线1831.04公里，绝缘导线87.91公里，电缆161.782公里。这样以架空线路为主体的配网大多暴露于大气环境中，很大程度上增加线路遭遇大气过电压的概率，特别是在雷电活动高峰期，一般在6月份左右，防雷压力特别突出。雷击断线事故发生会引起一系列的严重问题［3］。第一，会导致跳闸停电或者缺相运行，降低供电电能质量和供电可靠性，为用户的生产和生活带来不便，影响供电企业的形象和经济效益；第二，带电断线接地，零序阻抗大的情况下零序保护不会动作，存在人员触电的风险；第三，需要集中调动大量的人力、物力进行抢修，增大运行成本。目前，从化局没有普及综合防雷技术措施，仅仅在少数试点线路上安装过电压保护器、防雷金具和避雷针。但是，由于数据统计、技术问题和设备质量问题，其防雷措施效果不明显。在雷雨季节，雷击跳闸及断线问题没有一种十分有效的解决方法。因此，雷击断线问题已经给从化局的配网的安全运行带来了严重威胁，如何对10kV线路进行有效防雷，减少雷击断线事故的发生，已成为提高从化局配网安全运行水平所迫切需要解决的问题。1.1架空绝缘导线断线机理当架空绝缘导线遭受雷击发生过电压时，一旦该电压高于导线绝缘层的最高耐压水平（2139kV），电场中绝缘层最薄弱的地方首先会被击穿，针孔大小的击穿点在绝缘子上沿面放电发生闪络，此时工频电弧继续向绝缘子的根部发展并形成短路通道［4］。由于工频电弧会受导线绝缘层的阻碍，难以在其表面形成滑移，只能固定在一点灼烧，产生局部过热，烧熔，最后导致断线。1.2架空裸导线断线机理与绝缘导线不同的是，裸导线上的工频续流电弧弧根可以自由移动，当雷电击中架空裸导线时，巨大的雷电过电压会在电场中最薄弱的绝缘子沿面放电形成闪络，并由工频电弧构成金属性短路通道，从而导致线路跳闸［5］。一般情况下遭受雷击的裸导线不会被烧断，因为在电磁力的作用下，工频短路电弧电流背离电源方向移动。但是，在以下两种情况下，小截面裸导线会被烧断［6］。第一，雷击过电压引起绝缘子闪络后，线路的工频磁场会对续流电弧的弧根产生电磁推力Ft、同时电弧弧根也受自身电磁拉力F1和导线表面氧化层的阻力Fz的共同作用，如图1所示，若导在平行导线的方向上，电弧弧根所受以上三种力达到平衡，则续流电弧弧根将不再移动，而是固定在一点处燃烧，足以使裸导线烧断。第二，若发生单相接地故障且带故障运行时，消弧线圈补偿不当，致使故障相实际残流超过一定大小，将会导致裸导线断线。线路实际运行中，架空裸导线遭受雷击断线的概率并不高，这是由于雷击发生时往往伴有风雨，这使得情况一中受力平衡状态很难实现。2.1从化站F16绝缘导线断线事故2012年4月20日07时30分，从化站F16过流II段保护动作跳闸（#47杆开关同时跳闸），线路跳闸后自动重合闸成功，城郊所查线发现向阳工区支#08-09杆黄、绿两相断导线。断线导线的一相为〃品”字行结构中最上面的一相，断线位置分别位于#09杆负荷侧约0.2米处、#09杆瓷担处，断口均比较整齐，#08杆处玻璃绝缘子发生闪络，图2为事故导线断线位置图片。事故原因分析如下。（1）从化站F16断线区较空旷，断线处电杆#09杆位于公路旁边，电杆与公路之间有一条小水沟。公路上扬起的灰尘黏附在绝缘导线的绝缘层上，降低了绝缘导线在该处的绝缘水平，使得该处绝缘相对薄弱，发生雷击时，容易被击穿。事故巡查时发现F16断线区附近有一高约21米的信号发射塔（带避雷功能），断线处电杆地面高度约为12米，二者最短水平距离约为8米。对于单支避雷针，设避雷针的高度为h米，被保护物的高度为h1米，在h1高度上，避雷针的保护半径r为[7]:式中《为高度影响系数。当h<30米时，p=1;当30<h<120米时，p=5.5/h;当h>120米时，取h=120。经计算，信号发射塔的保护范围是半径r=9米的圆。对于从化站F16来说，其受保护范围如图3所示，受保护的线路长度仅为8.2米。由此得知，信号发射塔的存在，对线路的保护作用甚微。10kV绝缘导线的绝缘水平相对较低，其冲击电压的耐受水平一般为93.8kV，加之前面分析过，从化F16断线处的地理位置以及雨水天气降低了线路本身的绝缘水平，而发生雷击时，雷电冲击电压一般超过139kV，因此，绝缘线路的绝缘层容易被击穿[8]。防雷措施方面，断线处没有避雷器等任何防雷设施，导致线路绝缘击穿时，工频续流受线路绝缘层的阻碍，不能自由移动，集中在击穿处一点，最终将线路烧断。当雷击中输电线路发生过电压时，极易发生两相或三相输电线路闪络，雷电过电压弓I起的短路工频电流可达数千安培，强大的电弧能量不能得到及时释放，集中在线路绝缘击穿处，将线路烧断，这就是从化站F16两相断线的原因。由于工频电流产生的电磁力的作用，断线一般会发生在负荷侧，这就是为什么断线发生在#09杆负荷侧的原因。2.2神岗站F4雷击断线事故2012年5月30日，神岗站F4过流I、II段动作跳闸，重合闸失败。事故发生后，在太平所现场巡查10kV线路至神岗站F4干线#06杆(三百洞支#0杆)时，发现神岗站F4三百洞支#0塔10kV线路顶相负荷侧导线雷击断线，其他设备无异常。事故原因分析如下。(1)现场勘察发现，三百洞支线始端位于神岗站F4干线下侧，地势平坦，其线路走廊在2km后进入迎风山腰地带，这种地理位置决定了该处为雷击多发区，且在这种地形中，雷击的随机性大。发生雷击过电压时，在裸导线上，电弧可以自由移动，一般情况下，只会引起线路跳闸，不会导致断线，但是，前文分析架空裸导线雷击断线的机理中提到，当满足一定条件时，裸导线也会被烧断，尤其是截面相对较小的导线。神岗F4三百洞支线截面为150mm2，因此，截面较小也是导致神岗F4三百洞支断线的原因之一。2.3雷击跳闸事故原因分析山区地形特征因素根据从化供电局多年来配电线路遭受雷击故障原因分类，靠近水塘、水库和起伏山丘的线路及其边相是雷击故障跳闸的高发区，特别是处于山口，一面是开阔地，一面是丘陵、山谷且对着风口的杆塔。接地电阻过大接地电阻超过规定值时，将阻碍雷电流的快速泄放。对没有避雷线的架空线路杆塔，其接地电阻越小越好，一般不超过30Q,最好不超过10Q[9]。而在实际运行过程中，经常发生接地线的连接不规范，如采用圆钢焊接时只焊有几点，或者几个接头夹在抱箍上，使得接地电阻增大甚至失去作用；接地网没有按照规定定期检测，存在部分台架的地网长年失修腐蚀，导致接地电阻超过规定值；以及其他一些接地引下线被盗导致不能正常接地等。线路或其他电力设备绝缘水平过低由于配电网线路用到的电力设备种类繁多，输电距离较长，并且由于各种电力设备的投入使用时间不尽相同，导致各个电力设备的绝缘水平也不尽相同，发生雷击事故时，线路绝缘水平较低的地方就成了雷击跳闸事故发生的首选。3.1从化供电局辖区内雷击情况分析2011年从化局辖区内雷击情况统计数据如表1。由表1可知，在从化局的六个供电所中，鳌头所、城郊所和太平所雷击事故相对比较多，而从化局架空绝缘导线也绝大多数都分布在鳌头所和城郊所，综合考虑地形与日常的运行维护因素，可以确定，发生雷击断线的事故中，绝大多数是绝缘导线断线，而且，鳌头、城郊和太平三个地区，发生雷击的概率比较大，在考虑防雷措施时，应重点考虑这三个地区。3.2防止雷击断线的措施（1）技术措施针对从化供电局辖区范围内雷击概率的大小以及绝缘导线的分布情况，提出了如下防止雷击断线的措施。首先，针对鳌头、城郊以及太平，由于这些区域多为半丘陵、山地，有少量的平原地形，且存在相对较多的架空绝缘导线，可考虑采用如下方法来防止雷击断线事故的发生：1）采用在3到4个档距之间（约200m到300m的范围内）加装三相氧化锌避雷器来防止雷击断线事故的发生；2）将线路中存在的瓷质绝缘子更换成玻璃绝缘子，便于及时发现绝缘子的缺陷情况，亦可减少雷击断线事故的发生概率；3）对于架空裸导线可以适当的加装架空地线（如避雷线或耦合地线）来避免雷击断线事故的发生；4）适当加强线路绝缘。采取增加绝缘子片数或增大爬距，以增大冲击放电电压，提高耐雷水平，也可使绝缘子平均运行电压梯度减小，建弧率降低；5）安装U形绝缘闪络路径，将绝缘路径设计的足够长，从而切断工频续流，防止工频续流建弧；6）装设过电压保护器，有效截断工频续流，限制雷电过电压。其次，温泉、良口、吕田等地区，发生雷击的概率相对较小，架空绝缘导线少。但这些区域地形较为复杂，存在阶地、山地、台地以及丘陵等多种地形，因此可采用如下四种方法来防止雷击断线事故的发生：1）在3~4个档距之间（约200~300m范围）采用加装氧化锌避雷器来防止雷击断线事故的发生；2）安装放电绝缘子，适当增加雷击放电间隙抑制雷击断线事故的发生；3）将线路中存在的瓷质绝缘子更换成玻璃绝缘子亦可减少雷击断线事故的发生概率；4）对于架空裸导线可以适当的加装架空地线（如避雷线或耦合地线）来避免雷击断线事故的发生。第三，到目前为止，上述每一种措施都有其优缺点，尚没有哪一种措施可以单独的解决所有的雷击断线问题，在实际运行过程中，应该根据实际情况，合理地选用防雷措施，才能真正达到防雷的目的。以下对常用的技术措施的经济技术指标进行比较，如表2所示［10］。（2）管理措施1）在架设绝缘导线过程中，绑扎绝缘导线时，不应使用裸绑线，而应使用带有绝缘皮的绑线。因为裸绑线容易对绑扎处的绝缘导线造成损伤，使之绝缘水平降低，容易被击穿。2）在日常线路的维护过程中，应加强对地网的测试以及对接地线的维护，确保接地电阻负荷要求，避免在发生雷击时应接地电阻过大而造成线路过电压。3）在进行电网建设时，应考虑雷击因素，尽量避免在具有雷击率高的地形特征的地点架设导线。本文简要介绍了架空绝缘导线和裸导线的雷击断线机理，列举并分析了两起典型雷害事故，简要分析了雷击跳闸事故发生的原因。通过分析从化供电局辖区内雷害事故的发生情况，对其辖区内输电线路从技术措施和管理措施两个方面提出了建议防止雷击断线的措施。目前，没有哪一种措施可以解决所有的断线问题，必须因地制宜，根据每条线路的特点，制定系统的既经济又合理的防止雷击断线的措施，从而保障配网线路的安全运行。【相关文献】[1]XiaogangGao,XiaoboWu,ZhangLiu,etal.StudyonLightningCharacteristicsofMountainTransmissionLine[C].Preprintsofthe5thinternationalconferenceonElectricUtilityDeregulationandRestructuringandPowerTechnologies,Changsha,China,November26-29,2015..[2]王春杰，祝令瑜，汲胜昌，等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