防雷技术

中压架空绝缘线路雷击断线浅析


为了解决外物如树枝、抛物等对架空裸线的影响，减少停电，提高供电可靠性，我局于80年代末开始使用绝缘线。采用了绝缘线后，因短路故障而线路跳闸事件急剧减少，有效地减少了停电时间。

与地下电缆相比，绝缘线路具有投资省、建设快的优点，但也带来了一些新的技术问题，绝缘导线在运行中遭受雷击断线故障就是其中之一。



架空线路上产生雷电过电压有两种，一种是雷直击线路引起的直击雷过电压，另一种是雷击线路附近由于电磁感应所引起的感应雷电过电压。配电线路的雷击中约20%是直击雷，而其中50%以上直击雷的电流超过20kA，约80%是感应雷，其中95%以上感应雷的放电电流小于1000A。配电线路绝缘水平低，即便装设避雷线也会反击，防止直击雷的作用不大。配电线路主要是防止感应雷电过电压。造成绝缘线路雷击断线的主要原因是雷电闪络后工频续流烧断导线引起的。



一、统计

日本采用绝缘线路比较早，积累了较多的运行经验。表1是日本的一些统计数字。



表1 1969~1971年三年日本全国中压配电线路事故表

　

从表1可以看出，采用绝缘线后，配电线路事故率大为降低，为裸线的15.3%，绝缘化效果明显。但雷击故障数基本差不多，这是因为配电线路总长度大致相同，落雷次数相当。其中绝缘线雷击事故占其总事故数的36.8%，而雷击断线率为460/475=96.8%。



二、绝缘线雷击断线的原因

裸线路被雷击闪络后工频续流电弧因电动力作用将向导线的负荷方向侧移动，并在工频电流烧断导线前引起变电站出线开关跳闸，一般导线损伤不大，不会造成断线。



绝缘导线的绝缘被雷击闪络而击穿，雷电流很大但时间很短，一般为几微秒至几毫秒，因而雷击闪络只会在绝缘导线的绝缘层上形成一针孔而不会引起断线。雷击闪络多会导致两相之间或三项之间闪络，工频电弧续流（几千安培）被集中固定在绝缘导线绝缘击穿针孔处稳定燃烧直至断线。



三、防止雷击断线的措施



1．安装接地避雷线

在空旷地区对配电线路设置接地避雷线进行屏蔽，导线上的感应过电压将降为1-k倍，k为避雷线与导线之间的耦合系数与冲击系数之积。对于导线高度为11m，导线间距为0.7m的配电绝缘线路，架设雷击点距离此线路50m，雷电流幅值为100kA，未架设地线时，感应过电压的最大值为550kV；如果安装了一根架空地线，高度为12m，则感应过电压的最大值可降低为330kV，降低了40%。可见采用架空地线限制感应过电压的作用还是比较大的。但是因为中压配电线路的绝缘水平较低，雷击架空地线后极易造成反击闪络，仍然会发生工频续流烧断绝缘导线。所以此方式对防止雷击断线而言并不能起到多大作用。因此只有在直击雷频繁区域架设地线以防直击雷，并作为防止感应雷电过电压雷击断线的辅助手段。

2．安装避雷器

在配电线路上安装避雷器是世界各国广为采用的一种方法。其限制配电线路雷电过电压的作用大致有两个方面：一是限制感应过电压幅值，二是雷击闪络后吸收放电能量，限制工频续流，达到保护导线的目的。



从前面雷击断线分析可以看出，持续在击穿点的工频续流是导致绝缘线烧断的根本原因，限制工频续流能有效地减少雷击断线故障。



对避雷器的选择应综合考虑。为了降低避雷器的故障率、延长避雷器的使用寿命，避免因加装的避雷器缺陷引起线路故障，宜采用有间隙的氧化锌避雷器，ZnO阀片正常时不承受工频电压作用，不老化，只在雷电过电压及工频续流时才动作。因为95%以上的感应雷的放电电流小于95%1000A，在避雷器的通流能力选择上考虑技术经济性，宜选用5kA的限流元件。但遭受直击雷时雷电流大多超过20kA，此时避雷器将因其通流能力不足而爆炸。



内置间隙的氧化锌避雷器安装时需剥除一段导线的绝缘层，因为雷击闪络点一般在瓷瓶绑扎处30cm附近，因此绝缘剥离长度宜长于60cm，安装后再用绝缘罩密封，施工较复杂。日本研制的限流消弧角可解决这一问题。



如图1所示，限流消弧角主要由环形角、ZnO限流元件及安装支架组成，期限流元件的放电电流选用2500A。当发生雷击闪络时，闪络击穿点与环形角之间的空气间隙击穿，BIL为60kV，雷电流经ZnO限流元件流通至地，气候的工频续流被ZnO元件高阻阻断灭弧，有效地避免绝缘线被烧断。如雷击电流过大，环形角与安装支架之间的空气间隙也将击穿，从而改善ZnO元件的通流，避免ZnO元件爆炸。即使ZnO元件损坏，因在导线与环形角之间的空气间隙也不会发生接地故障。安装限流消弧角不需剥离导线的绝缘层，在原线路改造安装时可不触及有电部分，因此在无法停电时如采用带电作业进行安装也较为方便。



3．安装防导线熔断装置

芬兰的SAX系统将导线固定处绝缘层玻璃，加装厚实金属线夹以承受电弧，可保护导线免受工频续流烧损断线。当相间闪络时，电弧在两厚实线夹处燃烧直至线路跳闸，因此对此厚实线夹有特殊要求，另外我国一般在直路杆采用针式瓷瓶导线绑扎方式，并不采用悬垂线夹。所以这种方式改造量大，不适合我国国情。



日本东京电力公司采用放电钳位绝缘子，在绝缘线固定处剥离绝缘层，加装金属线夹以承受工频续流，并设置引弧放电间隙，使工频续流不烧伤绝缘子。变电站出线开关跳闸以熄灭工频续流。据其统计，绝缘线断线率由1982年的0.115件/百公里·年降为1991年0.005件/百公里·年，效果明显。该方式投资可能比采用避雷器方式少，不需接地装置，但需对针式瓷瓶更换，并在绝缘线固定处需剥离绝缘层，为防水和提高供电可靠性，又需再外罩绝缘罩，施工麻烦。



4．增长闪络路径

通过增长闪络路径、降低工频建弧率，是防止雷击断线的另一种思路。一种方法是采用局部加强绝缘，即在针式瓷瓶绑扎导线部位，采用1.5m长的加强绝缘层，提高此段绝缘强度，放电只能从加强绝缘的边沿处击穿导线，产生沿面闪络，当雷电流通过后，击穿点距横担等接地点之间，闪络路径长，不足以建弧形成工频续流，从而达到保护绝缘导线的目的。此方法尚在试验阶段，不便工程化实施。




5．提高线路绝缘耐压水平

将针式瓷瓶更换为合成绝缘子，提高线路的冲击耐压水平，确保只在特别高的雷电感应过电压作用下闪络，工频续流时因放电爬距大无法建弧而熄灭。但合成绝缘子高度较大，50%放电电压为300kV的合成绝缘子高度约为400mm，并且合成绝缘子经多次闪络后将会损伤。


四、各种方案的技术经济比较

采用局部加强绝缘方式、增长闪络间隙方式因处在验证阶段，不宜推广采用。架设架空地线费用高，并且不能有效消除雷击断线，也不宜用来防止感应雷击断线，但可用于直击雷频繁区域以减少直击雷的危害。表2


就安装避雷器、防导线熔断装置、提高线路绝缘水平三种有效方式作了技术经济比较。


新建线路，宜采用安装防止导线熔断装置，也可采用合成绝缘子以降低维护工作量（考虑其爬距大，清扫维护周期长）。在经济条件允许下，采用限流消弧角是最有效方式，如考虑我国国情，也可加装有间隙避雷器以达到同样目的。

　

俄罗斯提出长闪络间隙方式，原理与上类似，再横担上安装一U性绝缘棒，在U形头部将绝缘剥开，使U形头部与导线之间的空气间隙的冲击放电电压比针式瓷瓶低，当雷电过电压时，此间隙先于针式瓷瓶击穿闪络，闪络路径由此段间隙与绝缘棒构成，当闪络路径长度增至足够长时，就可阻止工频续流建弧。清华大学高压实验室对此作了初步试验，证明此间隙与绝缘子在绝缘配合上容易实现。但要实际应用长闪络间隙，还需进一步试验，并考虑其安装方式如何与邻相保持距离，避免在两相的U形头间直接横向短闪络建弧。因绝缘线的安装距离呈减小趋势，长闪络间隙与此趋势相矛盾，应用前途欠明朗。