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防止架空绝缘导线雷击断线和减少雷击跳闸概率的技术措施摘要 本文总结国内外防止配电线路架空绝缘导线雷击断线的技术措施和装置，比较其可靠性和经济性，经试验研究、性能价格比优选和实际运行验证，提出一种适合中国国情、防止配电线路架空绝缘导线雷击断线和减少雷击跳闸概率的新技术和装置，可有效地防止架空绝缘导线雷击断线、绝缘子损坏等事故。该装置结构简单、安装方便，技术先进、国内首创。 关键词： 过电压 新技术 架空绝缘线路key words: Over-voltage New technique Insulated overhead line1 引言 近年来大规模城乡电网改造，越来越多的城市配电网络大量采用架空绝缘导线线路，绝缘线路发生雷击断线和绝缘子击穿事故的统计数量呈上升趋势，并随着绝缘导线线路长度增加而急剧上升，已成为严重威胁线路安全运行的主要根源。一九九九年至二00一年期间，国外关于运行中的绝缘线路发生雷击和绝缘子击穿事故数量占其事故总数量的74.9%，雷击断线率为96.8%，由于雷击断线所造成的直接经济损失高达1.2亿多美元；国内绝缘线路雷击断线事故情况不容乐观，据不完全统计，截止二00一年底，国内一些城市如上海、北京、武汉、厦门等地共发生绝缘线路雷击断线事故约395起，并造成多起人身伤亡和巨额财产经济损失。 架空绝缘线路频繁发生雷击断线事故已引起国内外专家学者广泛重视，并围绕雷击断线的机理，以及如何有效防止架空绝缘线路发生雷击断线事故的焦点问题展开了大量的试验研究和应用技术的研发工作。2 雷击断线的机理 试验研究和实际事故原因分析证实：架空绝缘线路因雷电过电压造成闪络时，瞬间电弧电流很大但时间很短（约几微秒至几毫秒），仅在架空绝缘导线绝缘层上形成击穿孔，不会烧断导线。但是，当雷电过电压闪络，特别是在两相或三相（不一定是在同一电杆上）之间闪络而形成金属性短路通道，引起数千安培工频续流，电弧能量将骤增。此时，由于架空绝缘导线绝缘层阻碍电弧在其表面滑移，高温弧根被固定在绝缘层的击穿点而在断路器动作之前烧断导线。 对于裸导线，电弧在电磁力的作用下，高温弧根沿导线表面滑移，并在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前引起断路器动作，切断电弧。因此，裸导线的断线故障率明显低于架空绝缘导线。 根据上述架空绝缘导线线路雷击断线机理分析，及时切断雷电流引起的工频续流是防止架空绝缘导线线路雷击断线事故的基本方法。3 国外防止架空绝缘导线线路雷击断线事故的技术措施 经济发达国家采用架空绝缘导线输配电的时间较长，积累了大量运行经验。为了降低日益高涨的雷击断线事故率，先后采用了如下预防措施和方法。3.1 架空避雷线 在空旷地区同杆架设架空避雷线对配电架空绝缘线路进行屏蔽保护，架空绝缘线上的感应电压将降低(1-k)倍，k为避雷线与导线之间的耦合系数乘以冲击系数。 理论计算和实际运行经验表明：采用同杆架设架空避雷线可以限制线路感应过电压，是一种投资较大的传统方法。但是，由于配电线路设计的绝缘水平较低，雷击架空避雷线后非常容易造成反击闪络，仍然会引发工频续流熔断绝缘导线。故该方法国外目前较少采用。3.2 氧化锌避雷器 近年来，人们利用氧化锌避雷器非线性电阻特性和快速阻断工频续流的特性，广泛应用于线路以限制雷电过电压，其保护范围有限，基本上只能够保护本杆设备。日本、美国、加拿大等国家投入巨资对线路进行改造，在每基电杆上安装三只（相）氧化锌避雷器后，雷击断线率由原来的99.3%降低到2.7%，基本没有再发生雷击断线事故。3.3 钳位绝缘子 日本东京电力公司采用放电钳位绝缘子以防止绝缘导线雷击断线，如图1所示。即在绝缘导线固定处剥离绝缘层，加装特殊设计的金属线夹，并设置引弧放电间隙。当雷电闪络引发工频续流时，工频续流在该金属线夹上燃弧直至线路跳闸以熄灭工频续流，从而避免烧伤绝缘子和熔断绝缘导线。 根据同一原理，芬兰Nokia公司研发的被覆线配电系统（SAX系统），采用悬垂线夹和其它装置作为闪络保护器，悬垂线夹承受工频电弧，如图2所示。该装置抗震性能较差，线路风吹舞动时，常发生故障。3.4增长闪络路径 通过增长闪络路径，降低工频建弧率，是防止架空绝缘线路雷击断线事故的另一思路。俄罗斯国家电力公司首先提出长闪络间隙保护方式，如图3所示。在横担上安装一U形绝缘闪络路径（图3b），使U形头部与绝缘导线之间的冲击放电电压比绝缘子放电电压低。当雷电过电压时，该间隙先于绝缘子击穿闪络，并沿绝缘闪络路径发展。设计该绝缘路径足够长，就可以阻止工频续流建弧，切断工频续流。 图1 钳位绝缘子 2.a 2. b 图2 悬垂线夹闪络保护器 图3 U形绝缘闪络路径 图4架空绝缘导线加强局部绝缘 图 5 日本、澳大利亚采用的限流消弧角3.5提高线路绝缘水平 将配电线路中的瓷绝缘子更换成为硅橡胶绝缘横担，全线提高线路绝缘水平，雷电引发的工频续流因爬距大而无法建弧。 为了减低线路造价，可采用架空绝缘导线加强局部绝缘的方式，即在绝缘导线固定处加厚绝缘，如图4所示，也是一种尝试的办法。3.6限流消弧角 一些多雷害国家如日本、澳大利亚、美国和欧洲等，近年来在架空绝缘线路上大量推广应用限流消弧角，如图5所示。该装置利用放电线夹1刺穿绝缘导线的绝缘层，形成对氧化锌限流元件3 的尖端放电间隙，当线路出现雷电过电压时，尖端间隙首先放电，雷电流经氧化锌限流元件释放，而工频续流则被氧化锌限流元件截断，从而防止架空绝缘线路雷击断线事故的发生。该方法在诸多国家推广应用五年以来，有效地防止雷击断线事故再度发生，受到许多国家普遍欢迎，正逐步取代上述各种预防措施。4 国内防止架空绝缘导线雷击断线事故的技术措施 我国架空绝缘线路应用的历史较短，积累的运行经验较少。特别是发生绝缘导线断线事故时，分析事故原因不透彻，信息交流渠道不畅通。因而，防止架空绝缘导线雷击断线事故的措施和技术单一，新技术新措施研发相对滞后。较多采用的方法是在有配电变压器的电杆上或变压器接线桩头附近安装氧化锌避雷器，有足够经济条件或重要线路则采用硅橡胶复合绝缘子加强全线路绝缘水平。 上海市电力公司近几年在全市大量采用氧化锌避雷器，以抑制雷电过电压，并在架空绝缘配电线路设计技术规范中规定“每隔三档（约100至150米）装设保护间隙或氧化锌避雷器”。 上海、北京、广州、福州等大中城市市区和城郊基本上是以氧化锌避雷器为主要防止雷电过电压措施。重要区域采用硅橡胶复合横担和氧化锌避雷器作为防止雷电过电压措施。事实上，氧化锌避雷器保护范围较小，只能够保护附近的电气设备免受雷害，故我国架空绝缘线路雷击断线事故率依然快速增长。时至今日，我们面对架空绝缘导线雷击断线事故仍然是束手无策，处于极为被动的局面。各电力公司多次在全国专业会议上呼吁引进国外先进技术、研发适合国情的预防雷击断线事故的新技术新措施，将雷击断线事故率和事故损失降低到最小限度。5 防止架空绝缘导线雷击断线事故的最新技术措施 2000年8月份，市东供电公司所管辖的多条10kV架空绝缘线路先后发生十一起雷击断线故障，造成市区大面积供电中断。同期，有新闻报导湖北省武汉市汉阳区某10kV架空绝缘线路发生雷击断线事故，造成一行人电击重伤。 架空绝缘导线雷击断线问题引起上海市东供电公司领导班子高度重视，及时组织总工室和生技科会同国家电力公司武汉高压研究所和华东电力试验研究所等单位技术人员详细分析事故原因、制定相关预防措施。同时，由生技科牵头、浦东供电所配合，成立防止架空绝缘导线雷击断线的新技术研发攻关小组，派出相关人员到外省、市调研，收集北京、武汉等地区防止架空绝缘导线雷击断线的技术和措施的第一手资料，并设立专项科研课题，委托我公司研发防止架空绝缘导线雷击断线的新技术和新措施。 针对目前国内防止雷击断线事故的技术措施仍处于空白的现状，我们借鉴国外较为成熟的技术和走访科研院所寻求解决方案的基础上，在上海市东供电公司袁检和万幸倍同志的指导下、在浦东供电所的积极合作并提供实验和试运行条件的帮助下。历时一年多，在国内率先研制开发成功适合国情的线路过电压保护器技术（实物如图6所示），填补了国内防止架空绝缘导线雷击断线的新技术和新措施的空白，达到国际先进技术水平，得到有关专家学者的一致好评。该项技术通过国家电气设备质量检测中心型式试验，各项技术参数达到设计要求，较好地完成了课题标的。经试验研究、性能价格比优选和实际运行验证，该项技术可有效地防止架空绝缘导线雷击断线、绝缘子损坏等事故的发生。其结构简单、技术先进、保护特性好、安装方便以及使用效果良好、免维护。 图6 线路过电压保护器实物图片 对上述国内外各种防止雷击断线事故的技术措施和我们研发的架空绝缘导线线路过电压保护器技术的技术经济性进行比较，比较结果列入表1 中。表1 几种防止雷击断线事故的技术措施的技术经济性比较 技 术 措 施优 点缺点架空避雷线1能够有效降低线路雷电感应过电压。2免维护。1容易对线路形成反击。2投资成本较大。3 防止绝缘导线雷击断线效果不明显。氧化锌避雷器能够有效截断工频续流、限制雷电过电压。1保护范围较小。2全线路装设，投资成本很大。3 必须破开绝缘层，可能引起绝缘导线线芯进水，导致导线弧垂处电化学腐蚀断线。4 长期承受工频电压，可能引起氧化锌阀片老化，必须进行运行维护。钳位绝缘子1借助断路器截断工频续流，防止绝缘导线熔断。2 免维护。1 更换绝缘子的投资成本较大。2 必须破开绝缘层，可能引起绝缘导线线芯进水，导致导线弧垂处电化学腐蚀断线。增长闪络路径1借助断路器截断工频续流，防止绝缘导线熔断。2 免维护。3 投资成本较低。1 如何保持间隙的问题尚无法解决。2 如何与同杆其它线路保持间距的问题无法解决。提高线路绝缘水平1有效提高线路绝缘水平。2免维护。更换绝缘子的投资成本较大。限流消弧角1能够有效截断工频续流、限制雷电过电压。2 不承受工频电压，免维护。1保护范围较小。2线路中每间隔一基至三基电杆装设，投资成本较大（但可以接受）。3 必须破开绝缘层，可能引起绝缘导线线芯进水，导致导线弧垂处电化学腐蚀断线。线路过电压保护器1能够有效截断工频续流、限制雷电过电压。2 不承受工频电压，免维护。1保护范围较小。2线路中每间隔一基至三基电杆装设，投资成本较大（但可以接受）。6 线路过电压保护器的设计原则和技术参数选取 我们研发的架空绝缘线路过电压保护器由限流元件6串联不锈钢引流环5，并与架空绝缘导线1之间构成的间隙组成, 其结构如图7所示。 俯视侧视图7 线路过电压保护器结构图图中：1-架空绝缘导线；2-绝缘子；3-横担；4-连接金具；5-不锈钢引流环； 6-限流元件的上电极； 7-氧化锌阀片； 8-硅橡胶绝缘外套； 9-限流元件的下电极； 6.1限流元件的额定电压 限流元件用于截断工频续流，因而必须认真考虑在工频过电压下流过限流元件的电流。对于10kV系统，工频过电压一般不超过1.13p.u.。我们把10kV系统用的保护器额定电压定为12.7kV，限流元件直流1mA参考电压应大于18kV。这样在13.2kV工频过电压作用下，如果忽略串联间隙对于工频续流的影响，理论上流过避雷器的工频续流为0.1A，计算结果表明限流元件完全能够很好地切断工频续流。由于串联间隙对小电流具有很好的切断作用，因而流过限流元件的工频续流必然大大的低于0.1A。6.2 限流元通流能力估算按照DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合推荐，我国一般地区雷电流幅值超过I的概率为P=10（-I/88）。雷电流可能达到的幅值与地域、时间跨度相关。从产品的雷击损坏事故来看，地域范围并不重要，可以忽略不计；至于时间跨度，应该考虑产品预期寿命周期，20年是一个大家可以接受的时间。按DL/T 620-1997的推荐，对于雷暴日Td=40的地区，每100km、每年的雷击次数NL=0.284h(h为架空线的平均高度，m，10kV线路h=10m)，则雷电流幅值超过I的雷击次数N1=1.12h10（-I/88），时间跨度20年、每100km的雷击次数为N2=22410（-I/88），以基杆间距为50m计算，则每基杆、20年的时间跨度雷电过电压超过U的次数为N=0.11210（-I/88）。由此可以计算，10000基杆、20年的时间内，雷电流超过200kA的次数为6次，考虑到配电线路一般位于市区，周围有高大的建筑物和树木的屏蔽作用，可能的雷击次数一定大大小于6次，但从严考虑仍以6次计。虽然感应雷电流幅值为200kA，但流过保护器的雷电流极少，按规程选择接地电阻30，使用EMTP暂态计算程序，模拟计算结果为流过保护器的雷电流幅值不超过16kA。我们选用D3阀片，它能承受2次65kA的大电流冲击，若设计目标仅考虑200kA及以下的安全性，那么每基杆都安装保护器、20年内，保护器的雷击损坏率约为6/10000，其安全裕度是很大的。若每间隔一基杆安装一组保护器，则保护器的雷击损坏率为1.2。而每间隔四基杆安装一组保护器，则保护器的雷击损坏率为2.4。为保证保护器的安全运行，因而建议对人口密集地区或雷电易击区，每基杆安装一组保护器，这样20年内雷击损坏率为6/10000，而对于一般地区，则每隔4基杆安装一组保护器，则20年内雷击损坏率约为3。同样根据计算，10基杆之外雷电过电压通过保护器的电流已经非常小，其影响可以不计，因而保护器不能每间隔10基杆安装一组保护器，这样不但10基杆之外的雷电过电压不能消除，而且保护器的雷击损坏率为1.2%，雷击损坏率偏大。6.3 串联间隙 保护器的串联间隙距离关系到保护器的保护特性，要求满足：(1) 在雷电过电压作用下通过与绝缘子的合理配合，串联间隙应可靠动作，保证绝缘子不闪络；(2) 能够可靠耐受最大工频过电压而串联间隙不击穿；(3) 即使在污秽、安装偏置的情况下不明显改变间隙的放电特性。 从满足雷电过电压作用下串联间隙应可靠动作的要求来看，串联间隙的距离越小越好，这样在雷电冲击下发生被保护绝缘子闪络而串联间隙不放电、保护失败的可能性越小。但是与(2)的要求相矛盾，因而间隙不是越小越好。若以绝缘子闪络率不超过5/100000为依据，按国标规定雷电冲击相对标准偏差0.03进行推算，要保证绝缘子闪络率要求，雷电过电压应小于0.88倍绝缘子50%雷电冲击闪络电压，同理要保证保护器不动作概率小于5/100000，那么保护器串联间隙50%雷电冲击闪络电压应小于0.88倍的雷电过电压。由此可知要保证保护器可靠动作而绝缘子不闪络，要求绝缘子50%雷电冲击闪络电压至少要比串联间隙50%雷电冲击闪络电压高出25.6%以上，即绝缘配合系数应为1.256，这一绝缘配合系数与前苏联的绝缘配合系数一致 。从能够可靠耐受最大工频过电压而串联间隙不击穿这一点来看，串联间隙应足够大，但这又与（1）相矛盾。以10kV为例，串联间隙应可靠耐受1.13p.u.，即13.2kV，它必须考虑各种不利的气候条件，如雨、雾、冰等，按照上面所述，绝缘配合系数必须大于1.256，再考虑海拔高度的影响，以海拔1km作为参考，应增加10%，即绝缘配合系数为1.38。至于污秽、安装偏置，在各种可能的情况下经多次试验得到如下结论：在一定的串联间隙，引流环与绝缘子间平均相距25mm下，污秽、安装偏置对放电特性没有太大的影响，可以不予考虑。6.4操作过电压对保护器的影响 保护器在投入使用过程中，不可避免地要受到操作过电压的影响。对于10kV系统，最严重的情况是开断前系统已有单相接地故障，使用一般断路器操作时产生的过电压可能超过4.0 p.u.,即39kV。也就是说，在最大操作过电压39kV下，串联间隙不能被击穿，保护器不应动作。在考虑以上要求之后，对于PQ2绝缘子线路过电压保护器技术指标与保护性能如表2和表3所示。线路过电压保护器雷电放电试验实况如图8所示。表2 保护器限流元件的技术指标额定电压（kV）2mS方波电流（A）标称放电电流下残压（峰值，kV）直流参考电压（kV）12.71503618表3 保护器整体技术指标与保护性能串联间隙mm工频放电电压（有效值，kV）波前冲击放电电压（峰值，kV）1.2/50s冲击放电电压（峰值，kV）100550200110 图 8 线路过电压保护器雷电放电试验实况7 线路过电压保护器应用 2002年3-4月份，浦东供电所先后在易遭受雷击地区的亭16施湾线、施9龄楼线等架空绝缘线路上，部分地安装线路过电压保护器62组，进行实际挂网运行考核。安装实物照片如图9所示。 图9 实物安装照片 2002年7-8月份，浦东地区多次突降雷暴雨，并有架空绝缘线路发生雷击断线故障，多条线路因雷击开关跳闸。8月27日，浦东地区再遭强雷击，上海市东供电公司研发攻关小组成员立即会同浦东所线路股对已装有线路过电压保护器的线路进行巡视，巡视发现亭16施湾线738杆变10kV B相负荷熔丝元件熔断，B相避雷器击坏，B相高压引下线断脱，其余架空线巡视正常，过电压保护器没有损坏（见图10照片）；施9龄楼线7304杆变10kV A相负荷熔丝元件熔断，杆变击坏，其余架空线巡视正常，过电压保护器没有损坏（见图11照片）。实际运行和分析结果表明，在今年多次出现强雷击情况下，这两条安装有线路过电压保护器的线路，虽然明确表明已经遭受雷击，但却没有发生雷击断线故障。由于过电压保护器可有效的将雷击形成的过电流及时导入大地释放，降低了雷击导致线路开关跳闸概率，大幅提高了雷季线路运行的可靠性。该实际应用事例证实，架空绝缘线路过电压保护器技术能够有效地扼制雷害事故扩大，各项技术指标满足预防架空绝缘线路发生雷击断线事故和减少雷击跳闸概率的技术要求。从已经安装了线路过电压保护器的亭16施湾线和施9龄楼线的实际效果来看，尽管2002年是遭受雷击较多的年份，但此两条线路没有发生断线，而且因雷同击造成的开关跳闸数次数明显减少，起到了很好的防护效果。详细数据比较如表4所示。 图10 遭受雷击后亭16施湾线线路过电压保护器运行图片 图11 遭受雷击后施9龄楼线线路过电压保护器运行图片表4 亭16施湾、施9龄楼近五年因雷击造成断线和开关跳闸 数据比较年 份亭16施湾施9龄楼断线次数跳闸次数断线次数跳闸次数1998年34231999年35232000年23352001年23232002年0101 另一方面，我公司在开发的线路过电压保护器技术的过程中，注重理论研究和试验研究，相关论文先后在国家一类核心刊物高电压技术、全国第六次电力电缆运行经验交流会论文集上公开刊出。 同时我们研发的架空绝缘线路过电压保护器技术在国内、外学术权威机构和运行单位中引起强烈的反响。论文的主要作者代表中国于二00一年六月赴荷兰KEMA电力研究中心作专题技术交流。 国家电力公司发输电输2001 7号文件城市电网架空绝缘导线应用研讨会纪要中特别指出：“.宜使用架空绝缘线路过电压保护器来防止架空绝缘电缆雷击断线事故.”。 全国电力系统城市供电专业工作网网秘办字200004号文件架空绝缘导线运行研讨会议纪要中强调指出：“对雷电活动较多、雷击断线频繁的地区应因地制宜，采取加装带有间隙的氧化锌避雷器的措施。也可考虑试装线路保护器。” 武汉供电局论文在结论中肯定了我们研发的线路过电压保护器技术的技术经济性，建议推广应用。我们仍将继续该线路过电压保护器的实际运行考核工作，并将该项