《常州地区10kV配电网雷击断线情况调查及防雷措施分析》8100字

常州地区10kV配电网雷击断线情况调查及防雷措施分析目录TOC\o"1-2"\h\u25411常州地区10kV配电网雷击断线情况调查及防雷措施分析 156811.1常州地区10kV配网雷击断线基本情况 110361.1.1常州雷电活动分布 1293701.1.2断线部位分析 3228801.1.3导线布置影响分析 4151181.210kV配电网防雷措施对比分析 630911.2.1架设避雷线 6210031.2.2加装耦合地线 8172721.2.3装设线路避雷器 966251.2.4降低杆塔接地电阻 11308561.2.5不平衡绝缘 12207681.2.6采用并联间隙保护技术 13233271.2.7结果分析 151.1常州地区10kV配网雷击断线基本情况1.1.1常州雷电活动分布为了分析10kV配电网线路的基本情况，本文选择国网常州供电公司配电运检工区10kV配电线路数据进行统计分析。常州地处江苏省的南部方位，西南方位整体地形高于东北方位，整个江苏属于丘陵地形地貌，常州也是如此。整个常州境内河湖众多，也有一些小丘陵。比如滆湖、天目湖，还有茅山等等。水网密集，地形独特，且常年有雷雨季，因此发生雷暴的概率较大，一年内的雷暴日近一个月左右，属于雷暴多发区。图1.1常州地区雷电活动情况Fig.1.1LightningactivityinChangzhou.根据上图的数据可知，3月份开春季节到来以后，随着下雨天数的增多，雷暴日的概率也在增高。7月份是夏季雷雨季节，雷暴日数值最高。过了雷雨季以后，雷暴日又逐渐减少。整体呈一个逐渐上升再逐渐下降的趋势，最高点在7月份。这也符合雷击断线故障发生的时间规律，在制定技术和管理措施时，也应遵照季节性雷害的特点。根据2015-2019年雷击断线数据，统计了故障的分布情况，如下图。图1.2常州地区雷击断线故障分布情况Fig.1.2DistributionoflightningbreakinChangzhou.从图中可以看出，雷击断线故障多发生在武进、新北等周边乡镇地区，特别是武进区的前黄、南夏墅、礼嘉、牛塘以及新北区的春江，属于雷害重灾区。由于这些地区人口密度小，电缆线路少，架空绝缘线路较多，且运行环境周边高层建筑物较少，环境开阔，利于雷击现象的产生。而天宁区、钟楼区等中心城区人口密度大，高层建筑多，且城区电缆线路多，不易发生雷击导线的现象。1.1.2断线部位分析2019年共38次雷击断线故障中断线部位的数据统计，发现雷击断线部位均在金具连接处和绝缘子支撑处，具体数据如下表所示，数据来源于国网常州供电公司配电运检工区现场运维记录。表1.12019年雷击断线部位与防雷措施数据Tab.1.1Dataoflightningbrokenlinepositionandlightningprotectionmeasuresin2016.位置无防雷措施防雷绝缘子防雷金具屏蔽线金具连接处5130绝缘子支撑处144011同时分析了2019年15次雷击断线的雷击位置，具体情况如下表。表1.22019年雷击断线具体位置Tab.1.2Dataoflightningbrokenlinepositionin2019.线路名称导线档距断线点距最近端杆塔距离东海线42米0.2米石化线51米0米白沙线50米0米庄士线50米0米龙北线78米0米安镇线45米0米协勤线45米0米城巷线43米0米东海线65米0米雅浦线50米0米天香线55米13米马安线50米15米前舍线40米20米科技线60米20米前园线60米4.5米从数据中看出，大部分的断线位置都在导线与杆塔连接处，即金具连接处和绝缘子支撑处。即使安装了防雷金具，导线也可能在耐张线夹处或者防雷金具穿刺处发生断线；即使安装了防雷绝缘子，导线也可能在防雷绝缘子或者普通直线绝缘子处断裂。因而可以得出结论，无论是否安装防雷装置，如果架空绝缘导线发生雷击断线，断线点总是在绝缘最薄弱的点，也就是受力支撑处附近。如今的配电网杆塔上，柱式绝缘子是最常见的，乡镇地区的杆塔上大多采用这种绝缘子。后来，为了增加爬电距离，对绝缘子的安装方式和形状做了改进，从架线的变成悬挂式。但是这种绝缘子不耐张力，日常导线都存在一定的受外力扩张的影响，不耐张绝缘子会造成绝缘损伤。为了避免这一点，转角杆塔一般使用的是耐张绝缘子。另外，越靠近绝缘子支撑处或者金具连接处，空气间隙越小，当线路遭受雷击时，此处越容易发生击穿，并产生电弧。雷击即使没有直接击中线路，但受到某些影响因素也会发生击穿，这个部位距离杆塔半米左右，工频续流电弧也将固定在绝缘层损伤处燃烧，烧断绝缘导线。图1.3绝缘导线雷击断线处受力分析Fig.1.3Stressanalysisofinsulatedconductorbrokenbylightning.因此，必须加强架空绝缘导线支撑处的绝缘水平，才能减小雷击断线的几率。比如增加绝缘子片数，或者进行局部绝缘层的加强，在绝缘子或者金具连接处加厚绝缘层，进而提高绝缘水平。1.1.3导线布置影响分析由于目前线路通道的紧张，很多线路采取的是同杆双回或者同杆多回架设方式，导线的排列方式也不尽相同，通过分析2016年38次雷击断线中同塔回路数和导线排列方式，得出了以下结论，数据来源于国网常州供电公司配电运检工区现场运维记录。表1.3不同回路数雷击断线次数Tab.1.3Timesofbrokenwiresbylightningwithdifferentcircuitnumbers.项目单回路双回路三回路四回路断线次数24913百分比63%37%图1.4多回路线路Fig.1.4Multilooplines.理论上来说，回路数越多，电磁环境越复杂，雷击断线概率越大，但是统计数据中单回路的样本容量大大多于其他回路数的，因此单单通过绝对数量对比不具有可行性。但是目前在常州地区配网中，双回路及以上同杆线路的通道公里数只占到所有线路长度10%不到，而其雷击断线率却占到所有线路的37%，可见双回及多回同杆架设线路更容易发生雷击断线事故，应着重进行防雷措施的研究。分析2019年单回路架设的绝缘导线断线数据，如下表所示。表1.4单回路架设绝缘导线断线与导线布置关系Tab.1.4Relationshipbetweenbrokenwiresandarrangementofinsulatedconductorsinsingle.布置方式断线次数三角排列12水平排列3分析原因主要是，常州地区10kV单回路架设的绝缘导线多采用三角排列，因此其遭受雷击的概率也更大；另外，运行经验表明，水平排列能有效降低导线的平均高度，从而有效降低雷击概率，对于雷击概率高的线路和地区能起到很好的效果。分析2019年国网常州供电公司配电运检工区双回及多回架设断线数据如下表所示。表1.5多回路线路断线情况Tab.1.5Disconnectionofmulticircuitlines.线路名称导线布置型式断线位置10千伏英特线双回路上层三角排列的中相10千伏新礼线双回路左右垂直排列的上线10千伏桐庄线双回路左右三角排列的上线中线10千伏前镇线双回路左右三角排列的上线中线10千伏庞家线双回路左右三角排列的下线三根断10千伏南湖线双回路左右垂直排列的上线10千伏华阳线双回路左右垂直排列的上线10千伏东吴线双回路上层三角排列的上线及边线10千伏东华线双回路左右垂直排列的上相10千伏医疗二线四回路上层三角排列的上线10千伏武宜线三回路上层三角排列的边相10千伏宏城线四回路三角排列的上线和边线10千伏崔杏线四回路三角排列的上线和边线统计数据显示，双回及以上架设的导线，出现断线的位置多是线路的上层，三角排列的中相以及垂直排列的上线。其中双回路架设方式中，由于左右排列（三角、垂直）比上下排列的情况更多，因此雷击断线的数量也更多。1.210kV配电网防雷措施对比分析1.2.1架设避雷线避雷线又称防雷线，位于导线上方，顾名思义即用于保护设备防止雷击。避雷线的架设过程中需要注意，每个杆塔都应该接地，这样做的目的是防雷效果更好。避雷线的架设需要满足以下两个条件：（1）架空导线本身的绝缘水平影响防雷的效果，因此绝缘设计效果需要良好，同时塔的顶部与相间导线之间应具有足够高的雷电放电电压。（2）发生雷击故障的时候，雷电流会流向大地，这个电流受接地电阻的影响，杆塔的接地电阻值应尽可能的偏小。1. 避雷线的作用（1）串并联原理中，支路多了，分流作用越明显。避雷线也是如此，可以有效降低导线发生雷击时产生的雷电流，减小感应过电压，杆塔山的电位减小。（2）在配电网中，导线之间存在耦合作用，因此利用耦合导线的原理能够实现目的，降低导线过电压。2.避雷线研究分析当配电网发生雷击线路和雷击杆塔时，会形成过电压，这个过电压会产生电晕，过程中电晕会持续衰减，从而引起绝缘子闪络，最终发生反击，这种情况出现的频率较大。影响闪络现象的因素有很多，其中，导线和避雷线之间的空气间隙占有很重要的因素。为了达到要求，可以通过增大这个空气间隙的距离，以此来避免避雷线和档距之间发生雷击现象所引起的起绝缘子闪络。考虑到防雷效果，发生闪络以及防反击能力的综合水平，一般只研究第一种情况。配网系统中，目前的研究现状可知，避雷线的作用很明显，能够显著提高线路的耐雷水平。查阅相关理论文献，研究数据表明，避雷线与导线之间存在耦合效应，这个耦合性能影响感应过电压的大小，并且和避雷线的高度有关。测试结果表明，感应过电压的下降程度和避雷线与导线的距离成正相关。具体研究内容如下表1.6所示。表1.6不同情况下的过电压及耐雷水平Tab.1.6Overvoltageandlightningwithstandlevelunderdifferentconditions.参数未架设避雷线避雷线高度为1.7m避雷线高度为2.6m耐雷水平/kA7.7910.189.67过电压/kV108.582.3981.88根据表1.1的数据分析可知，不同高度的避雷线会产生不同的过电压幅值，同时，耐雷水平也有较大差异。未架设避雷线的计算结果要明显大于架设了避雷线的数据值。在安装避雷线以后，测得的耐雷水平上升了21.46%，感应过电压下降24.08%。根据我国目前的相关规定，一般架设在10kV线路的避雷线长度是1-2km，按照整条线路架设的方式，架设在重要地段，避雷线通过限制感应过电压能有效地提高防雷水平，测试的结果显示架设和未架设避雷线前后的防雷效果差距大概在20%-30%左右。低压配电网线路本身绝缘水平低，雷击现象发生的时候一系列的反击闪络效应反而限制了避雷线的使用效果，因此，很少在10KV低压配电网架空线路中架设避雷线。1.2.2加装耦合地线配网系统中，安装避雷线效果不佳，防雷效果相比前者较差。前面提到耦合地线的作用原理，通常通过架设耦合地线来进一步满足配网架空线路的防雷要求，采取这一措施以后，线路也能防反击。研究表明，配电网架空线路中架设避雷线，防雷效果并不出色。还有一种方法就是在架空线的导线下方架设耦合地线，耦合地线因其耦合作用，可以有效提升线路的耐雷水平，进而明显增强线路的防反击能力。1. 耦合地线的作用（1）配电网的接地电阻对雷电流有影响，前面提到分流原理，架设耦合地线利用这个原理分流，降低导线的雷电流。而雷电流直接影响杆塔的电压，降低电流即能降低电压。（2）导线和地线之间存在一定的耦合效应，通过安装耦合地线能够增强这个耦合的效果，抑制绝缘子因为雷击现象而发生闪络。2. 耦合地线研究分析在配电线路中，架设耦合地线能够减小雷电流分流时候的分流系数，进而降低杆塔顶部的电位数值。导线和系统接地点零电位的间距会因此缩短，从而防止绝缘子发生闪络现象。值得注意的是，假设耦合地线的高度为x，和杆塔的水平距离为y，当x、y变大，则过电压的数值下降越明显。通过设置一定的前提和数据，来具体阐述这个下降效果。其中，排列方式为双回直线排列，耦合地线又分为单耦合以及双耦合，在合适的位置分别架设前面两种耦合地线。设置一个纵向高度和横向距离，高度位于导线下方1米处，横向距离杆塔0.4米左右，完成以上步骤以后，计算这个位置状态下的耦合系数和感应过电压降低的百分比数值，具体结果如下表1.7。表1.7耦合地线与相导线之间的藕合系数以及对其感应过电压降低百分数Tab.1.7Couplingcoefficientbetweencouplinggroundwireandphaseconductorandpercentagereductionofinducedovervoltage.相导线位置耦合系数(双耦合地线)感应过电压降低百分数耦合系数(单耦合地线)感应过电压降低百分数上相导线0.327824.560.2263/0.219817.01/16.49中相导线0.381631.190.2671/0.253321.86/20.71下相导线0.466441.940.3388/0.297630.49/26.79由上表中的数据可知，耦合地线与相导线之间的耦合系数对感应过电压的下降有很大影响。架设的位置不同，感应过电压的下降幅度也不同。其中，以双耦合接地线的变化更明显，感应过电压的闪络概率有一定幅度的下降，大约在15%-40%。综上所述，耦合接地线能抑制感应过电压，同时降低因为过电压而发生闪络现象的概率。1.2.3装设线路避雷器当线路遭受雷击的时候，会发生闪络现象，为了抑制闪络，通常会安装避雷器。避雷器的安装位置会对抑制效果产生影响，目前的安装方式是将避雷器与绝缘子并联，避雷器固定在横担上，这是普遍的安装方法。发生雷击时，根据作用原理，避雷器先动作，雷电流因为避雷器动作而发生分流，分流效应能够有效抑制绝缘子闪络。与之前相比，线路上的电位上升，绝缘子两侧的电位下降从而有效抑制其发生闪络现象的概率，因此安装避雷器能够更好地保护绝缘子。1. 避雷器的作用在低压配电线路中，安装避雷器的优点主要有两点：（1）在发生雷击塔顶或者避雷线时，线路电流会因避雷器发生分流，这里还涉及到一个分流系数，分流之后会降低绝缘子侧面的电位，抑制闪络发生，起到保护绝缘子的效果。（2）发生雷击时，避雷器的安装能够更好地抑制感应过电压。在配电网线路中，当发生雷击故障时，生成的感应过电压在三相中的幅值大小是相同的，这样的结果不利于达到防雷的要求。因此，低压配电线路中，一般采用在三相线路均安装避雷器的方式，来防止感应雷带来的影响，同时也能更好的防雷。为了验证这一结论，建立一个10kV低压配电线路模型，针对避雷器在三相中不同的安装相来测试其抑制感应过电压的具体变化效果。设定一定的参数并且进行仿真，仿真结果如下：发生雷击时，未安装避雷器，测试结果显示原始的单相感应过电压为265.7kV，装设避雷器之后测试同样情景下的同一相的感应过电压，发现结果变化很大，减小了246.5kV。日本九州电网对此也进行过相关研究，研究结果表明，低压配电网中，雷击事故发生的概率和避雷器的总量没有正相关的因果关系，而应该是和避雷器的安装密度有关。对此，也进行了具体的研究测试。选定一个10kV的配电线路，定义闪络电压的大小为X,杆塔高度为Y,，档距为Z，设置某一种情境下的参数，如：X=150kV，Y=10m，Z=75m。通过设置的三个数值，来进一步研究，计算目标数值为避雷器安装的间隔距离和闪络次数，并建立坐标轴，具体研究结果如下图1.5所示。图1.5不同避雷器间距对应的感应过电压闪络次数Fig.1.5Inducedovervoltageflashovertimescorrespondingtodifferentarresterspacing.由上图可知，当档距个数增大，感应过电压的次数逐渐减小。因此得出结论：增大档距个数，能够有效降低感应过电压的次数。最直观的表现为档距个数从3变成4，闪络次数下降了81%，充分说明了这个结论的正确性。基于这个研究结果，各国的研究人员又综合考虑到经济性和可靠性，判定档距个数为3时，避雷器防闪络的效果最好。1.2.4降低杆塔接地电阻线路发生闪络现象的原因主要有两点，一是雷击线路，二是雷电感应过电压导致的。发生雷击现象时，会产生雷电流和感应冲击电流，两个电流均会流向大地，此时防雷效果的好坏还受接地电阻的影响。1. 接地装置的作用配电线路本身绝缘水平较低，安装避雷线并不能可靠的达到防雷效果，因此在低压配电线路中，一般不通过这种方式来进行防雷。相关研究表明，当发生雷击塔顶时，采取一些有效措施可以降低塔顶和导线的电位差值，降低这个电位差实质是降低接地电阻（塔杆冲击电阻），从而达到防雷目的。冲击电阻由塔杆自身的工频接地电阻乘以一个估算冲击系数得到。换个角度来说，接地电阻的功能就是雷电流流入大地的通道通畅程度，减小接地电阻意味着疏通这个通道，使其变得更流畅，用这种方法可有效的达到耐雷水平要求。2. 降低杆塔接地电阻的研究分析雷击塔顶现象的发生和杆塔本身的高度有关系，配电网因为杆塔高度较低，因此雷击塔顶发生概率较低。针对雷击线路展开分析，针对同一条线路，计算安装避雷器前后且不同接地电阻的情况下的耐雷水平，具体研究结果如下表1.8和表1.9所示。表1.8雷击线路(有避雷器)的耐雷水平Tab.1.8Lightningwithstandleveloflightningstrokeline(witharrester).绝缘子型号接地电阻30Ω耐雷水平(kA)接地电阻40Ω耐雷水平(kA)接地电阻50Ω耐雷水平(kA)接地电阻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雷击线路(无避雷器)的耐雷水平Tab.1.9Lightningwithstandleveloflightningstrokeline(withoutarrester).绝缘子型号接地电阻30Ω耐雷水平(kA)接地电阻40Ω耐雷水平(kA)接地电阻50Ω耐雷水平(kA)接地电阻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根据上述计算数据可得出以下两个结论：（1）首先可以明显的看出，在安装和未安装避雷器的情况下，针对不同类型的绝缘子的进行耐雷水平测试，结果有较大差异。（2）安装避雷器可以反向抑制线路耐雷水平与接地电阻之间的负相关的这个变化关系，使其变化程度小于1个百分点。而对于未安装避雷器的线路，不受此影响。根据上述分析可以得出结论：改变接地电阻会直接影响避雷器的耐雷水平，但是这个影响程度对于线路总的来说可以忽略。1.2.5不平衡绝缘雷击现象常常会引起闪络，其中两相闪络发生的概率最大。线路有一定的绝缘水平，每一回线的绝缘水平不同，但这个绝缘水平有一个范围：（1）绝缘水平相对平衡；（2）绝缘水平存在差异，但差异较小。双回线各回线路都会因为雷击发生闪络，各相闪络存在于各相，且大都发生在绝缘水平低的那一侧。不平衡绝缘：当这个双回线两条线绝缘水平因为人为因素而产生不同时，雷击塔杆时，一般是先让低绝缘侧线路发生闪络，进一步提高另一条线路的耐雷水平，提高供电可靠性。1. 不平衡绝缘的作用不管是高压电网(110kV，220kV)还是低压配电网，同塔双回线发生雷击现象时，一般是一回线路跳闸，但更多的是双回线同时跳闸。运用不平衡绝缘的这个观点可解决双回线同跳的问题，主动的让一回线三相跳闸，增强耐雷水平。这个方法一般运用于高压电网中，能有效提高供电可靠性。2. 不平衡绝缘的研究配电网线路中，因为杆塔高度和线路的长度的限制，绝缘子的数量不允许大幅度的增加，绝缘子不变动的情况下，要提高绝缘水平，就只能通过改变绝缘子本身来提高线路整体的绝缘水平，从而更好的增强两相闪络的效果。表1.10不同绝缘子防雷效果比较Tab.1.10Comparisonoflightningprotectioneffectofdifferentinsulators.绝缘子类型雷击跳闸率雷击跳闸降低幅度双回跳闸率双回同跳降低幅度玻璃绝缘子7.0350.44%6.3951.42%瓷横担绝缘子4.4158.46%1.7360.08%复合悬式棒形绝缘子5.2956.11%4.6757.06%采用不平衡绝缘的方法，对10kV配电网同塔双回线路的两相分别采用P15绝缘子和复合绝缘子或者玻璃绝缘子的情况进行分析，探究这种情景下的防雷效果。具体的测试结果如表1.10所示。根据上述数据可知，采用复合绝缘子，雷击跳闸率最高。综合比较上述三种不同绝缘子的情况，得出结论：第二种绝缘子的防雷水平最好，跳闸率降低幅度最大。采用不平衡绝缘的方法，可以有效降低雷击跳闸和双回同跳的幅度，降低的幅度大概是50%，由此得出结论，不平衡绝缘可以有效提高供电可靠性。1.2.6采用并联间隙保护技术前面提到的架设避雷线和耦合地线的措施，不能起到有效的防雷效果。为了达到防雷要求，提高供电可靠性，采用一种并联间隙保护技术。其原理如下：采用一对金属电极并联在绝缘子的两端，这种特殊方法，能够在绝缘子两端制造出一个间隙。在发生雷击现象时，此间隙能够优先放电，抑制闪络的发生，保护绝缘子。（1）并联间隙的作用雷击线路时，绝缘子两侧的间隙先放电，此时由于雷击产生的电弧受到外力的作用会熄灭，更好地保护绝缘子。空气的绝缘特性是短时间自动恢复，而线路的重合闸对时间的要求较高，间隙放电正好满足短时间故障这个要求，综合